LNG冷能作為冷鏈物流業新冷源的回顧與展望

郭風軍，劉方然，于懷智，張長峰,*，劉玉嶺，孫崇德

（1.山東省農產品貯運保鮮技術重點實驗室，國家農產品現代物流工程技術研究中心，山東 濟南 250103；2.煙臺睿加節能科技有限公司，山東 煙臺 264002；3.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；4.浙江大學園藝產品冷鏈物流工藝與裝備國家地方聯合工程實驗室，浙江 杭州 310058）

隨著我國經濟的發展，冷鏈物流市場快速成長，對冷能需求量不斷增大。現有終端能源品種中，電力可實現冷能轉換，而管道天然氣、汽柴油、煤炭、生物質燃料等只能提供熱能，太陽能、風能等新能源亦遠不能支撐冷鏈物流所需冷能。作為天然氣的一種產品形態，液化天然氣（Liquefied Natural Gas,LNG）是氣態天然氣經過脫酸、脫水處理，通過低溫工藝冷凍液化而成的低溫（-162℃）液體混合物，同時蘊含熱能和冷能。LNG主要成分是甲烷，無色、無味、無毒且無腐蝕性，被全球公認為最干凈的能源之一，并可規模化配送到終端，成為世界各國重要的戰略儲備能源[1]。

1 國內外LNG冷能利用的基本情況

世界上許多國家開發LNG冷能利用技術，在空氣分離、冷能發電、深冷粉碎、冷凍倉庫、空調制冷、制取干冰、低溫蓄冷等方面達到了實用化程度[2-3]。日本是較早開展LNG冷能利用的國家之一，利用LNG冷能發電至今已經超過40年[3]。日本東京煤氣公司在神奈川縣根岸建成基于LNG冷能技術的低溫冷庫，用于存儲-50～-35℃的冷凍食品，這為LNG冷能應用于冷庫建設提供了優秀范例。目前，我國LNG接收站和大型水產冷庫基本設在港口附近，這方便遠洋捕獲魚類的冷凍加工，同時回收LNG冷能為冷庫提供冷源也更易實現[4]。2017年以來，國家鼓勵發展LNG罐式集裝箱多式聯運，推動建立從境內外液源地直達終端“一罐到底”液態供應系統。LNG罐式集裝箱宜運宜儲，市場配置不受管網限制，可達任何區域，在快速形成供熱能力的同時，可將其蘊含冷能直供終端，從根本上消除了冷鏈物流利用LNG冷能的地理空間限制。在提供熱能使用時，LNG必須進行氣化操作，而重新升溫轉換為氣態過程中吸收熱量（包括LNG氣化潛熱和氣態天然氣從存儲溫度復溫到環境溫度的顯熱），即釋放冷量[5]。通常這部分冷量在天然氣氣化器中隨海水或空氣而被舍棄，造成能源的浪費[6]。另外，LNG在運輸、存儲等環節產生的大量蒸發氣需要放空以保證槽車上路安全。目前，尚無有效的槽車放空氣回收技術，使得LNG攜帶的冷能白白地浪費掉，而且對環境造成冷污染和安全隱患。為此，研發回收技術利用LNG冷量，以達到節省能源、提高經濟效益的目的。同時，通過跨行業融合集成創新LNG冷能利用高新技術并產業化應用，對于農產品冷鏈物流行業整體技術進步具有引領帶動意義。

2 我國LNG冷能在冷鏈物流業應用中存在的問題

我國冷鏈物流利用LNG冷能現處在探索發展階段，對LNG冷能利用認知度較低。由于缺乏實際落地項目的示范效應，許多冷鏈企業對LNG冷能利用還存在認知盲點。合理的工藝技術方案是LNG冷能利用競爭力的核心因素[6-7]。利用LNG冷能作為農產品冷鏈物流業新冷源，在我國屬于開拓性的新型產業。盡管在一定程度上可以借鑒國外的發展模式，但是我國的能源消費結構、消費市場和工藝技術水平與其他國家仍存在較大的差異。因此，我國LNG冷能利用要立足國情，開發相應的新型工藝技術或改良現有工藝技術。在市場配套條件較為完備的地區首先建設工藝技術成熟度高的LNG冷能利用示范項目，逐步探索我國LNG冷能利用的建設和運營模式。在示范工程的成功經驗的基礎上，有計劃、有步驟地科學落實LNG冷能利用項目建設，逐步形成我國農產品冷鏈物流LNG冷能利用的循環經濟產業。

