“碳中和”背景下的液氫發(fā)展之路探討

張 震 解 輝 蘇嘉南 蘭玉岐 安 剛

1. 北京航天試驗技術(shù)研究所 2. 航天氫能科技有限公司

0 引言

全球環(huán)境問題的凸顯加速了能源結(jié)構(gòu)向降低化石燃料依賴方向的轉(zhuǎn)型，隨著科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步，清潔無污染的氫能源成為國內(nèi)外的發(fā)展重點。尤其是近幾年，國內(nèi)外掀起了氫能發(fā)展的熱潮，根據(jù)國際氫能委員會發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢調(diào)研報告》，預(yù)計到2050年，氫能源將占整個能源消耗量的大約20%[1]。

在2020年9月22日習(xí)近平主席代表我國提出“30·60雙碳目標(biāo)”[2]之后，緊接著美國重返《巴黎協(xié)定》[3]，歐洲宣布2050年碳零排放[4]，占全球能源版圖70%的120多個國家宣布21世紀(jì)中葉實現(xiàn)碳中和。目前大家已經(jīng)形成共識，發(fā)展以太陽能、風(fēng)能等為主的新能源，減少化石能源用量，是降低碳排放、實現(xiàn)碳中和的途徑[5]。但是太陽能、風(fēng)能等可再生能源存在著時間和空間的分布不平衡等問題，需要可儲可供的氫能來實現(xiàn)可再生能源電網(wǎng)的平衡和穩(wěn)定。

我國能源結(jié)構(gòu)與其他國家有顯著不同，特點是富煤、貧油、少氣，這種情況導(dǎo)致我國能源消費以煤炭為主，而匱乏的石油和天然氣則大量依賴進(jìn)口，目前我國石油的對外依存度已近70%，天然氣的對外依存度已超40%，在當(dāng)前的國際緊張形勢下，我國能源安全問題愈發(fā)突出，與可再生能源可以結(jié)合發(fā)展的氫能在國內(nèi)外迅速推廣，是這一背景下的一種理想替代能源[6]。

建立以可再生能源為基礎(chǔ)的電氫體系，可實現(xiàn)新能源的優(yōu)勢互補(bǔ)的良性發(fā)展，而大規(guī)模儲運(yùn)是氫能發(fā)展的瓶頸。由于氫氣密度小，在尚未具備大規(guī)模管道輸氫的技術(shù)背景下，液氫是解決氫能規(guī)?；⑸虡I(yè)化儲運(yùn)供應(yīng)的理想方式[7-8]。此外，液氫在工業(yè)氣體領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域也有十分廣闊的應(yīng)用前景[9]。

筆者以可再生能源與液氫結(jié)合的電氫體系為基礎(chǔ)，制訂了基于液氫的產(chǎn)業(yè)路徑，分析液氫路線優(yōu)缺點，探討“碳中和”目標(biāo)下液氫所應(yīng)承擔(dān)的角色，指出液氫產(chǎn)業(yè)鏈需要解決的難題，為今后氫能的規(guī)?；?、社會化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 以液氫為路徑的可再生能源電氫體系

以太陽能、風(fēng)能等為主的可再生能源因時間和空間的分布不平衡，其發(fā)電功率不穩(wěn)定，上網(wǎng)造成電網(wǎng)不穩(wěn)定，需要其他發(fā)電方式調(diào)節(jié)發(fā)電功率來配合新能源電力上網(wǎng)。而在“碳中和”背景下，化石能源發(fā)電的占比將極大縮小，難以實現(xiàn)電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的功能。因此，必須考慮由可再生能源端自身實現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，這就需要大規(guī)模儲能。以電解制氫后再液化的液氫進(jìn)行儲能具有極大的優(yōu)勢。理論上1 kg液氫可儲電33.6 kWh，單個40 m3液氫罐式集裝箱可儲電8.4×104kWh，100 m3液氫罐可儲電21×104kWh，而50 000 m3的液氫球罐可儲電超過1×108kWh。

儲能的液氫同時作為能源對外供應(yīng)，如同汽、柴油和液化天然氣那樣運(yùn)輸?shù)綎|部能源消耗大的地區(qū)以作為交通工具的燃料，在供應(yīng)富裕時還可作為工業(yè)用氣和化工行業(yè)的原料。特別是化工行業(yè)，不論以何種化石能源制氫，都存在碳排放的問題，且大規(guī)模的碳捕集還存在技術(shù)難題，對實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)不利。因此，建議化石能源作為化工原料來使用，特別是碳排放量少的化工過程，將極大減少碳排放，減輕二氧化碳捕集的壓力。

