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2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.009氢能储运技术优缺点比较分析及未来发展探讨（嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴 314100）摘要 氢能是最具有发展前景的二次能源之一。大力发展氢能产业对我国应对全球气候变化、推动能源革命和实现碳达峰碳中和国家战略目标具有重大意义。氢能产业发展进程中如何实现高效、低成本的氢能储运成为一大难题。通过对现有氢能储运技术的优劣势进行分析，从储氢和运氢 2 个方面探讨了适合我国未来氢能储运发展的路径。关键词 氢能；储运；发展；经济；高效中图分类号TK91文献标识码A文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0030蛳 040引言氢能是一种清洁、高效、无碳的可持续发展能源。发展氢能产业对我国应对全球气候变化、推动能源革命和实现碳达峰碳中和国家战略目标具有重大意义。在氢能行业高速发展的同时，氢能成本过高是制约其发展的重要原因之一，其中储运成本约占总成本的 30%。因此，选择最为合适的储运模式、降低储运成本对实现氢能产业的蓬勃发展尤为重要。国家能源局综合司关于建立 “十四五”能源领域科技创新规划 实施监测机制的通知（国能综通科技 2022 99 号）明确提到对氢能储运技术的研究与攻关与示范试验。1储氢技术路径的优缺点比较分析根据氢的气体特性与储存行为特点，目前现有的储氢方式大致分为：高压气态储氢、低温液态储氢、有机化合物储氢、金属氢化物储氢、物理吸附储氢等。高压气态储氢是指将氢气压缩在储氢容器中，通过增压来提高储氢容量，满足日常使用。这是一种应用广泛、灌装和使用操作简单的储氢方式。其优点是设备结构简单、氢气压缩耗能低、充装和排放速度快。其缺点是储氢密度低，安全性较差咱1暂。在我国当前氢气短距离运输的应用场景来看，高压气态储氢在现在及未来很长一段时间内都仍将占据举足轻重的地位。低温液态储氢是将氢气低温液化后存储到特制的真空绝热容器中。由于低温液态氢高密度的特性（70.78 kg/m3），相较于传统的高压气态储氢其拥有更高的能量储存密度。虽然液化氢气技术门槛高、液化过程能耗高，制取 1 kg 液氢需消耗约为12 kW h 的电量，相当于运输氢能的 30%。但是其储运方便、运输成本低、氢气纯度高等特点对于大规模、远距离的氢能储运来说具有较大的优势。突破液氢商业化应用，将是未来我国氢能发展规划的首要目标。有机化合储氢是指利用氢气与有机介质的化学反应，从而可在常温常压下，以液态形式进行储存和运输，并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气加注到车辆储氢罐中咱2暂。有机液态储氢的优点是储氢密度高，储运过程安全高效，可使用储罐、槽车、管道等已有的油品储运设施运输。但其较依赖催化剂、释氢效率有待提高、技术成熟度较低等都是这项技术亟待解决的致命缺点。若能率先解决上述问题，有机化合物储氢将成为我国氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。金属氢化物储氢是以金属氢化物形式吸附氢，本质是金属合金与氢发生可逆反应时生成的一类氢化物，然后加热氢化物释放氢。其未来潜力巨大，尤其适合燃料电池汽车上使用，具有储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全性好、可循环使用等优点。但是释氢条件苛刻、技术运用还不成熟、质量效率低都是制约其发展的因素。因此近期我国并不适合将此类技术推广至商用领域。物理吸附储氢是利用氢气对固体材料在特定条件下良好的、可逆的热力学吸附、脱附性能，目前碳质材料使用较多，主要包括活性炭、碳纤维和纳米碳管等。