液态氢具有什么性质(氢气的储运)

Posted 2023-06-01

篇首语：学如逆水行舟，不进则退。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了液态氢具有什么性质(氢气的储运)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

液态氢具有什么性质(氢气的储运)

一、氢气储运

之前的报告主要是制氢，这次的报告我们集中在氢气的储运，并对比国内外技术差距，拟对氢能产业链进行一个完整的分析了解，并时刻跟进技术发展和政策热点，以此来争取把握氢能源的行情机会。

氢气储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、有机氢化物储氢和固体储氢，当前国内储存方法主要还是高压气态储氢，从储氢的成本看，高压气态储氢仍然是当下储氢方式的最优选择，短中期高压气态储氢仍是主流。氢气输送方式主要有气氢拖车、液氢槽罐车以及管道运输氢气。目前我国氢能运输以高压气态运输方式为主，气体的运输主要有长管拖车、管道运输，目前国内加氢站主要是长管拖车运输，运输距离比较短，运输成本相对比较高，一般来说，适合氢气日用量为吨级的工业单位。液氢运输国内还在加速发展，未来管道运输成本肯定是最低。氢的储氢和运输是高度依赖技术的进步跟基础设施的建设，氢能的储运按照从低压到高压，气态到多向态的技术发展。

氢气的密度小，一般需要1.5MPa以上的压力才可用特制的钢瓶贮存。当前国际上已经有可承受压力达70MPa以上的轻质材料储气瓶。而对于固定地点的贮氢，在合适的地质、地理条件和良好的封口技术条件下可采用地下贮存，这种方式不需要专用的贮氢容器，可以大大的降低贮氢的费用。低温液态储氢是指在标准大气压下，将氢气冷冻至零下252.72摄氏度以变为液体，然后保存在特制的高度真空的绝热容器中，常见的同时也是最理想的是杜瓦瓶，但是杜瓦瓶造价较高，所以无法得到广泛使用。目前液态氢主要用作火箭燃料。不管是储存还是运输，当前国内高压气态储运氢技术相对成熟，主要的储运方式为高压气态储氢，依靠压缩机将氢气压缩到储氢瓶中，储氢瓶压力多为30MPa，然后用集装格和长管拖车等工具进行运输，长管拖车运输设备产业较为成熟，但在大规模、长距离储运技术上，成本和技术仍有待进一步改善，整体发展落后于国际先进水平。而国内在低温液态储氢方面表现得较为弱势，在液氢储运技术、液氢工厂、相关产业化上还有多重难关待突破。少许的液氢主要被用于航天及军事领域；金属氢化物储氢和有机氢化物储氢均处于实验室阶段。

二、国内外储运氢现状

通常制得的氢气，有三种储存途径：一种是将制得的通过压缩机压缩，存储在中低压压力等级的储氢罐，当制得的氢气量足够大时，可以利用现有的地下洞穴或天然气气穴存储，地下储存的氢气压力水平范围为2MPa至18MPa；若设备允许，可将制得的氢气，通过低温液化，储存到低温液态储氢罐，其储氢量相比压缩储氢要大很多，同等空间的情况下，若压缩储氢提供氢储量100千瓦时，低温液态存储储氢量可以达100GWh。对于压缩氢气储氢，压缩机是储氢的关键技术。压缩储氢由于其有限的能量密度而具有高成本，低温罐由于蒸发损失只能在有限的时间内保持要求的压强水平。加压和低温氢存储之间的中间解决方案是低温压缩氢。在这种情况下，液化氢被填充到罐中，与普通低温储存（约2至4MPa）相比，低温压缩氢所需的氢气燃烧压力条件要高得多（高达35MPa）。这使得低温压缩储氢能够储存更长的时间。在未来，将氢存储在金属氢化物或碳纳米结构中是实现高能量密度的有前途的技术选择，现在金属氢化物已经处于示范阶段。

表一：不同运氢方法对比
运氢方式		运输量	应用情况	优缺点
气态	集装格	5-10kg/格	广泛运用	技术成熟，运输量小，短距离运输
	长管拖车	250-460kg/车	广泛运用，比集装格更广泛	技术成熟，运输量小，短距离运输
	管道	310-8900kg/h	国外小规模发展，国内尚未普及	一次性投资高，运输效率高，适合长距离运输，但是可能出现氢脆现象
液态	罐车	360-4300kg/车	国外广泛应用，国内目前仅在航天军事领域	液化耗能成本高，运输过程可能存在蒸发损耗，中长距离运输
液态	有机载体	2600kg/车	试验阶段，少量应用	氢气高纯度难以保证
固态	储氢金属	24000kg/车	试验阶段，用于燃料电池	运输容易，不存在逃逸问题，但运输的能量密度低
资料来源：公开资料整理