據(jù)此，以液氫為路徑的可再生能源電氫體系路線如圖1所示。液氫是可再生能源發(fā)電端儲能和能源、工業(yè)應(yīng)用端的重要媒介，也可以說是實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的必由之路。

圖1 基于液氫的可再生能源電氫體系圖

2 液氫儲運(yùn)方式的優(yōu)缺點

液氫相對于高壓氫氣，具有多項優(yōu)點，主要在于液氫密度大，可實現(xiàn)儲存和運(yùn)輸規(guī)模大，儲運(yùn)方便、運(yùn)輸成本更低，液氫工作壓力低更安全，液氫儲重比高使得相同重量氫儲箱的車輛行駛里程更長，液氫供氫系統(tǒng)的氫氣純度更能滿足用戶需求等[10]。

1）液氫可以實現(xiàn)儲存規(guī)模極大[11]。與70 MPa高壓儲氫單個儲罐一般不超過5 m3相比，液氫的儲存壓力低，使得單個罐的容積可以做到非常大，占地面積小，這非常適合大規(guī)模的儲能應(yīng)用，同時也可將液氫以能源對外供應(yīng)。目前世界上最大的液氫儲罐是位于美國肯尼迪航天發(fā)射場的液氫球罐，容積3 800 m3[12]；挪威未來計劃建設(shè)單個容積50 000 m3的液氫儲罐[13]（圖2）。

圖2 計劃建設(shè)與現(xiàn)有液氫儲罐的大小對比圖[9]

加氫站一般在地價昂貴的城市，液氫加氫站因儲罐高效緊湊而占地面積更小，投資更小。

2）液氫易于實現(xiàn)大規(guī)模的運(yùn)輸，與高壓氫氣相比，儲運(yùn)更便利，能實現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。據(jù)估算，一輛40 m3液氫罐車的運(yùn)氫能力約等于8輛20 MPa管束車的能力，考慮到管束車剩余5 MPa壓力不太好利用，一輛40 m3液氫罐車的實際運(yùn)氫能力等于10輛20 MPa管束車的能力?？紤]車輛購置費用、運(yùn)輸油耗和過路費用等，車輛安全性提高（交通事故率降低），液氫運(yùn)輸成本只有高壓氫氣的約1/10，經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸距離可超過1 000 km。此外20 MPa管束車卸車時間數(shù)小時，甚至要等待1～2天，而液氫罐車裝卸時間短，一般0.5～1.0 h，大大提高了轉(zhuǎn)運(yùn)效率。這對于降低氫氣使用成本具有重要意義。

3）液氫使用更安全。液氫技術(shù)路線在整個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中壓力等級較低，一般不超過1 MPa，相對來說安全風(fēng)險較低，使用更安全。在德國，液氫加氫站可直接建在居民區(qū)，更適合商業(yè)推廣應(yīng)用，而高壓氫技術(shù)路線相對而言安全風(fēng)險更高。

4）液氫儲運(yùn)的儲重比可超過10%，比高壓氫儲運(yùn)高。因此在物流車、重卡及客車等長期規(guī)律運(yùn)行且需要供氫量大的商用氫燃料電池車上，更適合采用車載液氫供氫系統(tǒng)，相對于高壓儲存可攜帶更多的氫，續(xù)駛里程可超過1 000 km[14]，可大大減少對沿途加氫站數(shù)量的需求。

5）液氫在儲運(yùn)環(huán)節(jié)可保障氫氣的純度，是超純氫理想的供應(yīng)方式。

在液氫溫度下，除氦氣外的氣體雜質(zhì)都已固化，蒸發(fā)的氫氣純度很高，因此液氫供氫是全球公認(rèn)的大規(guī)模獲得超純氫的方式，相比于氣態(tài)提純技術(shù)具有高效可控、不易污染、品質(zhì)穩(wěn)定等特點。

具體到燃料電池行業(yè)，按照GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》[15]規(guī)定的氫氣質(zhì)量要求，總硫含量（體積分?jǐn)?shù)）要求不高于4×10－9，總鹵化物要求不高于50×10－9。當(dāng)前很多工業(yè)氫氣都很難滿足要求，而液氫技術(shù)路線在各環(huán)節(jié)的雜質(zhì)含量都得到有效控制。