这类储氢方式所使用的储氢材料具有高基金项目：国家级大学生创新训练计划项目（202210354009）能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4302023 年 8 月Aug.,2023比面积、低温储氢性能好、安全可靠、可循环利用等优势咱3暂。物理吸附储氢仍存在许多弊端，例如机理认识不完全、常温或高温储氢性能差、制备成本较高等。虽然我国目前已将高效储氢的纳米碳质材料研究列为重点研究项目，但仍不主张对此类储氢技术过早投入商业化领域。综上所述，在当前现有的储氢技术中，使用单个储氢技术都会存在各自的弊端，具体比较内容如表 1 所示。在经济、合理、安全、高效的情况下，需综合分析并运用各种储氢技术，继续开发尽可能降低氢气的体积、获得较高体积储氢密度和质量储氢密度的储氢技术。冯展博，等氢能储运技术优缺点比较分析及未来发展探讨表 1储氢技术路径的优缺点比较分析储氢方式高压气态低温液态有机化合物金属氢化物物理吸附质量储氢密度/%15.75.17.446.74.57.6612体积储氢密度/（kg m-3）14.5644073.71064050技术原理将氢气压缩于高压容器中，储氢密度与储存压力、储存容器类型有关低温条件下对氢气进行液化利用可循环液体化学氢载体储氢利用不同金属材料对氢的吸附作用强弱实现氢分子的储存与释放物理吸附采用分子筛、高比表面积活性炭和新型吸附剂（纳米材料）等材料优点储存能耗低、充放氢速率可调、运输方便体积质量储氢密度大、远距离输运成本低、加注效率高、安全性相对较好储氢密度高、安全性较好、储运方便安全性高、储存压力低、运输方便压力适中、储存容器自重轻、形状选择多样、安全性高缺点储氢密度提升难、容器耐压要求高、长距离运输成本高液化过程能耗高、使用过程冷能利用率低、容器绝热性能要求高涉及化学反应、技术操作复杂、含杂质气体、往返效率相对较低存在价格较高的现象、释氢杂质多、寿命短、储存释放条件苛刻等问题普遍存在价格高、单位质量储氢密度低、储存释放条件苛刻等问题技术成熟度发展成熟，广泛应用于车用氢能领域国外约 70%使用液氢运输，安全运输问题验证充分距离商业化大规模使用尚远大部分处于研发试验阶段距离商业化大规模使用尚远分析结论比较适合当前我国氢能产业规模建议大力推广首要目标是尽快突破其民用技术水平应抢抓先机重点突破大规模商用当前阶段不建议运用在商业领域不建议过早民用化2运氢技术路径的优缺点比较分析通常储氢状态、运输量和运输距离是决定氢气的运输方式的关键要素，主要有高压气氢运输、低温液氢运输、管道运输和船舶运输 4 种方式。高压气氢运输分为长管拖车和管束式集装箱2 种，它们一般由数只储氢气瓶组成。我国长管拖车运输氢气技术较为成熟，短距离运输成本较低，比较适合当前我国氢能产业的发展规模，是近期不可替代的运氢方案。然而，我国当下用于高压气氢拖车运输的储氢气瓶主要以工作压力 20 MPa 的纯钢制 I 型瓶为主。单车运输氢气约 380 kg，装运的氢气质量只占总运输质量的 1%2%咱4暂，卸气一般需要 26 h，运输效率较低。其只适用于氢气输送距离不太远，同时需用氢气量不太大的应用场所。这与国外领先技术仍有一定差距，国外主要采用 45 MPa纤维全缠绕高压氢瓶长管拖车运氢，单车运输氢气可达 700 kg。低温液氢运输方式主要采用液氢槽车，其通常搭载水平放置的圆筒形低温绝热槽罐。汽车用液氢储罐其存储液氢的容量可以达到 100 m3，运氢量相当于 20 辆运输高压气氢的长管拖车，铁路用特殊大容量的槽车甚至可运输 120200 m3的液氢，在储氢量、安全性方面都高于高压气氢运输，在长距离运输成本方面更是远远低于高压气氢运输。事实上，除了考虑常规液体运输过程中所涉及的冲击和震动等因素外，液氢运输当下痛点问题是在我国现有技术条件下，液化过程的能耗巨大、液化设备资金昂贵、储运过程不乏一定的排空损耗，无法大规模使用。管道运输是一种实现大规模、长距离的运氢重要方式，运输效率高并且成本较低。由于氢气需在低压状态下（工作压力 14 MPa）通过管道形式运输，相比高压运氢安全性好、能耗更低且运氢量更大。虽然我国目前已有多条输氢管道正在运行，但是一方面氢气管网布局相较于欧美等先进国家还有较大提升空间，另一方面与国内的油气管道相比差距仍然巨大，我国需加快开展管道建设工作。