科普 | 什么是低溫液態儲氫？

氫能應用過程中，儲氫對于氫能利用至關重要。目前主流的儲氫技術以氣態儲氫為主，但由于氣態儲氫存在儲量小、耗能高、已泄露等劣勢。儲氫技術目前急待解決的關鍵問題是提高儲氫密度、儲氫安全性和降低儲氫成本。而液氫密度為70.78kg/m3，是標準情況下氫氣密度的850倍左右，儲運安全方便、運輸成本更低，被認為是實現氫氣大規模儲存和運輸的有效途徑。

低溫液態儲氫的定義

低溫液態儲氫是指將氫氣經過壓縮后，深冷到約-253°C以下，使之變為液氫，然后存儲到特制的絕熱真空容器中。液氫最早用于航天航空領域，因為液氫燃料在航天領域是一種難得的高能推進劑燃料。氫的能量密度高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可降低2/3。

液氫存儲示意圖

低溫液態儲氫的優勢

液化氫大大提高了氫的密度和儲存運輸效率，液氫密度可達到70.78kg/m3，是標準情況下氫氣密度(0.089g/L)的850倍，是80MPa復合高壓下氣態儲氫密度(33kg/m3)的大約2.2倍。

液氫還能大大提高氫氣的純度，在液態溫度下，氫中的大部分有害雜質被去除凈化，從而可得到純度>99.9999%的超純氫氣，即可滿足下游氫燃料電池的應用要求標準。

與此同時，由于氫氣的液化臨界溫度極低(-253°C)、沸點低(20.3K)、潛熱低、易蒸發，與常溫環境溫差極大，這就對液氫儲存容器的隔溫絕熱性要求很高。對于大規模、遠距離的氫能儲運，低溫液態儲氫運氫有較大優勢。

低溫液態儲氫的缺點

低溫液態儲氫與其他儲氫技術相比除了有一定優勢外，還有一些缺點不容忽視。

1. 制備成本高

制備1kg液氫需要耗費12~17kWh的電量。

2. 存儲難度大

液氫的沸點極低（20.37K），與環境溫差極大，對容器的絕熱要求很高，且液化過程耗能極大。

3. 運輸過程中的損失

在儲運過程中部分液氫會不可避免的出現汽化蒸發，導致其蒸發有多種影響因素，包括氫的正-仲轉化、漏熱、熱分層、晃動以及閃蒸等。

4. 絕熱技術要求高

為了保證低溫、高壓條件，不僅對儲罐材質有要求，而且需要有配套的嚴格的絕熱方案與冷卻設備。

5. 儲罐容積較小

低溫液態儲氫的儲罐容積一般較小，氫氣質量密度為10%左右。

6. 商業化進程緩慢

我國當前液氫產能較低，氫液化產業規模較小，下游市場需求也不夠旺盛，多種因素的疊加造成了低溫液態儲氫商業化進程緩慢。

低溫液態儲氫產業鏈

液氫產業鏈主要包括氫液化、液氫儲運和液氫加注環節。

氫液化：目前大型的液氫工廠普遍采用液氮預冷型Claude系統，液化流程中主要用到壓縮機、換熱器、低溫透平膨脹機、正-仲氫轉換器以及節流閥等設備。

液氫儲運：低溫液氫的存儲技術關鍵在于液氫儲罐，根據其使用形式可分為固定式和移動式，大型的固定式儲罐一般都采用球型，中小型的液氫儲罐普遍采用立式或臥式的圓柱形。移動式液氫儲罐廠采用臥式圓柱。國產化方面，目前我國已經完全具備了生產液氫貯罐的能力。

液氫加注：液氫泵是提高能效、降低成本并適用于液氫產業市場化和大規模應用的關鍵核心設備。

低溫液態儲氫的成本分析

低溫液態儲氫的成本主要包括制備成本、運輸成本以及儲存過程中的能耗成本等。以下是具體的分析：

制備成本

制備1kg液氫需要耗費12~17kWh的電量3。此外，為了長時間保持低溫狀態，還需要使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐、嚴格的絕熱方案與冷卻設備，這些都會增加額外的成本。

運輸成本

液氫的運輸成本受多種因素影響，包括運輸方式、運輸距離等。例如，液氫槽罐車的容量大約為65m3，每次可凈運輸約4000kg氫氣，儲重比一般可超過0.1：1。相比之下，高壓容器儲氫成本較低。

儲存過程中的能耗成本

為了保持液氫的低溫狀態，需要不斷進行冷卻，這將導致能耗增加，從而提高儲存成本。此外，液氫在儲運過程中部分液氫會不可避免的出現汽化蒸發，導致其蒸發有多種影響因素，包括氫的正-仲轉化、漏熱、熱分層、晃動以及閃蒸等。液氫儲罐的絕熱效果直接影響液氫在儲運過程的損耗率。

液氫產業發展核心在于規模效應，當規模擴大時，氫液化的能耗和單位成本將顯著降低，液氫達到足夠的規模后將更具經濟性。據報道，液化規模為5噸/天及以下時，氫液化的綜合能耗將超過15kWh/kg·H2；當液化規模達到10-30噸/天時，氫液化的綜合能耗約為9-14kWh/kg·H2；當液化規模擴大至150噸/天，氫液化能耗可降低至6kWh/kg·H2。

中國和世界液氫存儲現狀

在國內，液氫曾經主要應用于航天和軍事領域，隨著氫能在國內的發展在2016年呈現井噴式發展，液氫的使用逐漸向民用市場擴展。國內外已經有投入使用的液氫儲罐。目前使用中最大的液氫儲罐位于美國NASA，容積為3200立方米，可存儲227噸的液氫。據悉新的4700立方米的球狀儲罐的建設于2019年啟動，并且預計于2022年投入運行。

各國液態儲氫規模和計劃

中科院理化所研究院謝秀娟博士曾在演講中表示：國內已經開發完成300m3移動式和固定式液氫貯罐，并成功應用于航天發射場，正在研制大型液氫球罐和民用液氫槽車。預計到2035年，國內將出現高壓氣氫儲運、液氫儲運和管道儲運等多種氫氣儲運形勢并存的局面。

來源：中科院理化所謝秀娟演講PPT

目前，全球液氫產能達到485t/d。美國（共計18套裝置，總產能為326t/d）和加拿大（共計5套裝置，總產能81t/d）的液氫產能占據了全球液氫總產能的80%以上。我國具備液氫生產能力的文昌基地、西昌基地和航天101所，均服務于航天火箭發射領域。

在民用液氫領域，由101所承建的國內首座民用市場液氫工廠（產能為0.5t/d）和研發的具有自主知識產權基于氦膨脹制冷循環的國產噸級氫液化工廠（產能為2t/d）已分別于2020年4月和2021年9月成功施工，將我國的液氫產能提升至6t/d。但距離發達國家的液氫產能規模，仍有較大差距。

綜上所述，隨著全球對可再生能源和低碳技術的重視，低溫液態儲氫作為一種高效的能源儲存和運輸方式，其發展前景廣闊。特別是在海上運輸方面，液氫的高儲運密度和適合長距離運輸的特點，使其成為解決可再生能源地理分布不均的有效手段。未來，通過技術創新和成本降低，低溫液態儲氫有望成為氫能產業鏈中的重要環節。

素材來源：中科院物理所等網絡資料整合