雖然我國(guó)液氫生產(chǎn)與應(yīng)用歷史悠久，是世界上最早使用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家之一，但技術(shù)和裝備長(zhǎng)期局限在航天軍工領(lǐng)域，民用領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)和裝備缺失，液氫產(chǎn)量低。與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，液氫技術(shù)和裝備水平還有顯著差距。全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)高級(jí)顧問、首任主任委員陳霖新指出，液氫生產(chǎn)與應(yīng)用涉及的幾個(gè)行業(yè)已被美國(guó)列入商業(yè)管制清單，大規(guī)模液氫生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)設(shè)備、材料和工藝技術(shù)受到進(jìn)口限制，液氫技術(shù)和裝備國(guó)產(chǎn)化任務(wù)迫在眉睫。

氫的儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

一直以來，氫的高密度儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。

氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是發(fā)揮氫能戰(zhàn)略意義的重要支撐。氫能對(duì)促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系都具有重大戰(zhàn)略意義，主要的實(shí)現(xiàn)路徑是通過氫與多種能源形式耦合來大幅提升可再生能源在一次能源消費(fèi)中的占比?？紤]到我國(guó)可再生能源資源與負(fù)荷中心的逆向分布，缺乏低成本可靠的高密度儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)限制了我國(guó)西部豐富的可再生能源制氫的潛力。

圖1 中國(guó)與全球當(dāng)前制氫方式構(gòu)成(來源：中國(guó)石化)

氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)與終端用氫成本密切相關(guān)。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)氫氣產(chǎn)能達(dá)2500萬噸，是制氫大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，已投產(chǎn)和在建的工業(yè)副產(chǎn)項(xiàng)目氫供應(yīng)規(guī)模可達(dá)400萬噸以上，初期示范應(yīng)用成本較低廉的氫源相對(duì)容易解決，但當(dāng)前技術(shù)水平下氫的中遠(yuǎn)距離儲(chǔ)運(yùn)大幅增加氫終端售價(jià)，不利于終端氫能應(yīng)用領(lǐng)域的培育和發(fā)展。

圖2 中國(guó)工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能分布(來源：光大證券)

氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)也是健全氫安全市場(chǎng)監(jiān)管體系的重要一環(huán)。氫的儲(chǔ)運(yùn)、加注等環(huán)節(jié)特種設(shè)備多，檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在完善，在氫能安全受到強(qiáng)監(jiān)管形勢(shì)下，獲得各界認(rèn)可的高密度儲(chǔ)氫安全體系建立對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)準(zhǔn)入和商業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。

發(fā)展液氫技術(shù)和裝備具有重要意義

當(dāng)前氫的儲(chǔ)存分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫及吸附儲(chǔ)氫等多種方式。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為當(dāng)前主要儲(chǔ)氫方式。其中，鋼制氫瓶和壓力容器最成熟，20MPa鋼制氫瓶應(yīng)用廣泛;車載高壓氫瓶中，35MPa碳纖維纏繞Ⅲ型瓶仍是國(guó)內(nèi)主流，70MPa碳纖維纏繞Ⅵ型瓶仍待推向市場(chǎng)。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在國(guó)內(nèi)航天工程中已成熟使用，民用領(lǐng)域還處在起步階段。化學(xué)儲(chǔ)氫常見于有機(jī)液體儲(chǔ)氫、氨等化合物儲(chǔ)氫，吸附儲(chǔ)氫以金屬氫化物儲(chǔ)氫為主，這些儲(chǔ)氫方式尚處于示范應(yīng)用階段。

表1 各種儲(chǔ)氫方式對(duì)比

氫的運(yùn)輸方式中，20MPa高壓長(zhǎng)管拖車在國(guó)內(nèi)最為常見，單車運(yùn)氫約300kg，適合150公里以內(nèi)短距離運(yùn)輸，國(guó)外一般采用45MPa長(zhǎng)管拖車，運(yùn)氫能力提升到700kg。

1-4MPa管道運(yùn)輸適合陸上遠(yuǎn)距離氫氣輸送，目前全球分布有近5000公里氫氣管道，主要分布在美國(guó)、比利時(shí)和德國(guó)。國(guó)內(nèi)目前建成約40公里，主要用于向化工和煉油設(shè)施輸送氫。管道輸氫造價(jià)昂貴，項(xiàng)目準(zhǔn)入尚存在困難，不適合中短途輸送氫氣。

液氫輸運(yùn)可采用槽罐車，適合500公里中遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸?；疖嚭推囘\(yùn)氫量分別可達(dá)7000kg和2800kg，但目前國(guó)內(nèi)液氫民用輸運(yùn)尚無先例，存在較大障礙。日本已開發(fā)液氫運(yùn)輸船，最多可運(yùn)氫1250Nm3，成為遠(yuǎn)程海洋運(yùn)輸?shù)挠行Х绞健?/p>

高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本高，距離敏感性高，需要進(jìn)一步提高儲(chǔ)運(yùn)效率，液氫儲(chǔ)運(yùn)體積密度是高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的5倍，在中長(zhǎng)距離氫氣儲(chǔ)運(yùn)中經(jīng)濟(jì)性較高，是未來氫儲(chǔ)運(yùn)的重要方向。據(jù)國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，配送成本上看，500公里時(shí)，液氫配送成本僅增加約0.3USD/kg，而高壓氣態(tài)運(yùn)輸配送成本將上升5倍以上，接近2USD/kg。

