发电技术, 2024, 45(5): 888-898 DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24019

新能源

液氢制-储-运-加关键技术发展现状及展望

张杰, 罗雪鹏

石油天然气装备教育部重点实验室(西南石油大学),四川省 成都市 610500

Development Status and Prospect of Key Technologies for Liquid Hydrogen Production-Storage-Transportation-Refueling

ZHANG Jie, LUO Xuepeng

Key Laboratory of Oil & Gas Equipment, Ministry of Education (Southwest Petroleum University), Chengdu 610500, Sichuan Province, China

收稿日期: 2024-01-25   修回日期: 2024-02-19  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  52104223

Received: 2024-01-25   Revised: 2024-02-19  

作者简介 About authors

张杰(1987),男,博士,教授,研究方向为管道与压力容器服役安全、清洁能源安全高效利用,Longmenshao@163.com

罗雪鹏(1996),男,硕士研究生,研究方向为清洁能源装备设计与制造,1305331724@qq.com

摘要

目的 液态储运是实现氢气大规模、远距离储运,保证氢能规模化应用的有效途径之一。目前,我国针对液氢制备、储运及加注领域的研究相对较少,为此,对该领域关键技术发展现状进行了分析。 方法 对比了高压气态、液态及固态储氢技术的优缺点;综述了液氢制备过程中的主要液化方法、液氢储存绝热技术与关键材料;分析了不同液氢运输方式与装备的特点;梳理了液氢加氢站建设情况,并对比了液氢加注技术;阐述了液氢主要应用领域和产业化模式,并对近年来我国液氢储运专利技术进行了统计分析。 结论 提出了我国液氢储运发展面临的“卡脖子”难点及亟需技术攻关的方向。研究结果可为液氢关键技术的研究与装备的研制提供参考。

关键词: 氢能 ; 液氢 ; 液化制取 ; 液氢储运 ; 液氢加注 ; 储罐

Abstract

Objectives Liquid storage and transportation is one of the effective ways to realize large-scale and long-distance storage and transportation of hydrogen and ensure the large-scale application of hydrogen energy. At present, there is relatively little research on the preparation, storage, transportation, and refueling of liquid hydrogen in China. Therefore, the current development status analysis of key technologies in these fields was conducted. Methods The advantages and disadvantages of high pressure gaseous storage, liquid hydrogen storage and solid hydrogen storage technologies were compared. The main liquefaction methods, liquid hydrogen storage insulation technologies and key materials in the process of liquid hydrogen preparation were reviewed. The characteristics of different transportation modes and equipments of liquid hydrogen were analyzed. The construction of liquid hydrogen hydrogenation station was combed, and the liquid hydrogen filling technologies were compared. The main application fields and industrialization modes of liquid hydrogen were expounded, and a statistical analysis of the patent technologies of liquid hydrogen storage and transportation in China in recent years was carried. Results The “neck-stuck” difficulties faced by the development of liquid hydrogen storage and transportation in China and the urgent need for technical research directions were proposed. Conclusions The results can provide reference for the key technology research and equipment development of liquid hydrogen.

Keywords: hydrogen energy ; liquid hydrogen ; liquefaction preparation ; liquid hydrogen storage and transportation ; liquid hydrogen filling ; storage tank

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本文引用格式

张杰, 罗雪鹏. 液氢制-储-运-加关键技术发展现状及展望. 发电技术[J], 2024, 45(5): 888-898 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.24019

ZHANG Jie, LUO Xuepeng. Development Status and Prospect of Key Technologies for Liquid Hydrogen Production-Storage-Transportation-Refueling. Power Generation Technology[J], 2024, 45(5): 888-898 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.24019

