氫氣存儲及運輸技術現狀及分析

馮成 周雨軒 劉洪濤

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-8196

摘? 要：氫能作為21世紀最有潛力的二次能源之一，必然將引領下一次能源變革。目前，主要布局的加氫站產業是氫能應用的重要一步，但在加氫站建設過程中，氫能的大規模儲存及運輸成為一大難題。該文圍繞目前主流的幾種氫氣儲存和運輸形式綜述當前氫氣儲運技術的現狀，同時對其提出了一些分析和建議，明確在氫氣長距離儲運過程中液氫具有的優勢。

關鍵詞：氫能? ?氫氣存儲? ?氫氣運輸? ?液氫

中圖分類號：TK91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）09（a）-0044-03

Current Situation and Analysis of Hydrogen Storage and Transportation Technology

FENG Cheng? ZHOU Yuxuan*? ?LIU Hongtao

（Zhejiang Zheneng Aerospace Hydrogen Energy Technology Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310020 China）

Abstract： Hydrogen energy， as one of the most potential secondary energy sources in the 21st century， will inevitably lead the next energy revolution. At present， the main layout of the hydrogenation station industry is an important step in the application of hydrogen energy， but in the process of the construction of the hydrogenation station， the large-scale storage and transportation of hydrogen energy has become a major problem. This paper summarizes the current situation of hydrogen storage and transportation technology around several mainstream hydrogen storage and transportation forms， and puts forward some analysis and suggestions to clarify the advantages of liquid hydrogen in the process of long-distance hydrogen storage and transportation.

Key Words： Hydrogen energy; Hydrogen storage; Hydrogen transport; Liquid hydrogen

當前我國能源結構轉型正處在逐步向綠色、低碳、安全、高效轉型，實現電氣化、智能化、網絡化、低碳化的階段，在2021年的兩會中，碳達峰、碳中和、新能源、“氫能”已成為熱點話題。“十四五”期間，我國能源增量將主要靠非化石能源，特別是可再生能源提供，非水可再生能源行業要不斷創新，占領新能源戰略制高點。氫氣的應用可以做到整體能源格局向低碳化轉型，生產低碳的氫能源已成為我國實現“3060”碳達峰、碳中和目標的重要抓手。

氫氣在經過燃料電池或者燃燒后的最終產物為H2O，過程中無CO2排放，也無污染物排放，因此氫能更被視為未來最佳的清潔能源，具有很大的發展潛力。氫能解決現階段全球環境問題、氣候問題、化石能源危機的重要途徑，因此其開發和利用成為全球能源發展轉型的關鍵方向[1-2]。

此外，氫能作為一種高效的、優質的、清潔的二次能源，還具備可大規模儲存、運輸的性質，發展前景大好。作為氫能利用的基礎前端環節，儲運技術是氫氣能夠高效發展、利用的關鍵因素，也是目前限制氫氣大規模使用的一項重要瓶頸[3]。氫氣儲運的成本、效率以及含量等都直接決定著氫能是否得到更好的利用。提高氫氣儲運效率，降低運輸成本，是當前氫氣儲存、運輸發展的趨勢。

1? 氫氣儲存形式及比較

目前，主要研究和現有的儲氫技術主要包括：氫氣高壓存儲、氫氣液化后存儲、固體儲氫材料吸附儲氫。

1.1 高壓氣態儲氫

高壓氣態儲氫技術即利用高壓將氫氣壓縮到耐高壓的儲氣瓶中，儲氣瓶工作壓力須在35～70 MPa。高壓氣瓶的結構型式一般分為四類型：Ⅰ型/全金屬結構、Ⅱ型/金屬內膽纖維環向纏繞結構、Ⅲ型/金屬內膽纖維全纏繞結構、Ⅳ型/非金屬內膽纖維全纏繞結構[4]。這4種型式被廣泛應用于移動式氫氣運輸氣瓶、固定式儲氫容器和車載儲氫氣瓶。

