氫氣加油站的特殊儲存運輸方法及未來發展趨勢

文/李智

0.引言

在我國2021組織召開的大型會議中，相關“氫氣能源”的研究已經成為市場重點討論話題。在“十四五”發展與建設期間，我國市場內的新增能源將主要依靠化石與非化石，以清潔能源為主的戰略形式將占據行業發展新地位。在對此方面工作進行深入研究時發現，加大對氫氣能源的使用，可以使能源向低碳化格局遞進。為了全面落實對氫氣能源的使用，我國開設了多個大型氫氣加油站，將其作為加油燃料，燃燒氫氣后釋放大量燃料，產生的最終物質為H2O，此過程不釋放二氧化碳，也沒有其他污染物排放[1]。因此，氫氣被現代化社會定義為未來行業發展中的最佳能源，根據行業綜合發展形勢可知，氫氣在未來將成為我國的主要能源，具有極大的發展潛力。本文將從多個方面，開展氫氣加油站的特殊儲存運輸方法分析，以此為依據，明確氫能的未來發展趨勢，實現為我國能源行業的持續化建設提供技術支持。

1.現代化氫氣加油站物流運輸主要形式

1.1 長管拖車運輸。由于氫氣能源較為特殊，因此，在進行此種能源的運輸時，通常會采用長管拖車進行。拖車主要由頭部與尾部兩個部分構成，在運輸加油站氫氣能源時，拖車需要先到達加油站，將裝載運行車輛的車頭與后部拖車分離處理后，拖拽長管，將其作為氫氣燃料的運輸工具與儲氫容器[2]。通常情況下，用于運輸氫氣燃料的長管直徑為0.5m，長度為10.0m，末端由無縫隙鋼瓶拼接構成。為確保設計的裝載車輛滿足加油站氫氣燃料的運輸需求，會設定拖車的運輸壓力為20.0MPa，液化后的有效存儲容量為3.0×103Nm3。在對我國現有氫氣儲運模式的分析中發現，基于長管拖車的運輸方式是一種較為常見的運輸方式，在進行氫氣的物流運輸時，需要由車頭將車內氫氣燃料輸往加油站，輔助使用站內的壓縮泵、循環泵、冷卻泵、加注泵等，向拖車儲運罐中加注氫氣。為保證氫氣燃料運輸的安全性，通常會對車輛的行駛與運輸過程進行較高的安全要求，即在車輛上張貼警示牌，或配備副駕駛專職人員進行輔助運輸[3]。但相比其他的運輸方式，按照此種方式，進行氫氣運輸，其成本相對較高。例如，當氫氣運輸的距離在200.0km時，運輸成本大約為12.0元/kg，運輸成本與產氫成本接近，因此，長管拖車運輸更加適用于需求量較低、運輸距離相對較短的用戶群體。

1.2 管道運輸。除上述提出的運輸方式，管道運輸技術也是氫氣加油站較為常用的運輸方式之一，此種運輸方式主要用于液態氫燃料的運輸，在運輸前，需要在運輸管道中進行“摻氫”處理，或采用“氫氣同油”的運輸方式，進行氫氣燃料裝載，通過合理化的手段與技術，即可實現對氫氣加油站燃料的長距離、高效率、大規模運輸。相比其他的運輸方式，管道運輸方式的成本較低，但需要加油站前期投入一定量的資金，且運輸管道的建設難度較高，更加適用于“點到點”或集成式的大規模運輸模式。通過市場反饋數據，我國在現階段的實踐中，已經建設了多條可實現氫氣燃料運輸的長管通道，并已經逐步投入市場開始使用。應用較為頻繁的氫氣輸送管道包括中石化洛陽管道，此管道的長度為25km，每年的氫氣運輸有效量＞10.0萬噸，銀川-烏海管道也是市場內目前使用較為頻繁的輸氣管道，此管道的長度約為216.0km，每年的氫氣運輸有效量16×108m3。

1.3 液氫槽車運輸。除上述提出的運輸方式，液氫槽車運輸方式也是氫氣加油站運輸氫氣的主要方式，此種運輸方式主要用于運輸液化氫。在運輸前，需要對氫氣進行加壓處理，液化后的氫氣燃料體積密度可以達到70kg/m3以上，單位體積下液化氫的釋放能量可以達到10MJ/L以上，接近于50MPa氫氣釋放能量的雙倍[4]。相比上文提出的兩種運輸方式，使用液氫槽車進行加油站氫氣的運輸，其單次運輸能力可以達到長管拖車單次運輸能力的十倍甚至以上。具有運輸成本低、運輸效率高等優勢。但液氫槽車運輸也存在一定的缺陷，例如，在運輸前，需要進行氫氣的液化與深冷處理，而此種處理方式不僅對操作設備具有較高的要求，深冷液化的工藝步驟也較為復雜。

2.氫氣加油站的特殊儲存運輸方法

2.1 壓縮儲運方法。在進行氫氣加油站的特殊存儲運輸方式研究中發現，壓縮儲運是一種應用較為普遍的儲運方法，在使用中，需要將質量相對較大的鋼瓶作為氫氣燃料的容器，但考慮到氫氣的空氣相對密度較低，因此使用鋼瓶進行儲運的效率相對較低，將鋼瓶內部的壓力增加到15.0MPa時氫氣的有效存儲密度在3.0%以下[5]。為解決壓縮儲運方式存在的問題，近年來科研單位提出了優化儲運鋼瓶容器材料的方式，通過此種方式，提高氫氣加油站儲運容器的耐壓性，并降低氫氣在運輸中透過鋼瓶發生擴散行為的概率。同時，可在進行氫氣加壓處理時，在鋼瓶內部添加適量的吸氫物質，以此種方式，提高氫氣壓縮存儲的密度與效率。