0 引言

促进氢能产业发展是建设绿色中国和实现碳达峰、碳中和目标的重要路径之一[1-4]。零碳无污染的氢能是解决人类资源问题的理想替代能源,被评为“21世纪最理想的新型能源”,具有广阔的应用前景[5-7]。目前,氢能已形成了相对完整的产业链,涉及氢气生产、储存[8]、运输、加注、利用等环节,其中高成本氢气储运技术是制约氢能产业发展的关键。氢气储运方式主要分为高压气态储运、液态储运、固态储运。其中,液态储运是将氢气液化后储存于液氢储罐中,相比于压缩和吸附的储运方式,液态储运具有较大优势,是氢能储运的重点发展方向之一。目前,我国针对液氢制备、储运及加注领域的技术研究相对较少,更多研究停留在理论或试验阶段。为此,本文系统地介绍了液氢的制备、储存、运输和加注技术,分析了液氢发展面临的主要难题,提出了液氢技术领域亟需攻关的主要方向,为液氢储运技术以及装备研制与应用提供参考。

1 氢气特性

氢是一种清洁无污染、无碳燃料,燃烧产物只有水。相较于化石能源燃烧产生大量的CO2等污染性产物,氢是一种理想的二次能源[9]。氢是地球上最丰富的元素,普遍以氧化态(H2O)的形式存在于自然界。氢是宇宙中最轻的物质,在27 ℃和1个标准大气压(101 325 Pa)下密度为0.081 kg/m3。氢的热值极高,约为1.42×108 J/kg,大约是化石燃料、生物燃料等发热值的4倍[10-11]

1.1 液氢基本特性

液氢密度约为0.07 g/cm³,是液体中密度最小的物质之一,是常温常压下气态氢密度的845倍[12]。液氢体积膨胀系数非常大,可随温度快速变化。液氢沸点为-252.87 ℃,凝固点为-259.1 ℃,是已知物质中具备最低沸点和凝固点的物质之一。液氢的导热性和导电性非常好,是其他液体的数倍。

液氢是一种在极低温度下也较活泼的物质,且易与许多金属和非金属发生反应。液氢具有极强的易燃性和易爆性,与氧气发生反应后会产生巨大爆炸,因此需要严格控制其使用环境和使用条件。液氢具有一定毒性,在储运和使用过程中需注意安全防护,采取必要安全措施。

1.2 液氢储运优势

由于液氢密度大、单位质量热值高,储存相同质量氢时,液氢所需储存容积和总质量均低于气态和固态储氢系统,不仅具有更高储能密度,而且可以大大节约空间成本、贮存及运输成本[13-14]表1为储存相同质量氢气的气、液、固3种储氢系统的特性比较[15]。氢气液化需要极低的温度条件,表2为液氢在低温条件下的特性。

表1   储氢系统比较

Tab. 1  Comparison of hydrogen storage systems

储氢系统储器容积/L总质量/kg工作压力/kPa
高压储氢10170~10 000
合金固态储氢1.06.55~3 000
液化储氢1.34.0100

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表2   液氢特性

Tab. 2  Liquid hydrogen properties

特征点参数数值
三相点(气液固共存)温度/K13.8
压力/kPa7.20
凝固点温度/K13.99
标准沸点温度/K20.39
液体密度/(kg/m3)70.96
蒸汽密度/(kg/m3)1.33
临界点(液化的临界状态)温度/K33.19
压力/MPa1.31
密度/(kg/m3)30.12

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1.3 正仲氢

氢分子(H2)由双原子构成,2个原子核自旋方向不同,存在正氢和仲氢2种状态[16],如图1所示。在某一温度下组成处于平衡状态的氢称为标准氢,即由25%仲氢和75%正氢构成的混合物。正氢与仲氢的平衡组成仅是温度的函数,温度越低,仲氢平衡浓度越高。正仲氢之间存在着能量差别,在任意温度下,仲氢总是处于较低的能态。因此,当仲氢含量小于平衡氢中仲氢的含量时,正氢会自发地转化为仲氢并释放出约670 kJ/kg热量,该热量远高于液氢的汽化潜热(452 kJ/kg)。为安全储存,避免在储液容器中因正仲氢转化释热而引起液氢汽化,减少再液化能耗[17-18],液氢中的仲氢含量需大于95%。由于氢的正-仲转化速率很慢,生产过程中可采用适当固态催化剂[19-21]来加速转化反应速率。