另外，液氫還可為半導(dǎo)體、電真空材料、硅晶片、光導(dǎo)纖維等領(lǐng)域提供超純氫氣，擴(kuò)大了液氫的應(yīng)用范圍。液氫供氫用于煉鋼可大大提高鋼材的品質(zhì)，提升我國材料基礎(chǔ)工業(yè)的水平。

考慮到我國當(dāng)前氫能發(fā)展的現(xiàn)狀，液氫技術(shù)路線相對于高壓氫技術(shù)路線的劣勢則是液氫技術(shù)門檻高、液化過程能耗高等。

1）液氫路線的技術(shù)門檻比高壓氫技術(shù)路線高。尤其對我國而言，目前液氫主要集中在軍工航天部門使用，液氫相關(guān)技術(shù)在民用領(lǐng)域的推廣和普及度不夠。事實上，我國在液氫生產(chǎn)、儲運(yùn)及供應(yīng)等環(huán)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)成熟度與35 MPa高壓氫技術(shù)路線相當(dāng)，比70 MPa高壓氫技術(shù)路線成熟度要高得多。據(jù)報道，我國首套日產(chǎn)2 t具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氫液化裝置國產(chǎn)化率超過90%[16]，高壓氣氫路線的國產(chǎn)化率遠(yuǎn)沒達(dá)到這個水平。

2）液氫技術(shù)路線的能耗比高壓氫技術(shù)路線高。氫液化過程中的能耗，約為氫本身熱值的1/5～1/3，因此液氫制備能耗明顯更高[10]。

但是液氫技術(shù)路線、液氫工廠可以建在風(fēng)光發(fā)電廠旁邊電價便宜的地區(qū)，而在大規(guī)模用戶所在的大城市區(qū)，液氫在終端加注使用的能耗非常低，僅有1 kWh/kg(LH2)，約為氫能源車高壓加氫的1/6～1/4；加上運(yùn)輸及加氫站運(yùn)營等方面優(yōu)勢，綜合用氫成本與高壓氫相比甚至更低。而且相比于綠氫制備的電解能耗45～55 kWh/kg(H2)，氫液化的能耗占比約為制氫能耗的1/9～1/5，其能耗高低影響較弱。當(dāng)然，在氫能示范及發(fā)展初期氫能應(yīng)用規(guī)模不大、氫氣運(yùn)輸距離較短的情況下，液氫制儲運(yùn)技術(shù)路線的優(yōu)勢還不太明顯。

3 液氫發(fā)展路線參考

從國外的發(fā)展路徑來看，氫能的大規(guī)模儲運(yùn)必須走液氫路徑；從天然氣的發(fā)展過程來看，液氫也是主要的發(fā)展方向。

1）國外特別是美國液氫路線比較成熟。當(dāng)前，美國、德國、日本等氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的國家，氫氣高壓儲運(yùn)技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)較高，液氫儲供技術(shù)發(fā)展也已比較成熟[17]，加氫站中液氫儲供加氫站所占比例越來越高[14]。據(jù)統(tǒng)計，目前三國的加氫站約1/3為液氫供氫加氫站。

2）氫能的發(fā)展道路將與天然氣發(fā)展過程類似[8]。目前國內(nèi)外的天然氣貿(mào)易都是以液化天然氣（LNG）方式進(jìn)行的。車用天然氣一開始是使用高壓氣態(tài)儲存，裝備在很多乘用車上；隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，LNG在很多公交車、重型運(yùn)輸車上得到大規(guī)模應(yīng)用。目前，國內(nèi)的氣態(tài)天然氣加氣站已經(jīng)式微，很多業(yè)主紛紛改行做LNG或者向氫能轉(zhuǎn)化。

可以說，目前在氫能發(fā)展的示范階段和初級階段有國家和地方的補(bǔ)貼優(yōu)惠，用氫成本的影響因素較小。隨著氫能規(guī)?；l(fā)展，液氫是突破整個氫能體系規(guī)?；⑸虡I(yè)化運(yùn)營瓶頸的必由之路，同時也是實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的必由之路。