加312023 年 8 月Aug.,2023之“氢脆”现象的存在，容易使管道断裂产生泄漏。因此，管道需采用蒙耐尔合金等特殊材料，进而导致建设的初始投资较大，最后建设周期长、土地审批流程缓慢繁琐、运能利用率不高等一系列实际问题，都不利于这一运输方式的发展。船舶运输是当下发展最好的大运量、大运距的运氢手段，足以满足国际氢能贸易的需求。2022 年1 月 20 日，随着全球首艘液氢运输船“SUISOFRONTIER”抵达澳大利亚，日本完成全球首次液氢海上驳船运输实践。这艘运输船搭载了能够储存1 250 m3液化氢的椭圆形储罐，在未来液氢驳船运输中将抢占日本近半氢气运输市场。此外，处于研发验证阶段的有机化合物储氢，其最大的特点是常温下为液态，能够采用船舶方便地储存和运输，而且化合物储氢材料安全指标远高于汽油、柴油等传统能源。综上所述，每种运氢方式都有各自的特点，具体比较分析如表 2 所示。随着氢能产业的快速发展，各类运氢技术将更为成熟，同时伴随着运输距离及资源禀赋的不同，未来将会形成多种运氢方式并行的局面。表 2运氢技术路径的优缺点比较分析运氢方式高压气氢运输低温液氢运输管道运输船舶运输运输距离/km200200500500运输量/（kg/次）3807 000-约 80 000适用场景运输量较小、运输距离短的城市内配送规模中等、中距离的跨城市与城市内配送运输量大、运距长的国际、跨城市与城市内配送规模化、长距离的国际与跨城市配送优点缺点灵活便捷、技术成熟、运输成本较低运输量小、效率低、安全性较差运输量较大、运输效率高、运输距离较长冲击和震动因素影响较大、液化氢气能耗高、设备昂贵、排空损失运输量特大、运输距离特长投资成本高、建设周期长、“氢脆”危害大运输量大、运输成本低、运距长运载速度慢、周期较长、易受天气影响、易受港口的配套设施限制3未来氢能储运技术的发展路径3.1气氢储运发展路径3.1.1气氢储存开发轻量化容器。高压气氢运输虽然在一定储运距离以内经济性最高，但是高压储氢容器致命的缺点在于自重大，氢气的密度又很小，导致运输效率不高。因此，未来应积极开发轻质储氢压力容器以提高长管拖车的动力性能和运输效率。寻求规模化发展。氢能行业的发展具有规模性的特点，如果我国在未来能扩大相关设备生产量，那么设备的单位成本将在规模效应下逐步下降。例如，当储氢容器需求量从 10 个增加到 100 个时，储氢容器成本下降幅度约为 45%。注重设备安全性。储氢容器属于特殊用途的高压容器，是加氢站及氢气储运场景的关键设备。由于“氢脆”等风险效应的存在，其安全性能也需要格外关注，除了要加强氢气泄漏及火源检测、安全使用和规范管理外，也要从设计环节开始采用合适的材料、合理的容器结构以提高本质安全性。3.1.2气氢运输实现高压力运输。由于国内标准约束，长管拖车的最高工作压力限制在 2030 MPa。若国内放宽对储运压力的标准，那么相同容积的管束可以容纳更多氢气，可有效降低氢气销售成本和适应 70 MPa压力等级加氢站的建设需求。积极探索掺氢天然气运氢。周承商等咱5暂对天然气掺氢运输可行性做了研究，即对原有天然气管网进行适当地改造，从而使用已有管网输送氢气。但掺氢比例不易过高，否则，容易形成安全隐患。2022年，中国石油管道局工程有限公司承建的宁夏宁东天然气掺氢降碳示范化工程项目的主体工程完工，该项目建成后将成为国内首个燃气管网掺氢试验平台，可以实现管道掺氢环节、输送环节和用户环节全流程验证。试验数据对今后制定燃气管网掺氢比例标准具有重要的指导意义。提高管道运能利用率。氢能的供应和消费呈逆向分布，在资源上呈现“西富东贫，北多南少”的格局，而在需求上恰恰相反。加之管道运输成本受运能利用率影响较大，理应在对氢能资源需求稳定的地方优先建设管道，以进一步减少氢气销售成本和资金回本周期。3.2低温液态储运发展路径3.2.1液氢储存提高液化系统效率。面向未来大规模的液氢生产需求，首要途径是，对于大规模液氢装置通过改能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4322023 年 8 月Aug.,2023善预冷液化循环、改进压缩机和膨胀机工艺设备等途径，降低氢液化系统的综合能耗和投资成本。另外，正仲氢转换装置的设计也极为关键。