图1

图1   正氢与仲氢

Fig. 1   Positive hydrogen and secondary hydrogen


2 氢气液化与储存技术

2.1 液化方法

2.1.1 Linde-Hampson循环

Linde-Hampson循环[22-24]是一种用于液化气体的循环制冷系统,由德国物理学家Carl von Linde和英国物理学家William Hampson于19世纪后期发明。Linde-Hampson循环主要由4个部分组成:压缩机、换热器、膨胀阀和蒸发器,如图2所示。其工作原理如下:首先,气体被压缩成高压气体;其次,气体通过换热器与冷却剂(通常是液氮或液氧)进行热交换,使其被冷却至低温[25-27];然后,气体通过膨胀阀快速膨胀,产生制冷效果,并将自身冷却至极低温度;最后,冷却后的气体通过蒸发器被进一步冷却直至被液态化。Linde-Hampson循环广泛应用于液化氢、液化氧、液化氮等气体的生产,具有高效、可靠、稳定的特点,能够生产出高质量的液化气体[28]

图2

图2   Linde-Hampson循环示意图

mH2为气态氢质量;W为机械做功;Qa为吸收的热量;Qr为产生的热量。

Fig. 2   Linde-Hampson cycle diagram


2.1.2 Claude循环

Claude循环[29-30]是一种用于液化空气的循环制冷系统,由法国工程师Georges Claude于20世纪初发明,可用于液化氢、液化氧和液化氮等气体的制备。Claude循环主要由5个部分组成:压缩机、换热器、膨胀阀、膨胀机和蒸发器,如图3所示,其工作原理同Linde-Hampson循环基本一致。Claude循环是大多数气体液化循环的基础。若在Claude循环中加入液氮池预冷,则成为一种改进型的Claude循环,即液氮预冷的Claude循环,其比预冷的Linde-Hampson循环效率高50%~70%[31]。德国Ingolstadt工厂就是利用改进的带预冷的Claude循环[32-33],虽然其制冷效率更高,但设备成本也更高。近年来,Claude循环已经在液化空气、液化天然气等领域得到了广泛应用。

图3

图3   Claude循环示意图

Fig. 3   Claude cycle diagram


2.1.3 氦制冷循环

文献[34-35]提出使用氦气制冷机来实现氢液化,但这一循环尚未应用于大型氢液工厂,只在部分实验室规模的氢液化装置中得到过应用。氦液化循环是一种用于液化氦气的循环制冷系统,也被称为氦循环制冷[36]。该循环主要由压缩机、换热器、膨胀阀和蒸发器等部分组成,如图4所示。其工作原理如下:氦气被压缩成高压气体后,通过膨胀阀快速膨胀,产生制冷效果,并将自身冷却至极低温度,冷却后的氦气通过蒸发器被进一步冷却并被液态化。与其他液化气体循环制冷系统相比,氦液化循环具有更高的制冷效率和更低的氦气损失率。由于氦气的独特性质,氦液化循环需要使用专门设计的设备和技术,因此成本较高。

图4

图4   氦液化循环示意图

mHe为氦气质量;mN2为氮气质量;mf为液态氢质量;WHe为压缩氦气做功;LN2为液氮体积。

Fig. 4   Helium liquefaction cycle diagram


2.2 液氢储存技术

2.2.1 绝热技术

液氢储存面临着储存密度低、储存时间短、泄漏风险大等诸多挑战。常规高压气态储氢的储存密度低,而低温储存可以提高氢的储存密度,但需要解决其稳定性和使用成本等问题。尽管低温液态储氢技术在国外储氢环节中应用较多,但由于其液化过程能耗高、对容器性能要求高和成本高等因素,我国仅少量应用于航空航天领域。低温绝热是实现液氢存储的关键,一般可分为非真空绝热和真空绝热[37]