国内以高压气态氢气运输为主的方式来看，高压氢气运输分为集装格和长管拖车两类，集装格由多个40L的、压力为15Mpa的高压储氢钢瓶组成，运输较为灵活，适用于需求量小的加氢站；长管拖车结构为车头部分和拖车部分，由9个压力为20Mpa、长约10m的高压储氢钢瓶组成，拖车在到达加氢站后车头和拖车可分离，运输技术成熟、规范较完善，国内的加氢站目前多采用此类方式运输，但是气态高压工作压力相比国外水平低使得运输的效率低（压力越大，单位体积储氢量更大），国内目前35MPa的储运氢容器刚处于成熟阶段，国外美国、日本、加拿大等均可自主生产超过70MPa的高压储运氢容器，并且压缩机上国外主流的压力为70MPa以上，国内压缩机普遍外购，国产化进程慢。具体在压缩机、储运氢容器的国内代表企业为北京天高、江苏恒久、中鼎恒盛、浙江巨化、安瑞科、海德利森、国富氢能、安泰科技等。

国外高压气态储氢和液态储氢均优于国内，国外主流的储氢方式主要是高压气氢和低温液氢，国外的高压气氢的压力达到了70MPa以上，液氢储运也较为成熟。全球有三分之一的加氢站采用液氢技术，其中美国和日本主推液氢储运技术路线。日本和澳大利亚的氢能供应链项目也采用了液氢运输船远距离输送氢气。相较于低温液态储氢，高压气态储氢在长距离运输上十分不具有优势，其运输成本对距离的敏感性高，需要进一步提高储运效率。液氢储运体积密度是高压气态储运的5倍，液氢的体积能量密度为8.5MJ/L，是15Mpa压力下氢气的6.5倍，相较于氢气高压储运，单位容器能储存的低温液态储氢更多，大大提高运输效率，降低储运成本，在中长距离氢气储运中经济性较高，氢气纯度也可以在液化过程中大大提高，是未来短中期氢储运的重要方向之一。另外，国外技术上储氢技术研发中，日本千代公司研发的SPERA氢气，可以让氢气在常温常压的条件下保持液态，在常温常压条件下，可以用已有的油轮和油罐车来运输，还可以在港口及工厂的油罐中长期储存。这对于需要高压压缩氢气体积或者超低温保存氢气的方法更为方便，而且还省去了专用的容器和设施（当然，这是国外的技术，这里我们就不细说）。

目前，国内的液氢产能十分低，无法满足液氢使用需求。全球氢液化设备主要由美国AP、普莱克斯、德国林德等厂商提供。国内液氢技术和装备能力发展落后，应用范围十分窄，特别是民用领域的液态氢几乎处于空白地段。目前国内涉及氢液化开发研究的有航天101所、国富氢能等单位。数据显示，我国当前最大氢液化规模为每天生产2吨，氢气液化设备的关键零部件依赖进口，与国外技术差距明显。从当前液氢技术和装备发展现状和趋势看，未来在降低氢气液化能耗和氢气液化成本上存在一定空间。美国商业管制清单限制了我国进口日均生产10吨以上的氢液化技术及装备，以及DN50以上液氢阀门、膨胀机、液氢泵等关键设备。

对于国内外技术差距，虽然国内技术较国内先进，但是在国家将氢能作为重要的发展目标的情况下，氢气储运的各个环节的关键技术国内自主研发国产替代必然是大趋势，尽管技术落后，但是发展氢能是势在必行的，所以我坚定认为在国家从服务转向制造、碳达峰碳中和的前提下，这里面必然有不错的机会。

三、储运氢成本测算

在当前氢能源发展的现实情况下，氢气的运输需要基于考虑运输过程的能量效率、氢的运输量、运输过程氢的损耗和运输里程。在用量小、用户分散的情况下,气氢通常通过储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送,液氢运输多用车船等运输工具，氢气用量大时一般采用管道输送。

估算当运输距离为50km时，长管拖车的运输成本为5.43元/kg（0.49元/Nm³），运输距离为500km时，运输成本高达20.18km/kg（1.80元/Nm³），考虑到经济性问题,长管拖车运氢一般适用于200km内的短距离运输。

估算当管道运能利用率达到100%时，输送距离为100km,运氢成本为1.20元/kg（0.12元/Nm³）,差不多是同等距离下气氢拖车成本的1/5,但当管道运能利用率仅为20%时，管道运输成本和气氢拖车运输成本相当。

液氢运输成本对距离变动比较不敏感，估算运输距离为50-500km时，液氢运输价格在13.51-14.01元/kg（1.21-1.25元/Nm³）。

综合来看，运输距离在250km以内，长管拖车的运输成本比液氢罐车成本低，超过250km时液氢罐车运输更具优势，超长距离运输时管道运输则是最优解决方案，根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》中提出的储运发展路径，中期2030年氢气的储运以气态高压、低温液态相结合，远期2050年氢气管网密布将成为主要的运输方式。

所以，储运氢方面短中期我们可以重点关注气态高压、液氢方向的公司，长期以管道运输受益的公司为主。

文中理论分析引自氢云链、《加氢站氢气运输方案选比》、广证恒生等文献和专业网站。

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