氫能利用的現狀及分析

作為零碳能源，氫能源一直以來都在全球范圍內受到關注。當前，氫能產業化發展面臨諸多關鍵問題，特別是其中的規?；⒌统杀局迫〖伴L距離輸運等技術一直是氫能應用過程中的瓶頸問題。目前，我國氫能應用的主要形式為高壓氣態儲氫。相較于高壓氣態儲、供氫模式，低溫液態儲供模式具有儲氫比重高（攜氫密度大）、運輸成本低、汽化純度高、儲運壓力低和使用安全性高等優勢，能夠有效控制綜合成本，且運輸過程中不涉及復雜的不安全因素。此外，液氫在制、儲、運方面的優勢更加適用于氫能的規?；?、商業化供應。同時，隨著氫能終端應用產業的快速發展，也將倒推對液氫需求的增長。液氫技術路線必將成為國內民用氫能開發應用的重要技術方式之一。

一、液氫的制取

(資料圖)

液氫是現有的有效儲氫密度最大的方式，但獲取液氫的過程存在較高技術門檻，規?；迫∫簹鋾r必須要考慮其能耗和效率等指標。

1、全球液氫產能現狀

目前，全球液氫產能達到485t/d。美國（共計18套裝置，總產能為326t/d）和加拿大（共計5套裝置，總產能81t/d）的液氫產能占據了全球液氫總產能的80%以上。我國具備液氫生產能力的文昌基地、西昌基地和航天101所，均服務于航天火箭發射領域。在民用液氫領域，由101所承建的國內首座民用市場液氫工廠（產能為0.5t/d）和研發的具有自主知識產權基于氦膨脹制冷循環的國產噸級氫液化工廠（產能為2t/d）已分別于2020年4月和2021年9月成功施，將我國的液氫產能提升至6t/d。但距離發達國家的液氫產能規模，仍有較大差距。

2、液氫的制取方法

液氫的制取，即氫液化技術，具有多種形式，可按照膨脹過程和熱交換過程進行大致分類或結合。目前，常用的氫液化工藝流程可以分為利用Joule-Thompson效應（簡稱“J-T效應”）節流膨脹的簡易Linde-Hampson法，以及在此基礎上結合透平膨脹機降溫的絕熱膨脹法。在實際生產過程中根據液氫產量的大小，絕熱膨脹法又可劃分為利用氦氣作為介質膨脹制冷產生低溫，進而將高壓氣態氫冷卻至液態的逆布雷頓法，以及讓氫氣自身絕熱膨脹降溫的克勞德法。

二、液氫的儲運

液氫的儲運是液氫安全、高效、規?；偷统杀具\用的基礎，也是解決氫能技術路線應用環節的關鍵。

1、液氫儲運技術

液氫的儲運方式可以分為兩類，即采用容器儲運和采用管道輸運。其中,容器儲運在儲存結構形式上一般采用球形儲罐和圓柱形儲罐，在運輸形式上采用液氫拖車、液氫鐵路槽車和液氫槽船等。

除了考慮常規液體運輸過程中所涉及的沖擊和震動等因素，由于液氫沸點低（20.3K）、汽化潛熱小、易蒸發的特點，容器儲運環節必須采用嚴格的減小漏熱的技術手段，或采用無損儲運方式，將液氫的汽化程度降到最低或零，否則會引起儲罐升壓，導致超壓風險或放空損失。如下圖所示，從技術途徑角度，液氫儲運主要采用減小熱傳導的被動絕熱技術和在此基礎上疊加的主動制冷技術，以減小漏熱或產生額外冷量。

2、液氫儲運特點

基于液氫本身的理化特性，其儲運方式較目前國內大量使用的高壓氣態儲氫方式存在諸多優勢，但其制取過程的相對復雜也使其存在一定劣勢。

（1）液氫儲運優勢如下所示。

儲重比大，便于儲運及車載

液氫相比于氣態儲氫的最大優勢是密度大，液氫的密度為70.8kg/m3，分別為20，35，70MPa高壓氫氣的5，3，1.8倍。因此，液氫更加適用于氫的規模化儲存運輸，能夠解決氫能儲運環節的難題。

儲存壓力低，便于保證安全

液氫儲存在保證容器穩定的絕熱基礎上，日常儲存運輸的壓力等級較低（一般低于1MPa），遠低于高壓氣氫儲運方式的壓力等級，在日常運營過程中更易保證安全。結合液氫儲重比大的特點，在將來氫能規?；茝V過程中，在建筑密度大、人口密集、用地成本高的城市地區，液氫儲運（如液氫加氫站）具有更安全的運營體系，且整體系統占地面積更小，所需前期投資成本和運營成本更小。

汽化純度高，滿足終端要求

我國對高純氫和超純氫的年消耗巨大（約為590萬t/a），特別是電子行業（如半導體、電真空材料、硅晶片、光導纖維制造等）以及燃料電池領域，其對高純氫和超純氫的消耗尤其大。當前很多工業氫氣的品質難以滿足部分終端用戶對氫氣純度的嚴格要求，而液氫汽化后的氫氣純度則可以滿足。

（2）液氫儲運劣勢

液氫路線技術門檻較高

液氫技術在我國發源于航天領域，技術入門要求較高。目前，液氫規?；?、儲、運、用技術和經驗都集中在航天產業，受眾范圍相對封閉。

液化工廠投資大，能耗相對較高

由于氫液化冷箱等關鍵設備及技術發展滯后，2021年9月之前，國內航天領域的氫液化設備全部被國外公司壟斷。大型氫液化核心設備受到國外相關貿易政策（如美國商務部《Export Administration Regulations》）管制，限制設備出口并禁止技術交流。這使得氫液化工廠的前期設備投資較大，加之國內目前的民用液氫需求量較小，規?；瘧贸潭炔蛔?，產能規模上升緩慢，導致液氫的單位生產能耗比高壓氣氫更大。

液氫儲運過程中存在蒸發損失

目前，在液氫儲運過程中，對漏熱導致的蒸發氫氣基本采用放空方式處理，這會導致一定程度的蒸發損失。在未來的氫能儲運環節中，需要采用額外的措施對此部分蒸發氫氣氣體進行回收，以解決直接放空導致的使用率下降問題。

隨著我國“雙碳”目標的提出，清潔能源產業開始迅速推進，作為“零碳”能源——氫能的重要高效載體，液氫將會成為保證氫能規?；瘧玫挠行嵤┩緩?。

關注索比儲能官方微信，第一時間獲取行業資訊！