1)非真空绝热

非真空绝热也称为普通堆积绝热,需要在绝热的表面上装填或包覆一定厚度绝热材料,以达到绝热目的。普通堆积绝热一般选用密度小的绝热材料,如常用的膨胀珍珠岩(又名珠光砂)、超细玻璃棉、泡沫塑料等。普通堆积绝热结构有单壁和双壁2种结构。与单壁绝热结构相比,双壁绝热结构的质量可减轻1/2左右,预冷周期也大大降低。

2)真空绝热

真空绝热是在绝热空间保持一定真空度的一种绝热形式,分为高真空绝热、真空多孔绝热(含微球绝热)、高真空多层绝热和多屏绝热等类型。

①高真空绝热。其要求绝热空间保持在1.33×10-2 Pa以下真空度,以消除气体对流传热和绝大部分残余气体导热,进而达到良好绝热效果。高真空壁面采用低发射率材料(如铜、铝等),或在其他材料表面涂低发射率材料(如银、铜、铝等)制作而成,然后在表面进行光洁处理,以降低材料表面发射率。降低辐射传热的另一种措施就是降低器壁温度,方法是在结构中安置蒸气冷却屏、传导屏或液氮冷却屏。高真空绝热具有结构简单紧凑、热容量小、制造方便等优点,常用于氢的液化装置及各种试验设备,但如何实现绝热空间的高真空度较为困难,因此一般很少应用于大型装置。

②真空多孔绝热。真空多孔绝热是在绝热空间充填多孔性绝热材料(粉末或纤维),再将绝热空间抽至一定真空度的一种绝热形式。比如“微球绝热”材料可降低辐射传热,其平均热导率是多层绝热的2~4倍。真空多孔绝热对真空度要求不高,但要求绝热性能比堆积绝热优2个数量级,比高真空绝热优1个数量级,目前广泛应用于大、中型低温液体容器中。

③多层绝热。多层绝热又称高真空多层绝热,通过在绝热空间中安置许多层平行于冷壁的辐射屏,用以大幅度减少辐射热。因其绝热效果很好,又被称为超级绝热。此外,通过在间隔材料上镀金属膜成为多层绝热组合,该组合具有高反射率,并能降低对低温容器的热辐射传导,因此在低温技术中获得广泛应用[38]

④多屏绝热。多屏绝热是一种多层防辐射屏与蒸汽冷却屏相结合的绝热结构。它是将较少的金属屏与冷蒸发气体逸出管相连接,利用冷蒸气吸收显热来冷却辐射屏,降低辐射屏温度,抑制辐射热流,从而提高绝热效果。多屏绝热是多层绝热的改进,具有绝热效率高、热容量小、质量轻、热平衡快、制作简单、成本低廉等优点。

2.2.2 存储容器

液氢需存储于具有良好绝热性能的低温液体容器中,其关键在于存储容器的选用。目前常见的容器种类有固定式、移动式和罐式集装箱,如图5所示。

图5

图5   液氢存储容器

Fig. 5   Liquid hydrogen storage container


1)固定式液氢储罐

固定式液氢储罐一般用于大容积液氢存储,有球形和圆柱形等多种形状[38]。由于液氢储罐的蒸发损失与储罐的容积和表面积之比正相关,而球形储罐容积与表面积比值最小、承载能力高、受力均匀,在提供长时间储存的同时能满足高压、大容量氢气的需求,因此,球形储罐主要用于加氢站、制氢站等场景。综合分析各省市的氢能规划可以看出,目前固定式储氢罐市场需求较大、竞争对手较少,因此市场前景广阔。日本川崎重工的固定式液氢储罐如图5(a)所示。

2)移动式液氢储罐

移动式液氢储罐是一种便于搬运和移动的储存设备,通常采用高强度钢或复合材料制成,具有较小的体积和质量。该类储氢罐广泛应用于氢能源车辆、氢气动力设备等领域,比固定式储氢罐具有更高的灵活性和适用性,可满足不同场合需求。张家港中集圣达因低温装备公司建造的移动式液氢储罐如图5(b)所示。