2.2 液化儲運方法。常規條件且無異常施壓時，液態氫的熔點溫度為-253.0攝氏度，因此，無論是對氫氣進行加壓處理，或是對將其氫氣存儲環境的溫度，都能夠實現將氫氣轉化為液態氫。而一般條件下液態氫的密度是正常條件下氫氣密度的850.0倍，1.0kg的液態氫在氣化過程中釋放的熱量，是汽油氣化過程中釋放熱量的3.0倍。因此，應明確對氫氣進行加壓或降溫液化，是實現其儲運的有效方式之一，相比常規條件，氫氣加油站內的能源更加適合存儲在有限的空間。但要滿足氫氣能源的特殊儲運需求，需要將存儲氫氣容器的溫度控制在一個相對較低的條件下，只有滿足此方面需求的存儲容器，才能保證氫氣儲運工作的順利實施[6]。

2.3 空心玻璃球儲運方法。通過大量的實踐與研究可知，在環境溫度較高的條件下（溫度在300.0攝氏度~400.0攝氏度時），空心玻璃球會呈現出多孔性特點，并且，此種材質的玻璃球會在室溫環境下呈現出不滲透特點。因此，氫氣加油站可以利用空心玻璃球具有的這一特點，用其進行氫氣燃料的存儲與運輸。使用空心玻璃球進行氫氣燃料的存儲運輸時，應先將空心玻璃球放置在高壓環境中（控制環境壓力在20.0MPa~200.0MPa范圍內），再使用專用設備，對加油站氫氣燃料進行加熱（控制加熱溫度在200.0攝氏度~300.0攝氏度），采用對氫氣進行加壓處理的方式，將其置于空心玻璃球內，待環境溫度與壓力穩定后，便實現了基于空心玻璃球的氫氣存儲。再根據運輸的距離與氫氣運輸量選擇對應的運輸方式，相比氫氣加油站現用的存儲運輸方式，此種方式具有低成本、高穩定等優勢，目前，已經成為我國新能源市場的重點研究方向。當存儲的氫氣被輸送到加油站后，只需要輕微加熱空心玻璃球即可實現氫氣的揮發與釋放。

3.未來發展趨勢

通過上文研究可知，氫氣是我國未來燃料行業發展中的重要能源，也是實現社會新能源開發利用的關鍵切入點，氫氣加油站儲運工作作為氫氣能源利用的主要渠道，其存儲運輸所需成本、效率等因素，都會決定氫能是否能夠能在市場內被更好地利用。但綜合現階段我國在此方面的研究成果可知，相關氫氣存儲方式、運輸技術方面的進一步研究，科研單位還有較長的路要走，在現如今科學技術的快速發展中，氫氣加油站已在氫氣存儲方面取得了一定的成績，下述將從三個方面，對氫氣儲運的未來發展趨勢進行分析。其一，未來氫氣能源的儲運模式將呈現多元化與數字化趨勢，即現代化技術將與氫氣儲運技術進行融合，實現存儲運輸管理工作的可視化與協調化，儲運車輛管理的規范化與規模化。其二，加大液氫槽車運輸模式的開發將成為未來氫氣加油站物流運輸主要形式。目前，氫氣加油站儲運主要三種方式，長管拖車運輸方式與管道運輸方式都存在不同程度上的短板與缺陷，因此，要實現對氫氣能源的大規模推廣使用，需要實現氫能產業在市場內的均勻分布，而落實此項工作的前提條件便是實現氫氣儲運技術的高新化。其三，氫氣能源會在運輸中存在不同程度的損耗，在未來的研究中，氫氣損耗量將實現在未來的研究中逐步降低。當解決此方面問題后，氫氣加油站的中長距離運輸將具有更廣闊的發展前景。

4.結束語：

隨著我國不可再生能源的高速消耗，越來越多的生產單位開始關注或加大對新能源的使用與開發。目前，我國能源結構正處于高速轉型階段，以氫氣為代表的新能源行業正逐步向綠色、低碳、高效、環保等發展方向轉型，此階段也是實現能源自動化、智能化、網絡化的高速階段。但氫氣的存儲與運輸方式存在一定特殊性，為了更好地滿足氫氣加油站經營需求，本文從長管拖車運輸、管道運輸、液氫槽車運輸三個方面，分析了現代化氫氣加油站物流運輸主要形式，從壓縮儲運方法、液化儲運方法、空心玻璃球儲運方法、金屬氫化物儲運方法四個方面，闡述了氫氣加油站的特殊儲存運輸方法。并以此為依據，對氫氣加油站的儲運模式未來發展趨勢進行了分析。總之，相關此方面內容的研究是一項與我國經濟發展與人民幸福息息相關的話題，兩者之間相輔相成，因此，要進一步實現對此項工作的完善，還應在后續的研究中，投入更多的資金開展此方面的研究，通過此種方式，為我國氫氣燃料存儲運輸的發展提供進一步的指導與幫助。C