4 液氫應(yīng)用的三大角色

“碳中和”目標(biāo)下，液氫主要有三大角色：儲能介質(zhì)，能源媒介和工業(yè)原料。

作為儲能介質(zhì)，新能源電解制氫之后，并用電將氫氣液化，儲存在大型儲罐中；需要時將液氫氣化（冷能可以酌情利用），供給燃料電池或者燃?xì)漭啓C(jī)發(fā)電，輸送給電網(wǎng)。挪威計劃建設(shè)的50 000 m3的液氫儲罐，可儲電超過1×108kWh，約為三峽水電站年發(fā)電量的1/900，這個儲能量是現(xiàn)有所有抽水蓄能電站所無法企及的，對于調(diào)節(jié)電網(wǎng)穩(wěn)定是極為可觀的。液氫儲能對于避免像美國德州那樣的電力崩潰問題是容易實現(xiàn)的。當(dāng)然這屬于國家戰(zhàn)略，大型電力、電網(wǎng)企業(yè)需要從全局的角度來統(tǒng)籌建設(shè)。

作為能源媒介，制氫之后，將氫氣液化，以液氫方式運(yùn)輸?shù)揭簹鋬Υ婕託湔?。液氫在加氫站?nèi)的使用鏈條有3種模式，如圖3所示：①液氫儲運(yùn)的液氫加氫（L-LH2）；②液氫儲運(yùn)的高壓氣氫加氫（L-CGH2）；③液氫儲運(yùn)的高壓低溫加氫（L-CcH2）。3種模式中目前已在使用的是前兩種，第3種正處于實驗室研究階段，可能在不久的將來得到應(yīng)用。

液氫儲運(yùn)的液氫加氫（L-LH2）過程不需要壓縮機(jī)、增壓泵等動力機(jī)械，能耗很低。

液氫變成高壓氣氫加氫（L-CGH2）又有兩種途徑：

一種路線是儲罐內(nèi)的液氫經(jīng)高壓液氫泵后達(dá)到45 MPa或者90 MPa的壓力，進(jìn)入到復(fù)溫器中復(fù)溫后儲存加氫。

另一種路線是按照氣氫路線增壓加氫。儲罐內(nèi)的液氫先經(jīng)過復(fù)溫器復(fù)溫后，進(jìn)入（隔膜式）壓縮機(jī)后達(dá)到45 MPa或者90 MPa的壓力，然后給車加氫。

使用高壓液氫泵方式能耗更低，用氫成本更低，而且加氫過程中無需預(yù)冷，相對于先氣化再增壓方式具有明顯優(yōu)勢，是今后氣氫加氫的主要發(fā)展方向。

作為工業(yè)特氣或者工業(yè)原料，液氫可為電子元器件、硅晶片、光導(dǎo)纖維、煉鋼等工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)提供超純氫氣作為還原氣或者保護(hù)氣。近年來，冶金行業(yè)作為碳排放大戶（如煉鋼企業(yè)每噸鋼排放CO21.8 t），提出用氫氣來代替焦?fàn)t氣作為還原劑，可實現(xiàn)碳近零排放。而且液氫供氫雜質(zhì)微量，用來合金冶煉，很容易控制產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量，可獲得很高的合金品質(zhì)，將極大地提高冶金行業(yè)特別是特種合金的技術(shù)水平，促進(jìn)我國基礎(chǔ)工業(yè)的轉(zhuǎn)型提升，進(jìn)一步帶動下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5 液氫產(chǎn)業(yè)鏈需要解決的難題

2021年9月，由北京航天試驗技術(shù)研究所研制的我國首套自主知識產(chǎn)權(quán)的氦膨脹制冷氫液化裝置成功生產(chǎn)出液氫，產(chǎn)能超過2 t/d，仲氫含量97.4%，國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上；并再次啟動完成了72 h連續(xù)運(yùn)行可靠性驗證。國內(nèi)中央電視臺、新華網(wǎng)等各大媒體都進(jìn)行了報道[16]。此套氫液化裝置的成功，使得國內(nèi)的液氫技術(shù)取得長足的進(jìn)步，完全能夠滿足目前示范階段的推廣應(yīng)用需求。

但是，為適應(yīng)氫能的發(fā)展，液氫得到大規(guī)模應(yīng)用，還需要有多項技術(shù)難題需要解決：

1）中大型氫氣液化裝置研制。中大型氫氣液化裝置一般以氫氣膨脹循環(huán)為主要的制冷流程[18-20]，特別是大型氫透平膨脹機(jī)是關(guān)鍵核心制冷部件，因相同膨脹比條件下氫氣膨脹過程中焓降大，轉(zhuǎn)速比空氣、氦氣等膨脹機(jī)要高得多，對膨脹機(jī)動平衡特性要求更高，同時要盡可能提高膨脹機(jī)的絕熱效率，降低氫液化的能耗；在液化過程中的正、仲氫轉(zhuǎn)化要在換熱降溫的同時實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)化。這些在國內(nèi)尚無成熟應(yīng)用技術(shù)，需要有針對性的開展研發(fā)，使得氫透平膨脹機(jī)效率可超過80%，中型氫液化裝置的能耗小于12 kWh/kg(LH2)，大型氫液化裝置的能耗小于9 kWh/kg(LH2)[21]。