由于氢液化过程中独有的正仲氢转化过程，其转化速度过慢将极大地影响液化效率。目前国内采用的使正仲氢快速转化的催化剂极度依赖进口，需要加紧开展实验研究。扩大液氢生产规模。液氢的生产和应用成本具有较强的规模经济性。国内液氢还仅限于航天领域，目前鸿达兴业、嘉化能源、中科富海等多家企业正在积极推动民用液氢市场发展。未来可适当吸引龙头企业、投资现有的氢能化工园区以减轻企业科研的经费压力，这样，提升液氢生产和储存的规模化、经济化和国产化只是时间问题。突破储存关键技术。液氢对存储容器的绝热性能要求极高，从技术途径角度，液氢储运主要采用减小热传导的被动绝热技术和在此基础上叠加的主动制冷技术，以减少漏热或产生额外冷量。除此之外，液氢存储容器的关键技术还包括容器内胆外壳间的支撑结构、低温材料选材、压力安全、用氢安全等。国内目前机械加工精度仍有待提高，相关理论与实验研究有待开展。3.2.2液氢运输利用蒸发气体。液氢的日蒸发损失约为 0.1%1%，大量的蒸发气体会增大储罐的内部压力，引发安全隐患，罐体配备的安全阀能及时排出多余气体，但会造成大量氢能的浪费。传统的处理办法是将氢气再液化，然而其耗能太大，仍然不经济。未来最好的方法是在运输工具上配备双燃料推进系统，将液氢储罐产生的蒸发气体提供给推进装置。一方面能够利用蒸发的氢气，另一方面也有利于降低排放。船运针对性设计。当前急需开发适合液氢驳船的货物装卸系统，并配备真空绝热双壁管，使其可以在短时间内完成液氢装载，以及最大限度地减少在装载过程中造成的蒸发损失。船体和吃水的设计也需要考虑液氢货物的比重低的特点，应降低推进所需的马力，从而提高推进性能。此外，应进行风险评估以确保安全，消除液氢对船员、船舶环境、结构强度和整体船舶稳健性造成的风险。3.3其他储运方式发展路径选取适宜的有机储氢介质。不同的有机介质储氢效率差距很大需谨慎选取。2017 年，在日本新能源和工业技术发展组织（NEDO）指导下“先进氢能源链技术开发协会（PREST）”积极探索有机液态储氢的商业化运营示范，实现从文莱到日本的基于有机液态储氢的长距离海运输氢。计划于 2020 年正式运营，达产后年运输规模达到 210 t。该项目主要利用甲基环己烷作为载体，由日本千代田公司开发的催化剂咱6暂。综合提升固态储氢介质性能。固态氢气运输目前尚未有案例，主要原因是储氢合金价格高（通常每吨高达几十万元）、性能糟糕、长距离运输不具备经济性。未来仍需开发新式固态储氢介质或提升原有介质的性能，如提升放氢速度、改善释氢条件、研究轻质储氢材料（如镁基储氢材料），未来固氢运输有望丰富短距离运氢途径。4结语通过对各种储运方式的分析及未来展望，基于国内目前的氢能产业发展，高压气态储运氢是最高效且符合现实需求的。放眼我国未来氢能产业发展，如果能解决低温液态储运氢和管道运氢所面临的技术问题，这 2 种方式也将成为我国氢能产业发展的有力推手。特别是船舶运输，更具有极其广阔的应用场景。材料储运氢，受限于技术发展，距成为主流储运氢方式仍有一定的距离。若国内能依托现有的资源和优势，选择最适合其发展的储运方式，实现储运的安全化、高效化、经济化，将为我国氢能产业发展提供更加有力的保障。参考文献1蔡颖，许剑轶，胡峰，等.储氢技术与材料 M.北京：化学工业出版社，2018.2 曹军文，覃祥富，耿嘎，等.氢气储运技术的发展现状与展望 J.石油学报（石油加工），2021，37（6）：1461-1478.3 殷卓成，杨高，刘怀，等.氢能储运关键技术研究现状及前景分析 J.现代化工，2021，41（11）：53-57.4 冯成，周雨轩，刘洪涛.氢气存储及运输技术现状及分析 J.科技资讯，2021，19（25）：44-46.5 周承商，黄通文，刘煌，等.混氢天然气输氢技术研究进展 J.中南大学学报（自然科学版），2021（1）：31-43.6 魏蔚，陈文晖.日本的氢能发展战略及启示 J.全球化，2020（2）：60-71.作者简介冯展博（2002-），男，嘉兴学院本科在读，研究方向为土木工程。收稿日期：2022-11-18能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.433