2.1 冷能利用效率低

我國在LNG冷能利用方面起步較晚，當前在該領域仍未有成熟先進的技術[8-9]。即使有少數投入實際生產的單元冷能利用工藝，仍存在冷能利用效率低損大的現象，這致使LNG所攜帶的大部分冷能沒有得到合理利用[6-7,10]。作為我國第一個LNG衛星站冷能利用示范工程，杏壇LNG衛星站冷庫冷能利用項目采用雙氨制冷循環系統回收LNG冷能，但雙氨制冷循環系統協同性差，使得制冷劑易凍結阻塞，冷能供給不足[6]。

梯級冷能利用工藝雖然已經被提出，但未對其進行深入的理論分析與合理的工藝設計，其仍然未能夠從根本上解決LNG冷能利用效率不高等問題。如深海捕撈的金槍魚必須儲存在-55～-50℃的冷庫，傳統的冷庫采用多級壓縮機和螺桿式制冷裝置維持冷庫的低溫，電耗很大；但采用LNG冷量作為冷庫的冷源，將載冷劑冷卻到-65℃，然后通過載冷劑制冷循環冷卻冷庫，不用冷凍機，可以很容易地將冷庫溫度維持在-55～-50℃，電耗降低了65%，并減少建設費用10%[3]。為有效利用LNG冷能，將-60℃左右的低溫凍結庫、-35℃左右的冷凍庫、0℃以下的冷藏庫以及0～10℃果蔬預冷庫等按溫度梯度串聯，可使LNG冷能得到系統化應用。盡管目前利用技術研發有一定成果，但在LNG冷量采集方式與采集地點、熱交換方式與裝備最優設計、制冷劑與載冷劑優化選配、LNG冷能利用與冷庫設備對接以及試驗測試條件等方面，亟待形成有利于產業化應用的技術路線和標準規范[11]。產業化技術路線尚未形成。不同領域利用LNG冷能有不同技術路線，冷鏈物流領域的技術路線主要是集成融合天然氣與制冷兩個行業的技術裝備。由于缺乏跨行業集成創新平臺，研發企業分別在各自專業領域開展工作，很難及時把握相關行業最新科技成果，亦難以形成統一技術路線和裝備標準。

2.2 經濟效益前景不明確

經濟上可產生效益是利用LNG冷能的市場推廣基礎。與電力制冷成本相比，LNG冷能利用成本是否具有優勢，冷能利用設備及改造投入回收期是否經濟合理，冷能利用替代量的經濟平衡點是多少等成為研究的重要方向[6,12-14]。Yang等[6]認為LNG冷能冷庫具有技術和經濟可行性，500冷噸（USRT）的冷庫投資回收周期預計小于3.5年。Messineo等[13]評估了西西里島某LNG氣化廠為附近食品加工廠提供冷能的可能性，認為冷能銷售價格低于3歐元/kWh具有市場價值，且有著極強的節能和環保意義。La Rocca[14]從概念設計出發，通過熱力學和經濟性分析，認為通過合理的技術路線具有一定的可行性和經濟效益，但當冷能價格高于0.20歐元/kWh時，投資回收周期超過10年。

冷鏈物流企業更多看重冷能利用的裝備投入承受力和實際經濟效益。如果無法取得與電力制冷的成本比較優勢，LNG冷能利用將難以產業化推進。

2.3 資源整合度不高

目前，我國LNG冷能利用項目大部分是接收站以外的其他公司投資建設，與LNG接收站投資主體不同。這導致接收站和冷能利用項目運行不銜接、不協調。同時，國內當前天然氣的定價機制為：LNG氣化后的售價是按成本加利潤上報國家發改委審批而定，接收站不用冷能不影響其經濟效益。所以LNG接收站業主把注意力集中在保障上百億投資項目的穩定和安全運行上，擔心冷能利用“副業”對主業（氣化供應）有干擾，這極大地限制了大部分LNG冷能的利用。解決上述難題，有賴于我國現有投資管理體制的改革。可將接收站與冷能利用結合為有機整體，使冷能利用項目作為接收站的子公司，或者與接收站為同一個母公司，為發展冷能利用創造條件。

在研發資源方面，現階段LNG冷能利用未形成市場化需求，導致相關研發資源總量偏少。在研發重點方面，不同研發機構側重點各不相同，天然氣行業主要圍繞接收站研發利用技術，制冷行業主要面向冷庫研發利用技術。在市場上下游方面，研發機構苦于找不到科研成果應用場景，冷鏈物流企業則難以找到降低能源成本新技術的路徑。如何引導研發資源聚焦冷鏈物流，暢通科研與產業化應用銜接渠道，需要深入研究探討。