I型、II型儲氫瓶具有單位質量儲氫量少，容易產生氫脆效應，運行過程中容易失效等各項問題并不適合用于車載氫瓶這一用途;而III型、IV型瓶采用新型的碳纖維、玻璃纖維等材料，相比金屬內膽氣瓶，具有更高的耐疲勞性能，氣瓶質量較輕，選用的塑料材料具有更好的氫氣相容性，單位質量儲氫密度有所提高（容重比）也是目前最高的。因此，車載儲氫瓶大多使用III型、IV型。國外目前已經實現IV型儲氫瓶在車用領域70 MPa的應用，國內IV型儲氫瓶受到禁用，主要以35 MPa III型瓶為主，70 MPa型號技術較國外落后[5]。

高壓氣態儲氫技術難度低、成本低、能耗低，是目前發展最成熟的儲氫技術，匹配當前氫能產業現狀等特征優勢得以應用最廣，國內外均廣泛運用[6]。但其致命的缺點在于體積比容量太低，儲氫量少，安全性能相對較差，就目前國內大量使用的以普通鋼材制成的氣瓶在儲氫壓力為15 MPa時氫的重量僅占總重量的1%，材料換用特種高強度奧氏體鋼可達2%～6%。

1.2 液態儲氫

液態儲氫是指將氫氣低溫液化后儲存。由于液氫密度是標況下氫氣密度的近千倍，即使是90 MPa的氫氣密度也只有液氫密度的60%左右。此外，液氫的能量可以達到10.05 MJ/L，是50 MPa下氣氫的2倍。因此，相比于氣體存儲，液態氫氣的存儲具有很大的優勢，尤其是其能量密度高、儲氫密度大、運輸方便的優勢使其擁有很大的發展空間。但是相較于其他液態氣體，氫氣液化后的沸點只有20.37 K，溫度極低，與所處環境的溫度差值巨大，因此對液氫存儲容器有很高的絕熱要求。在儲氫過程中還存在熱漏損、自然揮發，耗能極大，同時還存在對容器密封性要求更高，因此大規模實現液氫的工業化應用還具有相當高的難度。

液氫的存儲容器被稱為液氫儲罐，是一種具有良好熱絕緣性的存儲容器，往往采用真空絕熱的形式。固定式儲氫罐有多種形狀，一般為球形和圓柱形，由于液氫儲罐表面積越小，其漏熱蒸發損失也會同比例減小，所以球形儲罐是一種比較理想的形式[7]。美國NASA常使用的大型球形液氫儲罐，其直徑可達25 m，容積在3 800 m3以上[8-9]。

目前，國外大多采用液氫運輸，運輸方式已較為成熟。液氫的儲運優勢需要在長距離、大容量的存儲及運輸過程中才能夠體現出來。現階段，液氫的運用領域也主要在航空航天領域，民用液氫領域例如貨運卡車、載人汽車等還沒有實質性的研究。一方面是由于技術不夠成熟，成本高昂，目前運輸還是車用都選擇高壓氣態路線;另一方面是國內暫時缺乏液氫相關的技術標準和政策規范，國內布局液氫的企業較少。

1.3 儲氫材料儲氫

儲氫材料儲氫技術是指利用固體儲氫材料如稀土合金等、有機液體材料（烷烴類化合等）[10]通過吸附儲氫、化學儲氫來實現氫的儲存和釋放，目前國內外產業化均很少，基本處于小規模的實驗階段。

吸附儲氫技術主要利用包括金屬合金、碳質材料、水合物、金屬框架物等對氫的吸附來達到儲氫的作用。吸附儲氫最大的優勢是安全性，但就目前技術而言，存在化學儲氫放氫難、儲氫密度不高等問題，同時其成本相對較高。化學儲氫的優勢在于儲氫密度較高、安全性較高，缺陷在于往往需要配備相應的加氫、脫氫裝置，成本較高昂;脫氫反應效率較低，產出的氫氣純度達不到要求，等等。

通過儲氫材料來進行氫氣存儲的技術具有相對比較安全、存儲氫氣的純度高、氫氣儲存密度大等優點，但同樣儲氫材料存儲氫氣具有單位質量儲氫密度低、氫氣充裝時間長等問題。通過儲氫材料儲氫現階段的主要問題是需要消耗大量的貴金屬，材料成本相對較高;儲氫材料儲氫量相對較少，不適合大規模應用。

