氢能源行业专题研究：液态储氢，大规模长距离运输理想方案
第一章 储氢方式介绍
全球碳中和推动氢能产业发展
氢能是传统化石燃料的理想替代。为应对全球气候变化，满足可持续发展的要求，世界各主要经济体均加快了低碳转型进程，目前已有超过130个国家及地区提出制定碳中和目标，多数国家将在2030年实现中期减碳并于2050或者2060年实现碳中和。在碳中和的大背景下，世界各国加速寻求清洁能源的开发和利用。氢能是传统化石燃料的理想替代，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。
2021年我国氢气产量达到3300万吨，从当前的终端需求来看，90%以上用于工业领域，其中合成氨和合成甲醇对氢气需求合计占比超过60%，炼厂用氢、煤化工等其他工业领域对氢气需求超过30%。中国氢能联盟预计，在2060年碳中和情景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。其中，工业领域用氢占60%，约为7794万吨，交通运输领域占比31%，约为4051万吨，建筑领域和电力领域合计占比约为9%。
氢能储运为氢能产业发展重要环节
氢储运为氢能产业发展痛点。氢的储存-运输环节处于氢能产业链中游，连接制氢和用氢端，我国氢能供需存在错配，供给端我国氢气资源“西富东贫，北多南少”而在需求方面呈现相反状况，同时目前氢储运环节存在成本高、储氢难的问题，因而高效、低成本的氢气储运技术是大力发展氢能产业的必要保障。成本高：氢气储运环节成本约占产业链所有环节的30%-40%。随着降本诉求的不断提升，储运环节将成为氢能降本的关键环节。储运难：氢的储存和运输高度依赖技术进步和基础设施建设，是产业发展的难点。
储氢——高压气态储氢
高压气态储氢技术成熟，应用广泛。目前高压气态储氢技术主要应用在运输领域，加氢站和燃料电池 车上均应用高压储氢瓶作为储氢装置。 加氢站通常使用纯钢制造的I型瓶和II型瓶（钢制内胆，纤维环向缠绕），工作压力在17.5-30MPa，体 积较大。加氢站配置250kg的储氢装置成本约为170-200万元以上，折合单位储氢价格约为6000-8000 元/公斤。 车载储氢瓶主要分III型瓶和IV型瓶两种。III型瓶压强为35MPa，内胆采用铝合金/钢，包裹材料为碳纤 维或者混合碳/玻璃纤维复合材料。IV型瓶压强为70MPa，内胆采用聚合物（一般包括尼龙，高密度聚 乙烯（HDPE），PET聚酯塑料/PA聚酰胺），外部包裹材料主要是碳纤维或者混合碳/玻璃纤维复合 材料。国内氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要以35MPa的Ⅲ型瓶为主，而70MPa的IV型高压储氢罐， 国外已经实应用，国内尚未批准。在燃料电池车上应用的高压储氢瓶按照储氢质量折算，35MPa的单 价3500-5000元/kg，70MPa的8000-10000元/kg。
储氢——固态储氢
固态储氢技术是通过物理或化学方式使氢气与储氢材料结合，来实现氢气的储存。从材料分类上有金属合金、 碳材料等。金属氢化物合金又可细分为稀土系、钛铁/锰系、钒系和镁系等。优点：体积储氢率高，安全性能高、能效高，加氢站成本相对较低。 缺点： 大多数材料质量密度低，镁系质量密度高，但放氢需要消耗大量热，对热交换装置要求高；尚未 达到产业化规模。
不同输氢方式储运成本比较
对于高压气态储运，当运输距离为50km时，运输成本为3.6元/kg，随着距离的增加长管拖车运输成本大幅上升，当运输距离为500km时，氢气的运输成本达到29.4元/kg。因此，长管拖车只适合短距离运输（小于200km）。低温液态储氢与固态储氢、有机液态储氢对运氢成本对距离不敏感，当加氢站距离氢源点50-1000km时，低温液态储氢运输成本约在14-15.5元/kg范围内，固态储氢运输成本约在11-16元/kg，有机液态储氢运输成本约在16-18元/kg。在中长距离运输下，固态储运、低温液态储运与有机液态储运都具备成本优势。 管道运氢成本主要来源于与输送距离正相关的管材折旧及维护费用，当输送距离为100km时，运氢成本仅为0.5元/kg。但管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响，在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下，管道运氢的成本优势并不明显。