圖3 液氫儲運(yùn)加氫站的加氫模式示意圖

2）大型液氫球罐。國內(nèi)目前在用的液氫罐都是圓柱形的，而大型液氫罐一般是球型的。球型低溫罐在國內(nèi)已有應(yīng)用案例，主要用于液氮、LNG等，從幾百立方米到幾千立方米都有，可以作為液氫球罐的研制參考。主要的改進(jìn)方向是在強(qiáng)度足夠的前提下，減少支撐減少漏熱，使得千立方米量級的液氫罐日蒸發(fā)率低于0.05%。

3）高壓液氫泵。高壓液氫泵是用于在加氫站中將液氫直接增壓到45 MPa或者90 MPa，然后再氣化給氫能車加氫。將液氫直接增壓再氣化加氫，比先氣化再增壓加氫的能耗要低得多，因此將是未來液氫供氫加氫站的主流工藝過程。液氫泵在這一過程中既涉及到低溫又涉及到高壓，可以說是目前液氫路線上的最大難點之一，需要材料、流體、傳熱等多學(xué)科共同解決，絕不是現(xiàn)有的高壓液氮泵改進(jìn)就可以實現(xiàn)的。因而需要國內(nèi)的科研力量集中解決。

4）液氫罐箱。目前國內(nèi)液氫和壓力容器領(lǐng)域內(nèi)專家認(rèn)為，液氫罐式集裝箱將是國內(nèi)最先能夠批準(zhǔn)上路的液氫運(yùn)輸方式。40英尺標(biāo)準(zhǔn)罐箱（容積約為40 m3）將是主流。液氫罐箱與液化天然氣罐箱相比，其對漏熱蒸發(fā)的要求更高，可在LNG罐箱的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，減少漏熱，延長液氫不放空儲存時間。國內(nèi)目前有中集等企業(yè)正在進(jìn)行液氫罐箱的研發(fā)。

5）液氫快速加氫槍。類似于LNG快速加注槍，根據(jù)用途的不同研制不同口徑的加氫槍，可用于給車載液氫供氫系統(tǒng)加注液氫，給液氫罐箱加氫等。既要實現(xiàn)快速連接斷開功能，還要保證可靠密封，同時漏熱要盡可能小。一般指標(biāo)要求漏率10－6Pa·m3/s，液氫流經(jīng)溫升小于1 K。

6）液氫輸送泵。用于液氫儲罐之間、儲罐與運(yùn)輸罐之間的液氫快速轉(zhuǎn)注，或者將液氫增壓到某一需求壓力后供用戶使用。與活塞式高壓液氫泵不同，液氫輸送泵一般采用軸流型式或者離心型式。因為大型液氫儲罐特別是球罐，其工作壓力很低甚至是常壓，難以采用外增壓或自增壓方式輸送，或增壓到用戶所需的工作壓力。一般液氫罐之間轉(zhuǎn)注用的液氫輸送泵其流量要求為100 m3/h、200 m3/h直至1 000 m3/h等標(biāo)準(zhǔn)系列，出口壓力一般要求大于0.2 MPa；而增壓用的液氫輸送泵出口壓力根據(jù)用戶需求一般要求達(dá)到2～3 MPa。

6 結(jié)束語

隨著氫能規(guī)?；l(fā)展，液氫是突破整個氫能體系規(guī)?；⑸虡I(yè)化運(yùn)營瓶頸的必由之路，同時也是實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的必由之路。本文參考國外氫能發(fā)展路線和LNG的發(fā)展歷程，以可再生能源與液氫結(jié)合的電氫體系為基礎(chǔ)，制訂基于液氫的產(chǎn)業(yè)路徑，分析液氫路線優(yōu)缺點，探討“碳中和”目標(biāo)下液氫所承擔(dān)的三大角色，指出液氫產(chǎn)業(yè)鏈需要解決的難題，為今后氫能的規(guī)?；⑸鐣l(fā)展奠定基礎(chǔ)。