3)罐式集装箱

罐式集装箱的外观形状和尺寸与普通集装箱类似,但内部结构和材料需要经过特殊的设计和制造。其可承受高压氢气储存和运输,具有较大的容量和较好的灵活性,可适用于加氢站存储、航天器氢能源供应等场景。集装箱式储氢罐具有标准化的外观和尺寸,因此方便运输和堆放。同时,集装箱式储氢罐采用特殊防爆、防泄漏等措施,具有较高的可靠性和安全性。典型的液氢罐式集装箱如图5(c)所示。

目前,张家港中集圣达因低温装备、航天晨光等低温液氢储罐制造公司已制造出容积达300 m3可移动式液氢储罐,一次可储运氢约20 t[39],但相比于美国的3 800 m3地面储罐、俄罗斯的1 400 m3液氢球罐和日本的2 500 m3液氢储罐,我国仍存在较大差距。

3 液氢运输技术

液氢运输有槽车运输、管道运输[40]、船舶运输等方式[41],如图6所示。其中:槽车运输较为简单,使用较为普遍;管道运输和船舶运输由于技术含量较高,目前仅应用于个别领域。液氢运输成本受多种因素影响,包括运输距离、运输方式、运输量、制备成本等。

图6

图6   液氢运输方式

Fig. 6   Liquid hydrogen transportation modes


1)槽车运输。液氢槽车通常由高强度的钢和铝合金等材料制成。由于液氢温度极低,液氢槽车需要采用特殊的保温、隔热、防爆等措施,以确保液态氢的安全运输和储存。液氢槽车适用于短距离和中距离运输,具有较好的输送能力和较高的灵活性,可满足不同场合和需求的氢气输送,但其制造和维护成本较高,导致整个运输成本也相对较高。日本川崎重工建造的液氢槽车如图6(a)所示。

2)管道运输。管道运输是一种高效、稳定的液氢运输方式,适用于中长距离运输,具有安全、高效、环保等特点,可大大降低运输过程中的安全风险和减少碳排放。液氢管道需要采用特殊材料以及防爆、防泄漏等技术措施。液氢管道建设成本较高,这是因为建设前首先需要考虑材料的选择和采用的绝热技术,这些因素是决定其成本高低的关键,但管道一旦建成,运输成本相对较低。

3)船舶运输。液氢船适用于长距离运输,其运输成本较低,但液氢船的建造成本、技术壁垒较高。

目前,德国、挪威、丹麦等已经拥有大型液氢船,并正在推动液氢船的国际标准化和规范化,以加快液氢船在全球范围内的推广和应用。如:荷兰与LH2 Europe合作制造了液氢油轮,如图6(c)所示;韩国已经拥有多艘大型液氢船,同欧洲一样,也正在推动液氢船的国际标准化和规范化;日本是液氢船运输领域的领先者之一,已拥有多艘大型液氢船,目前正在研究液氢船的自动化控制和智能化技术,以提高液氢船的安全性和运输效率。图7为日本川崎重工建造的“Suiso Frontier”液氢运输船。

图7

图7   “Suiso Frontier”液氢运输船

Fig. 7   Suiso Frontierliquid hydrogen carrier


与国外相比,我国液氢船运输还处于起步阶段,虽有相关企业和机构已经开始研发,但整体技术还不成熟,需进一步攻关。随着国内氢能产业不断发展,液氢船的应用和发展也将会逐渐加强。

液氢运输成本较高,主要是由于液氢制备成本较高,且需使用专门设备和技术使液氢在运输中保持极低温度,因此,突破技术和降低成本是我国液氢行业发展的重要方向。此外,液氢运输还需要采取相应的安全措施,如:1)严格运输规范和标准,包括液氢容器和运输工具的设计、制造和检验等;2)采用高效、安全的措施,如泄漏检测以及安装防爆装置、紧急停车装置等;3)建立完善的应急救援机制,以应对意外事故。

总之,液氢运输技术需考虑储存密度、运输距离、安全性和成本等因素,因此,需选择合适的运输方法以满足不同的应用需求,采取适当的安全措施以确保运输过程中的安全性和可靠性。