第二章 低温液态储氢产业链分析
国内低温液氢项目积极推进
据北京航天试验技术研究所张振扬博士的论文《液氢的制、储、运技术现状及分析》，2021年底，全球液氢产能达到约485吨/天，其中美国，加拿大，日本液氢产能分别超过300/80/40（吨/天），为全球前三大市场。国内液氢产能约6（吨/天），主要服务于国内航空航天领域。据不完全统计，近年来国内规划中的液氢项目达到十余项，国企、民企、外企都表现出市场积极性。若规划的氢液化项目如期落地，国内液氢产能将在几年内超过160吨/天，有望超过加拿大成为全球第二大液氢市场。 国富氢能、中科富海、航天六院101所等企业为主要供应氢液化系统企业。而在液氢工厂运营方面，国内参与企业包括齐鲁氢能、中科富海、嘉华能源、鸿达兴业等。
低温液氢全产业链
液氢产业链主要包括氢液化、液氢储运和液氢加注环节。 氢液化：目前大型的液氢工厂普遍采用液氮预冷型Claude系统，液化流程中主要用到压缩机、换热器、低温透平膨胀机、正-仲氢转换器以及节流阀等设备。液氢储运：低温液氢的存储技术关键在于液氢储罐，根据其使用形式可分为固定式和移动式，大型的固定式储罐一般都采用球型，中小型的液氢储罐普遍采用立式或卧式的圆柱形。移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱。国产化方面，目前我国已经完全具备了生产液氢贮罐的能力。液氢加注：液氢泵是提高能效、降低成本并适用于液氢产业市场化和大规模应用的关键核心设备。目前国内液氢泵正在进行国产化替代。美国能源部给出的液氢产业链成本结构显示氢气液化占低温液氢全产业链成本30%-40%。在液氢工厂50吨/天液化生产供应量下，液氢全产业链成本为9.84美元/kg·H2，其中氢气液化为3.1美元/kg·H2，占比31.5%，在液氢工厂100吨/天液化供应量下，液氢全产业链成本为7.05美元/kg·H2，其中氢气液化为2.86美元/kg·H2，占比40.5%，其中，氢气液化环节，资本开支占成本46%，能源消耗占45%。在供应量加大条件下，液氢全产业链成本显著得到下降。
氢液化原理
液氢生产方法主要有四种液化循环：节流液化循环（Linde- Hampson系统）、带膨胀机的氢液化循环（Claude系统）、氦制 冷氢液化循环和磁制冷液化循环。 目前世界上运行的大型液化装置多数采用带膨胀机的氢液化循环 （Claude系统），小型液化装置多数采用氦制冷液化循环和节流 液化循环。 氢液化原理：常压常温的氢气经压缩机压缩，并经换热器降温后实 现等温压缩，然后再经液氮预冷并经换热器E1降温后成为两部分气 体：1）一部分气体连续经过换热器E2和换热器E3降温并通过节流 阀等焓膨胀降温，部分氢气转变为液体从储液罐排除，未液化的部 分气体经过换热器E3再次进入热力循环；2）另一部分在膨胀机中 等熵膨胀降温与换热器中E3复热氢气汇合进入热力循环。膨胀机膨胀制冷不仅效果好，膨胀机输出的能量还可以补充系统消 耗的能量，所以带膨胀机的液化循环单位能耗较低。带膨胀机的液 化循环系统的工作压力为3~4MPa，远低于节流液化循环的工作压 力，使系统更安全。故目前在氢液化中的应用最为广泛。
氢液化产业发展方向——降低系统综合能耗