圖3 各種輸送方式氫配送費(fèi)用(數(shù)據(jù)來源：IEA)

氫液化需消耗自身能量的25-35%，約13-15KWh/kg，這導(dǎo)致目前液氫的輸運(yùn)成本偏高。但隨著運(yùn)輸距離的增加，液氫輸運(yùn)環(huán)節(jié)綜合成本將具備較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，據(jù)陳霖新的數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)輸距離達(dá)500公里時(shí)，液氫制備與運(yùn)輸成本比高壓氣瓶方式降低近20%。

在加氫站環(huán)節(jié)，采用液氫技術(shù)和裝備，將有效降低占地面積和設(shè)備投資，據(jù)航天101所副總工程師劉玉濤展示的數(shù)據(jù)，同樣加氫規(guī)模的加氫站，采用液氫技術(shù)可減少設(shè)備臺(tái)套數(shù)，并減少占地面積，建設(shè)成本可比高壓氣態(tài)加氫站減少15-20%。

就國(guó)外氫能技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)看，全球加氫站中1/3采用液氫技術(shù)。美國(guó)和日本根據(jù)本國(guó)情況主推液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線。在美國(guó)有約33.5%的液氫用于石油化工電子行業(yè)，18.6%用于航空航天，約10%服務(wù)于燃料電池車輛的加氫站。澳大利亞和日本的氫能供應(yīng)鏈項(xiàng)目HESC也采用液氫運(yùn)輸船遠(yuǎn)距離輸送氫氣，成為世界范圍內(nèi)分配氫能源的一種有效方式。

根據(jù)中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院的預(yù)測(cè)，2050年液氫將占所有儲(chǔ)氫方式的45%。

圖4 儲(chǔ)氫方式構(gòu)成預(yù)測(cè)

國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為，在我國(guó)，氫氣終端售價(jià)事關(guān)氫能示范應(yīng)用是否具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)條件，是否可以不斷擴(kuò)大規(guī)模形成良性發(fā)展。對(duì)于中長(zhǎng)距離運(yùn)輸，液氫技術(shù)和裝備不可替代，有助于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化氫源以較低的儲(chǔ)運(yùn)、加注成本供應(yīng)氫能終端消費(fèi)聚集區(qū)域。

我國(guó)液氫技術(shù)和裝備有待突破

我國(guó)當(dāng)前液氫產(chǎn)能較低，氫液化設(shè)備由美國(guó)AP、普萊克斯、法國(guó)法液空、德國(guó)林德等廠商提供。國(guó)內(nèi)液氫技術(shù)和裝備能力存在短板，特別是民用領(lǐng)域起步較晚，目前有航天101所、中科富海和國(guó)富氫能等單位在進(jìn)行氫液化系統(tǒng)的研究開發(fā)。資料顯示，我國(guó)當(dāng)前最大氫液化規(guī)模2噸/天，采用氦膨脹液化循環(huán)和液氮預(yù)冷技術(shù)，液化設(shè)備依賴進(jìn)口，與國(guó)外技術(shù)差距明顯。

從液氫技術(shù)和裝備未來發(fā)展趨勢(shì)看，氫氣液化能耗和氫液化成本仍需大幅下降，以降低液氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的成本。據(jù)林德數(shù)據(jù)顯示，小于5噸/天生產(chǎn)規(guī)模，氫液化能耗超過10KWh/kg，當(dāng)液氫工廠規(guī)模達(dá)到50噸/天和150噸/天時(shí)，氫液化能耗可降至約7KWh/kg和6KWh/kg。氫液化工廠規(guī)模由5噸/天提高到50噸/天時(shí)，氫液化總成本可降低50%。

圖5 氫液化能耗隨氫液化規(guī)模變化圖(來源：林德)

根據(jù)美國(guó)商業(yè)管制清單，限制了我國(guó)進(jìn)口10噸/天以上的氫液化技術(shù)及裝備，以及DN50以上液氫閥門、膨脹機(jī)、液氫泵等關(guān)鍵設(shè)備。國(guó)產(chǎn)民用大規(guī)模液氫技術(shù)和裝備的突破具有重大意義。

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)液氫技術(shù)和裝備正在取得一系列的進(jìn)展。航天101所國(guó)內(nèi)首套自主開發(fā)的1m3/h氫液化系統(tǒng)落地浙江，會(huì)繼續(xù)開發(fā)基于氫膨脹的大型氫液化系統(tǒng)，形成系列化的產(chǎn)品，在氫液化系統(tǒng)、液氫加氫站設(shè)備及工程、車載液氫供氫等領(lǐng)域發(fā)力，加快航天技術(shù)轉(zhuǎn)民用的進(jìn)程。

液氫測(cè)試環(huán)節(jié)，航天101所建成液氫環(huán)境綜合試驗(yàn)區(qū)，并建成了液氫加氫站關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試平臺(tái)和車載液氫供氣系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。

為填補(bǔ)液氫民用標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的空白，航天科技集團(tuán)編制的《氫能汽車用燃料液氫》，《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，《液氫貯存和運(yùn)輸安全技術(shù)技術(shù)要求》等三項(xiàng)液氫標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2020年正式發(fā)布。

國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為，液氫技術(shù)和裝備在民用領(lǐng)域的突破將有力促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，軍民融合、相關(guān)企業(yè)協(xié)同攻關(guān)將是取得突破的必由之路。