2.4 存在一定的安全風險

LNG屬于2.1類危險品，許多制冷劑也是危險源，因此LNG冷能利用的安全性是重中之重。盡管石化行業和制冷行業具有豐富可靠的安全措施與經驗，但兩種危險源疊加在一起則將增大安全運行難度。在國家加強安全生產監管大背景下，如何確保冷能利用技術裝備及運行管理的安全性，關系到LNG冷能利用技術能否成功推進產業化應用。

3 將LNG冷能作為冷鏈物流業新冷源的幾點建議

突破冷鏈物流利用LNG冷能瓶頸，對于農業農村產業發展具有綠色能源支撐作用。農產品包括種植業、畜牧業和漁業生產的物品，具有數量大、品類多、覆蓋廣等特點，是冷鏈物流產品的主體。同時，農產品加工需要大量熱能和冷能。LNG是農業農村能源結構調整的主要替代清潔能源。大力開發LNG冷能產業化利用技術，使之發揮出冷熱能共生優勢，可在電力之外形成新的冷熱能綜合利用終端能源，為農產品加工和“產地冷鏈”等提供區域性、系統性、低成本綜合用能解決新方案。

3.1 充分論證

擴大冷能供給，降低能源成本是冷鏈物流發展新舊動能轉換的重要舉措。LNG冷能利用技術性強，涉及方面多，安全性要求高，作為新冷源供給模式能否成功建立面臨許多不確定因素[15-17]。因此，我們建議相關組織機構進行可行性論證，如邀請專家學者進行專題研討、召開不同類型專題論證會、開展相關軟課題研究等。多渠道對技術性、經濟性、安全性等難點問題形成解決方案，以作為行業共同行動的決策依據。在各方面達成可行性共識基礎上，啟動推進工作，營造良好氛圍，形成上下游推進合力，及時向相關政府部門匯報，研究制定相關鼓勵扶持政策。

3.2 搭建創新平臺

目前，相關研發資源分散，上下游銜接不暢，建議在充分利用相關單位已建立的資源平臺、研究系統和科研團隊的同時，搭建產學研跨行業集成創新平臺，聚焦冷鏈物流應用研發，加強科技信息共享，促進學科交叉融合，合理配置和高效利用研發資源。由研究機構牽頭，組織天然氣與制冷行業的相關技術裝備研發單位組成冷能利用技術集成創新聯合體。盡早在技術路線和相關規范標準方面實現突破，在資源方面形成冷能利用保障機制，組織農產品冷鏈物流利用LNG冷能課題研究。

3.3 技術攻關

國家和行業應高度重視LNG冷能回收利用問題，特別是應加大這方面的技術與配套裝備的研發應用工作[18-20]。例如，可將中小型LNG釋放氣體時所產生的廢冷應用于冷鏈物流領域，這無論是對冷鏈物流的發展，還是節能減排均有著十分重要的意義。筆者所在的團隊正在開展如下幾項研究工作：①基于LNG冷回收的陸海聯運綠色保鮮設備及品質控制技術，研制節能環保、智能高效的LNG冷回收的快速凍結、冷藏裝置，配套水產品保鮮工藝；②研制基于LNG冷回收蓄冷密度大、流通性好的流態制冰設備，并開展規模化示范應用；③研究基于LNG氣化站的高效蓄冷、釋冷技術及配套裝備，建立單元式移動式能源站，針對不同的冷鏈模式及用途，開展多溫區高效蓄冷技術研究與應用；④針對現有食品凍干設備造價高、利用率低、時間長等問題，充分利用LNG釋放的高品位冷能優勢，開發LNG冷回收食品凍干設備等。

3.4 選點試驗示范

未來可選擇的試點示范場景包括：一是冷熱源同時需要的冷鏈企業；二是冷鏈企業需要冷源，周邊企業需要熱源；三是與燃氣企業合作，為冷鏈企業提供冷源，LNG氣化后輸入燃氣管道；四是在燃氣企業氣化站完成冷量采集蓄冷，供應冷鏈企業需要等。實現冷鏈物流利用LNG冷能產業化，是一個較為長期的過程，不可能一蹴而就。當前無論采用何種冷能利用技術，都要面對LNG供冷相對不連續的客觀現實。因此在冷鏈物流冷能供給體系中，LNG冷能利用應當定位在補充冷源，即電力供冷之外的“第二冷源”。面向現有單體冷庫和冷庫集群，屠宰、加工、冷藏等冷鏈業務集中地，以及現有LNG接收站和氣化站，提供電力制冷與LNG冷能利用雙冷源供給、LNG熱電冷三聯供分布式能源以及采集LNG冷量蓄冷等技術與裝備解決方案，促進冷鏈企業通過高新技術應用和技術改造降低能源成本。