液氫：高效能源儲存和運輸的選擇

在不斷尋求更清潔、更可持續的能源解決方案的過程中，氫已成為領跑者。隨著工業和國家尋求減少碳足跡，氫提供了一個有希望的替代方案。然而，氣態的氫在儲存和運輸方面有著不小的挑戰。

在某些情況下，將氣態氫轉化為液態就是解決方案。但是我們為什么要液化氫，這個過程的利弊是什么？在本文中，我們將探討液氫的科學、應用、風險和優勢，為從事研究、開發和采購的專業人士提供關鍵見解。

本文主要內容：與氣態氫相比，液氫的能量密度更高，更容易運輸和儲存。液化是非常能源密集型的，到目前為止，氫的成本超過了經濟上可行的水平，但正在進行的研究旨在提高其效率。液氫的風險包括低溫燒傷、氫脆和可燃性，但通過正確的安全措施，這些都是可以控制的。液態氫的關鍵應用包括空間探索、燃料電池、工業和可再生能源存儲。

為什么把氣態氫變成液態氫？

將氫轉化為液體的主要原因很簡單：效率。在氣態狀態下，氫的能量密度很低，這使得它難以大量儲存和運輸。液化它會壓縮氫，顯著減少氫的體積——減少了大約800倍。

Stargate Hydrogen的首席技術官Rainer k ngas博士解釋說：

“氫氣非常輕，從純粹的能量密度的角度來看，如果你試圖大規模存儲它，你要么使用超大的儲罐，要么將其壓縮到高壓。通過將氫轉化為液體，可以使其更緊湊，更容易遠距離運輸。但還有其他方面需要考慮，比如液化的能源消耗。在某些情況下，將氫氣轉化為氨或甲烷用于運輸更有意義，因為這些化學物質更容易運輸，也更便宜。”

液氫的優點

更高的能量密度：在液體狀態下，氫的能量密度比氣態高得多。這意味著更多的能量可以儲存在更小的空間里。

高效運輸：氣態的氫需要高壓容器進行運輸，這既昂貴又復雜。另一方面，液態氫可以更容易地通過低溫儲罐移動。在物流方面，液氫在長途運輸中更為實用。

長期儲存：另一個優點是液氫可以儲存更長的時間，而不需要經常使用高壓容器。這使得它適用于存儲時間至關重要的應用，例如能源備份系統。

液態氫的缺點

雖然液態氫在密度和儲存方面具有明顯的優勢，但它也有自己的一系列缺點：

能源密集型過程：液化氫并不容易。這個過程消耗了大量的能源——大約需要氫本身所含能量的30%。

正如Rainer k ngas博士指出的那樣，“將氫冷卻到液態所需的能量是巨大的。我們需要平衡這種能源成本和液氫運輸和儲存的整體效益。”

特殊的儲存要求：儲存液氫需要能夠保持低至-253°C溫度的低溫罐。這些儲罐價格昂貴，需要先進的技術來確保氫保持液態。

“挑戰不僅僅是冷卻氫氣；它必須使液體在很長一段時間內保持在那個溫度，”Rainer k ngas博士說。

蒸發損失：即使使用最好的低溫儲存系統，隨著時間的推移，一些氫也不可避免地會蒸發。這種逐漸的損失必須考慮到使用液氫的整體效率和成本。然而，與氣態加壓儲氫相比，損失要小得多。

液化的原理

將氫轉化為液體的過程被稱為低溫液化，這是一項不小的壯舉。下面是它的工作原理：

氣體收集：該過程從氫氣開始，通常通過電解(將水分解成氫和氧)或天然氣重整等方法產生氫氣。

壓縮：氫氣被分階段壓縮，為冷卻做準備。壓縮本身不足以液化氫，但它是減少冷卻所需總能量的關鍵一步。

冷卻到低溫：氫氣需要冷卻到-253°C才能變成液體。這需要能夠達到低溫的專門冷卻設備。需要一系列的壓縮機和熱交換器來降低溫度，使氫從氣體轉變為液體。

低溫儲罐：氫氣液化后，儲存在專門設計的低溫儲罐中。這些儲罐不僅能使氫氣保持在所需的溫度，而且還能防止蒸發和泄漏。維持這些儲罐所需的能量是使用液氫的整體效率的一個因素。雖然液態氫的優點和缺點都很清楚，但了解處理它所涉及的風險也很重要。安全是重中之重，尤其是在處理像氫這樣易揮發的物質時。

低溫灼傷：最直接的風險之一是液態氫的極冷。在-253°C的溫度下，直接接觸會導致嚴重的低溫灼傷。處理液氫需要專門的設備和協議來確保安全。任何與皮膚或普通材料的接觸都會導致嚴重的損傷。

氫脆：與液氫相關的另一個風險是氫脆，金屬接觸氫會變脆，容易開裂。這對儲罐、管道和其他基礎設施來說尤其成問題。氫脆會導致材料出現意想不到的故障，因此我們必須使用專門設計的金屬和合金來抵抗這種影響。

可燃性和爆炸危險：氫是高度易燃的，它的低點火能量使它很容易在空氣中點燃。在處理液氫時，即使是很小的泄漏也會造成重大風險。氫氣在空氣中燃燒時發出看不見的火焰，這使得它更難被探測到。安全措施是確保立即解決任何泄漏的關鍵。

儲存壓力積聚：隨著時間的推移，即使是最好的低溫儲罐也會使液氫蒸發，導致壓力積聚。如果沒有適當的安全措施，這種壓力可能會導致危險的情況。這就是為什么存儲系統必須包括壓力釋放機制，以避免潛在的爆炸。

液態氫可以用在哪里？

隨著工業尋求更清潔的能源解決方案，液態氫的應用越來越廣泛。

太空探索：液態氫作為火箭燃料已經在太空任務中使用了幾十年。它的高能量密度和高效燃燒使其成為航天器的理想動力。長期以來，美國宇航局一直依靠液態氫來推動火箭進入太空。

汽車燃料電池：氫動力汽車正變得越來越普遍，尤其是以燃料電池的形式。燃料電池將氫轉化為電能，為電動機提供動力，唯一的副產品是水蒸氣。液態氫是一種很有前途的替代傳統燃料的交通工具，特別是對于需要大量燃料的重型車輛，如公共汽車和卡車。

工業應用：液態氫用于各種工業過程，從精煉金屬到生產肥料用氨。它也是一些化學反應的關鍵成分，使其成為許多工業的重要資源。

發電和儲能：也許液氫最令人興奮的應用之一是在儲能領域。太陽能和風能等可再生能源產生的多余電力可以用來生產氫氣，然后將其液化并儲存起來。當電力需求激增時，氫可以重新轉化為電力。液態氫可以在穩定電網和支持可再生能源方面發揮重要作用。