4 液氢站及加注技术

4.1 国内加氢站发展现状

加氢站在氢能产业链中扮演着重要角色,是连接制氢端和用氢端的桥梁。在某种程度上,加氢站的分布与运营情况反映了氢能产业的发展情况。近年来,国内加氢站建设步伐明显加快,如图8所示,2022年新建加氢站94座。截至2023年上半年,我国累计建成加氢站351座,全球占比达32.2%。2021年建成加氢站101座,为历年来建站数量最多的年份,主要原因是受到“百站计划”(中石化发布)、北京冬奥会氢能应用、示范城市群政策即将落地等利好因素的影响,建站速度提升效果明显。

图8

图8   中国新建加氢站数量

Fig. 8   New hydrogen refueling stations in China


我国加氢站建设已覆盖除青海、西藏以外的所有省、自治区、直辖市,总体呈现围绕京津冀地区、长三角地区、珠三角地区的聚集性分布,其他城市群也在相继出台氢能商业发展政策和推进加氢站建设的态势。其中广东、山东、江苏分别以54座、34座、25座的建成量位列前三,这三者总量占国内总量的35%;甘肃省2022年第三季度实现加氢站数量“零”的突破。我国历年新增加氢站的设计加注能力持续提升,平均加注能力从2017年以前的425 kg/d增加到2022年的800 kg/d,总体向1 000 kg/d及以上加注能力趋势发展。建设大加注量的加氢站不仅可以为氢燃料汽车的推广及应用提供保障,也有助于提升加氢站运营的经济效益。但是,我国液氢加氢站发展较为滞后,2021年底才建成了首座液氢加氢站。

4.2 加注技术

液氢加注指的是将液态氢气注入氢能源汽车燃料箱中。液态氢气密度大,储存体积相对较小,是氢燃料电池车辆的首选燃料。液氢加注过程一般分为3个阶段:连接、排放和充注。液氢的主要加注方法如表3所示。

表3   加注技术对比

Tab. 3  Comparison of filling technologies

类型条件特点
常规加注技术常温常压加注常温常压加注速度慢,且需要占用较大的空间
高压加注高压加注速度快,但需要消耗大量的能量来压缩液氢
低温加注低温加注速度快,但需要消耗大量的能量来维持低温
新型加注技术蒸发冷却加注将液氢蒸发,并利用其蒸发过程中吸收的热量来冷却氢气加注速度快,但需要消耗大量的能量
压力波加注利用压力波将液氢推动到加注口加注速度快,但需要解决压力波对加注设备的影响
液氢空气混合加注将液氢与空气混合后加注可减少液氢的泄放和溢出,但需要解决混合比例和安全性等问题

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液氢加注技术需综合考虑加注速度、加注效率、安全性和成本等因素,选择合适的加注方法以满足不同的应用需求。此外,液氢泵是液氢加注站中的关键设备,主要用于将液态氢转换为气态氢并加注到氢燃料电池汽车中。近年来,液氢泵逐渐向小型化发展。国外已有相对成熟的技术,其中林德公司的液氢活塞泵出口压力达90 MPa,能耗是传统压缩机的10%~20%[42]。国内对于液氢泵的研制也在加速探索中,邵雪等[43]对输运液氢的离心式液氢泵动力特性与传热特性进行了分析;韦炜等[44]对高压液氢泵在压缩低温工质时面临的冷却、密封等技术难点提出了解决方案。目前,我国液氢泵仍主要依赖进口。

5 液氢应用及产业化

我国液氢专利申请数量呈现出快速增长的趋势(如图9所示),相关专利技术领域涵盖了液氢生产、储存、运输、加注、利用等多个方面。其中,液氢储存和加注技术是液氢专利申请和授权数量最多的领域。我国液氢专利技术水平不断提高,专利技术从传统的液氢储存和加注技术逐步向液氢传感、液氢传输、液氢利用等领域拓展。液氢技术的不断创新和进步,也为我国液氢产业发展提供了更多保障和机遇。

