冯成 周雨轩 刘洪涛

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

摘  要：氢能作为21世纪最有潜力的二次能源之一，必然将引领下一次能源变革。目前，主要布局的加氢站产业是氢能应用的重要一步，但在加氢站建设过程中，氢能的大规模储存及运输成为一大难题。该文围绕目前主流的几种氢气储存和运输形式综述当前氢气储运技术的现状，同时对其提出了一些分析和建议，明确在氢气长距离储运过程中液氢具有的优势。

关键词：氢能   氢气存储   氢气运输   液氢

中图分类号：TK91                          文献标识码：A文章编号：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

當前我国能源结构转型正处在逐步向绿色、低碳、安全、高效转型，实现电气化、智能化、网络化、低碳化的阶段，在2021年的两会中，碳达峰、碳中和、新能源、“氢能”已成为热点话题。“十四五”期间，我国能源增量将主要靠非化石能源，特别是可再生能源提供，非水可再生能源行业要不断创新，占领新能源战略制高点。氢气的应用可以做到整体能源格局向低碳化转型，生产低碳的氢能源已成为我国实现“3060”碳达峰、碳中和目标的重要抓手。

氢气在经过燃料电池或者燃烧后的最终产物为H2O，过程中无CO2排放，也无污染物排放，因此氢能更被视为未来最佳的清洁能源，具有很大的发展潜力。氢能解决现阶段全球环境问题、气候问题、化石能源危机的重要途径，因此其开发和利用成为全球能源发展转型的关键方向[1-2]。

此外，氢能作为一种高效的、优质的、清洁的二次能源，还具备可大规模储存、运输的性质，发展前景大好。作为氢能利用的基础前端环节，储运技术是氢气能够高效发展、利用的关键因素，也是目前限制氢气大规模使用的一项重要瓶颈[3]。氢气储运的成本、效率以及含量等都直接决定着氢能是否得到更好的利用。提高氢气储运效率，降低运输成本，是当前氢气储存、运输发展的趋势。

1  氢气储存形式及比较

目前，主要研究和现有的储氢技术主要包括：氢气高压存储、氢气液化后存储、固体储氢材料吸附储氢。

1.1 高压气态储氢

高压气态储氢技术即利用高压将氢气压缩到耐高压的储气瓶中，储气瓶工作压力须在35～70 MPa。高压气瓶的结构型式一般分为四类型：Ⅰ型/全金属结构、Ⅱ型/金属内胆纤维环向缠绕结构、Ⅲ型/金属内胆纤维全缠绕结构、Ⅳ型/非金属内胆纤维全缠绕结构[4]。这4种型式被广泛应用于移动式氢气运输气瓶、固定式储氢容器和车载储氢气瓶。

I型、II型储氢瓶具有单位质量储氢量少，容易产生氢脆效应，运行过程中容易失效等各项问题并不适合用于车载氢瓶这一用途;而III型、IV型瓶采用新型的碳纤维、玻璃纤维等材料，相比金属内胆气瓶，具有更高的耐疲劳性能，气瓶质量较轻，选用的塑料材料具有更好的氢气相容性，单位质量储氢密度有所提高（容重比）也是目前最高的。因此，车载储氢瓶大多使用III型、IV型。国外目前已经实现IV型储氢瓶在车用领域70 MPa的应用，国内IV型储氢瓶受到禁用，主要以35 MPa III型瓶为主，70 MPa型号技术较国外落后[5]。

高压气态储氢技术难度低、成本低、能耗低，是目前发展最成熟的储氢技术，匹配当前氢能产业现状等特征优势得以应用最广，国内外均广泛运用[6]。但其致命的缺点在于体积比容量太低，储氢量少，安全性能相对较差，就目前国内大量使用的以普通钢材制成的气瓶在储氢压力为15 MPa时氢的重量仅占总重量的1%，材料换用特种高强度奥氏体钢可达2%～6%。

1.2 液态储氢

液态储氢是指将氢气低温液化后储存。由于液氢密度是标况下氢气密度的近千倍，即使是90 MPa的氢气密度也只有液氢密度的60%左右。此外，液氢的能量可以达到10.05 MJ/L，是50 MPa下气氢的2倍。因此，相比于气体存储，液态氢气的存储具有很大的优势，尤其是其能量密度高、储氢密度大、运输方便的优势使其拥有很大的发展空间。但是相较于其他液态气体，氢气液化后的沸点只有20.37 K，温度极低，与所处环境的温度差值巨大，因此对液氢存储容器有很高的绝热要求。在储氢过程中还存在热漏损、自然挥发，耗能极大，同时还存在对容器密封性要求更高，因此大规模实现液氢的工业化应用还具有相当高的难度。

液氢的存储容器被称为液氢储罐，是一种具有良好热绝缘性的存储容器，往往采用真空绝热的形式。固定式储氢罐有多种形状，一般为球形和圆柱形，由于液氢储罐表面积越小，其漏热蒸发损失也会同比例减小，所以球形储罐是一种比较理想的形式[7]。美国NASA常使用的大型球形液氢储罐，其直径可达25 m，容积在3 800 m3以上[8-9]。