液氢产业发展核心在于规模效应，当规模扩大时，氢液化的能耗和单位成本将显著降低，液氢达到足够的规模后将更具经济性。据《中国能源报》报道，液化规模为5吨/天及以下时，氢液化的综合能耗将超过15kWh/kg·H2；当液化规模达到10-30吨/天时，氢液化的综合能耗约为9-14kWh/kg·H2；当液化规模扩大至150吨/天，氢液化能耗可降低至6kWh/kg·H2。 中科富海于2023年3月实现5TPD氢液化系统下线，并于6月通过1.5TPD氢液化系统鉴定，液化率达到1590kg/day，综合单位能耗为15.1kWh/kg·H2。国富氢能已具备8-30TPD氢液化系统供应能力，能耗为9-14kWh/kg·H2。
液氢储存与绝热方式
低温液氢的存储技术关键在于液氢储罐。液氢储罐有多种类型，根据其使用形式可分为：1）固定式：常用的包括球形储罐和圆柱形储罐，2）移动式：移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱形，结构、功能与固定式液氢储罐并无明显差别，但需具有一定抗冲击强度，以满足运输过程中的速度要求。 不同容积储罐采用不同绝热方式：目前主要包括高真空绝热、高真空多层绝热、真空粉末绝热、和堆积绝热等绝热方式。 国内液氢储罐研发生产企业包括国富氢能、中科富海、航天六院101所、蜀道装备、厚普股份、致远新能和中集安瑞科旗下中集圣达因等公司。
液氢泵是液氢加氢站建设核心设备
目前，全球加氢站主要形式为高压气态和液氢，截至2022年底全球已投运加氢站数量超过800座，其中液氢加氢站全球占比约30%，主要集中在美国、欧洲、日本。国内方面，根据EV TANK数据，截至2023年6月，中国累计建成的351座加氢站中，液氢加氢站比例约为1/4。国内加氢站建设成本方面，据氢云链数据，国内目前建设一座500kg/天的加氢站成本为700-1200万元。 加氢站组成结构方面，以日本有明液氢加氢站为例，液氢加氢站内部结构包括液氢储罐，液氢泵，蒸发器，蓄压器和分配器等。液氢泵是提高能效、降低成本并适用于液氢产业市场化和大规模应用的关键核心设备。国际上掌握高压液氢泵技术的企业主要包括美国ACD公司，德国林德公司和法国Cryostar公司。国内部分公司和科研院所开展了对高压液氢泵的研制，正在进行国产化替代。
第三章 有机液态储氢分析
有机液态储氢：适合大规模长距离运输的新型储氢技术
有机液态储氢（LOHC）技术是一种新型、高储氢密度的储氢技术，在氢气大规模储运和跨洋运输与国际氢贸易方面有着很好的发展潜力。其原理是借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等不饱和液体有机物和氢气的可逆反应、加氢反应实现氢的储存，借助脱氢反应实现氢的释放，质量储氢密度在5%-7.5%，储氢量大，储氢材料为液态有机物，可以实现常温常压运输，方便安全。 有机液体储氢技术的工作原理可分为加氢和脱氢环节：1）加氢：氢气通过催化反应被加到液态储氢载体中，形成可在常温常压条件下稳定储存的储氢有机液体；2）脱氢：有机液体在一定温度条件下发生催化脱氢反应，反应产物经气液分离后，氢气输送至用氢端。 目前国内外研究较多的有机储氢载体有环己烷、甲基环己烷（MCH）、十氢化萘、二苄基甲苯、十二氢-N-乙基咔唑（12H-NEC）等。随着有机液体储氢技术的不断发展，甲基环己烷体系、乙基咔唑体系和二苄基甲苯体系逐步体现商业化潜力。
有机液态储氢应用项目梳理
有机液态储氢技术凭借储氢量大，储运、维保安全方便且可多次循环使用的特点，可应用于跨季节储存以及大规模、长距离运输。 海外方面，有机液态储氢技术发展较早，已形成远洋贸易运输。日本千代田公司建立了甲苯-甲基环己烷示范工程，利用该技术实现了澳大利亚至日本川崎的长距离氢气运输；德国Hydrogenious Technologies公司主要技术为二苄基甲苯，目前已在德国多马根建立起工业级有机液态储氢工厂，项目将供应欧洲工业及交通领域。 国内技术起步稍晚，目前多处于示范项目为主，已在加氢站、建筑供热、工业领域推进有机液态储氢应用。
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