2? 氫氣運輸形式及比較

氫氣目前主要通過長管拖車、管道輸送和液氫槽車3種方式運輸。

2.1 長管拖車運輸

長管拖車由車頭和拖車組成，長管拖車到達加氫站后，一般可以將車頭與長管拖車可分離，將長管作為加氫站的儲氫容器。目前常用的管束一般由直徑約為0.5 m，長大概10 m左右的無縫鋼瓶組成，長管拖車的設計壓力在20 MPa左右，其一般儲量為3 500 Nm3氫氣。在國內，加氫站氫氣儲運的主要方式即為長管拖車，由車頭將長管拖車內的氫氣由產地運往加氫站，通過站內的壓縮系統、冷卻系統、加注系統等實現對車輛的加注。運輸過程中對安全性要求較高，存在著高壓氣氫運輸效率低、成本較高的缺陷，在距離200 km時運氫成本高達11元/kg左右，與煤制氫成本相當，適用于運輸距離較近、輸送量較低的用戶。

2.2 管道輸送

管道輸送方式送以高壓氣態或液態氫的管道輸送為主，通過管道“摻氫”和“氫油同運”技術實現長距離、大規模的輸氫。管道輸送可有效降低氫氣運輸成本，但是前期投資大，建設難度高，適合點對點，大規模的氫氣運輸。現階段我國已有多條輸氫管道在運行，其中包括中國石化洛陽全長25 km，年輸氣量10萬t的管線和烏海-銀川全長216 km，年輸氣量16.1×108m3的管線。

2.3 液氫槽車運輸

液氫槽車主要用于液態氫運輸，氫氣液化后的體積密度可以達到70.8 kg/m3，體積能量可達10.05 MJ/L，是50 MPa氣態氫氣的近2倍[11-12]。液氫的單車運氫能力是長管拖車運輸氣氫的10倍以上，運輸效率提高，綜合成本降低。但是該運輸方式增加了氫氣液化深冷過程，對設備、工藝、能源的要求更高。液氫槽罐車運輸在國外應用較為廣泛，國內目前僅用于航天及軍事領域。液槽罐車的容量大約為65 m3，每次可凈運輸氫氣約4 000 kg。

3? 總結與分析

在氫氣存儲方面，高壓氣態儲氫是目前最成熟、成本最低的儲氫方式，是現階段主要應用的儲氫技術。液態儲氫及儲氫材料儲氫方式在儲氫密度、儲氫量、安全性方面都高于高壓氣態儲氫，但目前液化儲氫技術受制于成本和能耗問題，無法規模化利用，預計在氫能產業規模擴大、配套設備和技術提升之后未來可期。而儲氫材料儲氫由于技術的復雜性等問題，目前尚停留在試驗階段。

在氫氣運輸方面，長管拖車運輸是目前較為經濟的方案，比較適合當前氫能產業的發展規模。一方面，氣氫拖車具有成本低、充放氫快速的優點;另一方面，國內加氫站均為站外供氫。但隨著氫能產業、液氫運輸、管道輸氫的發展，氣氫拖車運輸將被部分取代。

單從運輸方面的成本來看，以液氫運輸成本最低，采用管道元素的成本最高。但若考慮到氫氣在液化過程中需要的成本，采用長管拖車運輸的成本最低。主要由于氫氣液化能耗達到自身低熱值的30%，是壓縮能耗的3倍。

若在長距離運輸方面看，液氫的運輸能耗遠遠小于長管拖車運輸氣氫，因此長管拖車運氫并不適合長距離運輸。而我國由于氫能產業分布不均勻，未來加氫站大規模推行后，運輸將成為其必然問題，因此發展液氫槽車運輸十分必要。

此外，當液氫罐車在未來罐材改進及減少液氫液化、運輸過程中的損耗問題后，在中遠距離的輸氫方面有較大前景。

而對于單位造價最高的管道運氫，盡管其前期成本大，但在長距離、大規模的氫氣運輸中，運輸效率、成本十分具有優勢，在氫能產業規模擴大后，結合可再生能源制氫，有望成為最優運輸方式。

參考文獻

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