目前，国外大多采用液氢运输，运输方式已较为成熟。液氢的储运优势需要在长距离、大容量的存储及运输过程中才能够体现出来。现阶段，液氢的运用领域也主要在航空航天领域，民用液氢领域例如货运卡车、载人汽车等还没有实质性的研究。一方面是由于技术不够成熟，成本高昂，目前运输还是车用都选择高压气态路线;另一方面是国内暂时缺乏液氢相关的技术标准和政策规范，国内布局液氢的企业较少。

1.3 储氢材料储氢

储氢材料储氢技术是指利用固体储氢材料如稀土合金等、有机液体材料（烷烃类化合等）[10]通过吸附储氢、化学储氢来实现氢的储存和释放，目前国内外产业化均很少，基本处于小规模的实验阶段。

吸附储氢技术主要利用包括金属合金、碳质材料、水合物、金属框架物等對氢的吸附来达到储氢的作用。吸附储氢最大的优势是安全性，但就目前技术而言，存在化学储氢放氢难、储氢密度不高等问题，同时其成本相对较高。化学储氢的优势在于储氢密度较高、安全性较高，缺陷在于往往需要配备相应的加氢、脱氢装置，成本较高昂;脱氢反应效率较低，产出的氢气纯度达不到要求，等等。

通过储氢材料来进行氢气存储的技术具有相对比较安全、存储氢气的纯度高、氢气储存密度大等优点，但同样储氢材料存储氢气具有单位质量储氢密度低、氢气充装时间长等问题。通过储氢材料储氢现阶段的主要问题是需要消耗大量的贵金属，材料成本相对较高;储氢材料储氢量相对较少，不适合大规模应用。

2  氢气运输形式及比较

氢气目前主要通过长管拖车、管道输送和液氢槽车3种方式运输。

2.1 长管拖车运输

长管拖车由车头和拖车组成，长管拖车到达加氢站后，一般可以将车头与长管拖车可分离，将长管作为加氢站的储氢容器。目前常用的管束一般由直径约为0.5 m，长大概10 m左右的无缝钢瓶组成，长管拖车的设计压力在20 MPa左右，其一般储量为3 500 Nm3氢气。在国内，加氢站氢气储运的主要方式即为长管拖车，由车头将长管拖车内的氢气由产地运往加氢站，通过站内的压缩系统、冷却系统、加注系统等实现对车辆的加注。运输过程中对安全性要求较高，存在着高压气氢运输效率低、成本较高的缺陷，在距离200 km时运氢成本高达11元/kg左右，与煤制氢成本相当，适用于运输距离较近、输送量较低的用户。

2.2 管道输送

管道输送方式送以高压气态或液态氢的管道输送为主，通过管道“掺氢”和“氢油同运”技术实现长距离、大规模的输氢。管道输送可有效降低氢气运输成本，但是前期投资大，建设难度高，适合点对点，大规模的氢气运输。现阶段我国已有多条输氢管道在运行，其中包括中国石化洛阳全长25 km，年输气量10万t的管线和乌海-银川全长216 km，年输气量16.1×108m3的管线。

2.3 液氢槽车运输

液氢槽车主要用于液态氢运输，氢气液化后的体积密度可以达到70.8 kg/m3，体积能量可达10.05 MJ/L，是50 MPa气态氢气的近2倍[11-12]。液氢的单车运氢能力是长管拖车运输气氢的10倍以上，运输效率提高，综合成本降低。但是该运输方式增加了氢气液化深冷过程，对设备、工艺、能源的要求更高。液氢槽罐车运输在国外应用较为广泛，国内目前仅用于航天及军事领域。液槽罐车的容量大约为65 m3，每次可净运输氢气约4 000 kg。

3  总结与分析

在氢气存储方面，高压气态储氢是目前最成熟、成本最低的储氢方式，是现阶段主要应用的储氢技术。液态储氢及储氢材料储氢方式在储氢密度、储氢量、安全性方面都高于高压气态储氢，但目前液化储氢技术受制于成本和能耗问题，无法规模化利用，预计在氢能产业规模扩大、配套设备和技术提升之后未来可期。而储氢材料储氢由于技术的复杂性等问题，目前尚停留在试验阶段。

在氢气运输方面，长管拖车运输是目前较为经济的方案，比较适合当前氢能产业的发展规模。一方面，气氢拖车具有成本低、充放氢快速的优点;另一方面，国内加氢站均为站外供氢。但随着氢能产业、液氢运输、管道输氢的发展，气氢拖车运输将被部分取代。

单从运输方面的成本来看，以液氢运输成本最低，采用管道元素的成本最高。但若考虑到氢气在液化过程中需要的成本，采用长管拖车运输的成本最低。主要由于氢气液化能耗达到自身低热值的30%，是压缩能耗的3倍。

若在长距离运输方面看，液氢的运输能耗远远小于长管拖车运输气氢，因此长管拖车运氢并不适合长距离运输。而我国由于氢能产业分布不均匀，未来加氢站大规模推行后，运输将成为其必然问题，因此发展液氢槽车运输十分必要。

此外，当液氢罐车在未来罐材改进及减少液氢液化、运输过程中的损耗问题后，在中远距离的输氢方面有较大前景。

而对于单位造价最高的管道运氢，尽管其前期成本大，但在長距离、大规模的氢气运输中，运输效率、成本十分具有优势，在氢能产业规模扩大后，结合可再生能源制氢，有望成为最优运输方式。

参考文献

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