图9

图9   近10年液氢相关专利申请趋势

Fig. 9   Trends of liquid hydrogen related patent applications in recent 10 years


图10为氢能产业链示意图。液氢目前已经应用于航空、汽车、发电等领域,随着液氢技术不断发展和成熟,液氢应用范围将不断扩大,液氢经济也将逐渐形成,整个氢能产业链也将更加丰富和完整。航空领域,液氢飞机[45-46]使用液氢作为燃料,可实现零排放和长航程,但需要解决液氢储存技术难点和相关安全隐患问题[47-49];汽车领域,液氢汽车使用液氢作为燃料,可实现零排放,但需要解决液氢储存和加注等问题;发电领域,液氢燃料电池[50]是通过将液氢与氧气反应来产生电能,这种发电方式具有高效、环保等特点,但需要解决液氢储存和供应等问题;工业领域,液氢主要用于金属加工、半导体制造等[51],但需要解决液氢储存和供应等问题。随着技术不断发展,液氢应用将逐渐替代传统化石燃料,成为未来能源的重要组成部分,因此具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。液氢技术的创新将不断推动液氢应用的发展,并逐步实现可持续的商业化和产业化。

图10

图10   氢能产业链示意图

Fig. 10   Hydrogen energy industry chain diagram


目前液氢产业化主要集中在发达国家,如美国、日本、韩国等。随着全球能源结构调整和清洁能源需求增加,液氢产业化将逐步扩大,其发展模式和路径如下:

1)产业链整合模式。液氢产业链包括制氢、储存、运输、应用等环节,可通过整合产业链的上下游企业实现产业化。

2)产业集群模式。液氢产业可通过建立产业园区、集聚液氢相关企业等方式形成产业集群,促进产业协同发展和创新。

3)政策支持模式。液氢产业化需要政策支持,包括财政补贴、税收优惠、技术支持等,从而促进液氢产业化的发展。

6 结论

综述了液氢的性质、液化制取、存储方式、输送形式、液氢站的建设与加注以及行业应用范围,虽然我国形成了比较完整的液氢产业链,然而在各环节都存在技术难点。液氢发展面临的主要难题如下:

1)液化氢气能耗大。氢气液化过程中能耗高、蒸发损失大,液化1 kg氢需耗电10~20 kW⋅h,所需能量相当于30%~40%的氢气燃烧产生的热量。

2)安全保障难度大。液态氢在常温常压下具有极低密度和高挥发性,且易燃易爆,而我国在液氢加注、计量、故障预测、事故处置等方面均比较落后,因此,液氢储运安全管理水平亟需提高,风险防控技术与装备亟需攻克。

3)储运成本高。液态氢储存和运输过程中需要采用特殊保温、隔热、防爆等技术措施,导致储运成本高,影响液氢产业的发展。

针对我国液氢储运发展面临的“卡脖子”难点,亟需在以下方面开展技术攻关:

1)氢气液化方面。应加强正仲氢的高效催化转化,提高液化过程中的液氢纯度,降低转化过程中的热损失;开展氢气液化工艺技术优化与重构,提高设备换热效率,降低液化过程能耗;同时,开展主动绝热技术攻关。

2)临氢材料方面。开展临氢材料的低温性能、抗氢脆性能研究,研发临氢新材料;加强液氢设备的绝热材料研发,提高储运设备的绝热性能。

3)储运设备方面。加强液氢泵等关键动力研究;开展大规模液氢储罐的结构设计、强度、绝热性能研究;加强新型液氢槽车研制,提高其运输效率,降低液氢损失率;加快液氢加注技术与设备研发,如充装臂、管路、阀门、低温密封件等。

4)风险防控方面。开展液氢设备失效分析与安全评价;探究液氢泄漏与扩散机理,提出相应的风险评价方法;开展储罐内液氢流动状态与晃动性能研究。

5)标准规范方面。针对液氢储运工艺、设备、安全等领域,加强相关标准制定和规范实施,以确保液氢储运过程成本低且安全稳定。

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