氫能利用的現(xiàn)狀及分析

作為零碳能源，氫能源一直以來都在全球范圍內(nèi)受到關(guān)注。當(dāng)前，氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨諸多關(guān)鍵問題，特別是其中的規(guī)?；⒌统杀局迫〖伴L距離輸運等技術(shù)一直是氫能應(yīng)用過程中的瓶頸問題。目前，我國氫能應(yīng)用的主要形式為高壓氣態(tài)儲氫。相較于高壓氣態(tài)儲、供氫模式，低溫液態(tài)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(yōu)勢，能夠有效控制綜合成本，且運輸過程中不涉及復(fù)雜的不安全因素。此外，液氫在制、儲、運方面的優(yōu)勢更加適用于氫能的規(guī)模化、商業(yè)化供應(yīng)。同時，隨著氫能終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也將倒推對液氫需求的增長。液氫技術(shù)路線必將成為國內(nèi)民用氫能開發(fā)應(yīng)用的重要技術(shù)方式之一。

一、液氫的制取

(資料圖)

液氫是現(xiàn)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(shù)門檻，規(guī)?；迫∫簹鋾r必須要考慮其能耗和效率等指標(biāo)。

1、全球液氫產(chǎn)能現(xiàn)狀

目前，全球液氫產(chǎn)能達(dá)到485t/d。美國（共計18套裝置，總產(chǎn)能為326t/d）和加拿大（共計5套裝置，總產(chǎn)能81t/d）的液氫產(chǎn)能占據(jù)了全球液氫總產(chǎn)能的80%以上。我國具備液氫生產(chǎn)能力的文昌基地、西昌基地和航天101所，均服務(wù)于航天火箭發(fā)射領(lǐng)域。在民用液氫領(lǐng)域，由101所承建的國內(nèi)首座民用市場液氫工廠（產(chǎn)能為0.5t/d）和研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)基于氦膨脹制冷循環(huán)的國產(chǎn)噸級氫液化工廠（產(chǎn)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(chǎn)能提升至6t/d。但距離發(fā)達(dá)國家的液氫產(chǎn)能規(guī)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(shù)，具有多種形式，可按照膨脹過程和熱交換過程進(jìn)行大致分類或結(jié)合。目前，常用的氫液化工藝流程可以分為利用Joule-Thompson效應(yīng)（簡稱“J-T效應(yīng)”）節(jié)流膨脹的簡易Linde-Hampson法，以及在此基礎(chǔ)上結(jié)合透平膨脹機(jī)降溫的絕熱膨脹法。在實際生產(chǎn)過程中根據(jù)液氫產(chǎn)量的大小，絕熱膨脹法又可劃分為利用氦氣作為介質(zhì)膨脹制冷產(chǎn)生低溫，進(jìn)而將高壓氣態(tài)氫冷卻至液態(tài)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(guī)模化和低成本運用的基礎(chǔ)，也是解決氫能技術(shù)路線應(yīng)用環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。

1、液氫儲運技術(shù)

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(jié)構(gòu)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(guī)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(fā)的特點，容器儲運環(huán)節(jié)必須采用嚴(yán)格的減小漏熱的技術(shù)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(dǎo)致超壓風(fēng)險或放空損失。如下圖所示，從技術(shù)途徑角度，液氫儲運主要采用減小熱傳導(dǎo)的被動絕熱技術(shù)和在此基礎(chǔ)上疊加的主動制冷技術(shù)，以減小漏熱或產(chǎn)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(nèi)大量使用的高壓氣態(tài)儲氫方式存在諸多優(yōu)勢，但其制取過程的相對復(fù)雜也使其存在一定劣勢。

（1）液氫儲運優(yōu)勢如下所示。

儲重比大，便于儲運及車載

液氫相比于氣態(tài)儲氫的最大優(yōu)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(guī)?；瘍Υ孢\輸，能夠解決氫能儲運環(huán)節(jié)的難題。

儲存壓力低，便于保證安全

液氫儲存在保證容器穩(wěn)定的絕熱基礎(chǔ)上，日常儲存運輸?shù)膲毫Φ燃壿^低（一般低于1MPa），遠(yuǎn)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(jié)合液氫儲重比大的特點，在將來氫能規(guī)?；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(qū)，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(tǒng)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(yè)（如半導(dǎo)體、電真空材料、硅晶片、光導(dǎo)纖維制造等）以及燃料電池領(lǐng)域，其對高純氫和超純氫的消耗尤其大。當(dāng)前很多工業(yè)氫氣的品質(zhì)難以滿足部分終端用戶對氫氣純度的嚴(yán)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(shù)門檻較高

液氫技術(shù)在我國發(fā)源于航天領(lǐng)域，技術(shù)入門要求較高。目前，液氫規(guī)模化制、儲、運、用技術(shù)和經(jīng)驗都集中在航天產(chǎn)業(yè)，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(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)發(fā)展滯后，2021年9月之前，國內(nèi)航天領(lǐng)域的氫液化設(shè)備全部被國外公司壟斷。大型氫液化核心設(shè)備受到國外相關(guān)貿(mào)易政策（如美國商務(wù)部《Export Administration Regulations》）管制，限制設(shè)備出口并禁止技術(shù)交流。這使得氫液化工廠的前期設(shè)備投資較大，加之國內(nèi)目前的民用液氫需求量較小，規(guī)模化應(yīng)用程度不足，產(chǎn)能規(guī)模上升緩慢，導(dǎo)致液氫的單位生產(chǎn)能耗比高壓氣氫更大。

液氫儲運過程中存在蒸發(fā)損失

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

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，清潔能源產(chǎn)業(yè)開始迅速推進(jìn)，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(guī)?；瘧?yīng)用的有效實施途徑。

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