氫液化技術研究進展及能耗分析

在氫能的應用中，液氫具有較高的體積與質量存儲密度，適合大規模運輸及應用，能夠顯著降低市場化應用的成本。本文將著重分析氫液化技術的研究進展以及國際上的液氫研究項目: 日本 WE－NET ( World Energy Network) 及歐洲 IDEALHY ( In- tegrated Design for Efficient Advanced Liquefaction of Hydrogen) 。從壓縮能耗、液化能耗、運輸能耗、總能耗四個方面進行高壓氫與液氫的能耗對比，分析結果表明，對於液氫的運輸能耗隨裡程增加緩慢，高壓氣氫的運輸能耗隨裡程增加成直線上升; 運輸裡程在約 500 km 時，液氫的總能耗將低於高壓氣氫，液化能耗在總能耗中佔的比例減少。

低溫液態儲氫在存儲密度、容量上等方面具有巨大的優勢

隨著發展方式、人口及消費模式等諸多因素的影響，能源消費總量快速增長，由此導致的資源、環境問題日益突出。首先，我國能源結構呈現「富煤、少油、缺氣」的狀態，能源結構單一，以有限存量化石燃料的燃燒導致我國成為遭受汙染、風暴、乾旱等災害最嚴重的國家之一。

近年來，燃 煤、揚塵、汽車尾氣等地面顆粒物的排放是我國霧霾的主要來源。據《中國機動車環境管理年報2017》顯示，2016 年全國機動車保有量達到2．95億輛，排放汙 染 物 4472．5萬噸，其中氮氧化物( NOx) 577.8 萬噸，顆粒物( PM) 53.4 萬噸。

其次，我國的 CO2減排面臨迫切性。2015年，我國籤署《巴 黎 協 定》，目 標 是 在 2030 年 中 國 單 位GDP 的二氧化碳排放要比 2005 年下降 60% ～65%，非化石能源在總的能源當中的比例提升到20%左右。低碳綠色能源的開發在減排過程中發揮著不可替代的作用。最後，我國目前的能源供應安全面臨嚴峻挑戰。國家能源局數據顯示， 2018 年中國原油對外依存度已經超過了 71%，天然氣對外依存度也高達 43%。因此，綠色清潔高效低成本的能源開發利用是未來經濟社會發展的重要研究方向。

氫能以其來源廣、可儲存、可再生、燃燒熱值高、可電可燃、零汙染的特殊稟性，是一種值得期待的清潔高效的二次能源，成為國際能源變革的重要選擇，被視為 21 世紀最具發展潛力的清潔能源。結合我國實際，發展氫能對保障國家能源供應安全、應對氣候變化以及優化能源結構具有一定的支撐作用。

然而，當前我國氫能利用的主要特點是「就地生產，就地消費」，全生命周期商業化應用中諸如製取、儲運、應用等各環節還不夠成熟，而儲運是其中的瓶頸環節。目前常見的儲運方式是高壓氣態氫及液態氫儲運。

高壓氣態儲氫方式相對成熟，截止 2010 年 10 月，215 座加氫站中，80%以上都採用了高壓氫氣存儲的方法。然而，氫氣的密度低，20 MPa 壓力下，其密度為 14．4 kg /m3，即使未來達到 70 MPa 的儲運壓力，其密度也僅為39 kg /m3。對於儲氫密度來說，一個充氣壓力為15 MPa 的標準高壓鋼瓶儲氫重量僅約為1.0%;供太空用鈦瓶的儲氫重量也僅為 5%。

針對以上存儲密度低的問題，近年來，研究人員把目光轉向了液態儲氫方式，液氫在常壓下的密度為70.9 kg /m，相當於70 MPa 氫氣密度的1.8 倍。車載液氫瓶的存儲密度可達到6．67%。因此低溫液態儲氫在存儲密度、容量上等方面具有巨大的優勢。但是，目前我國的液氫主要是為航天服務，相應的在運行的氫液化裝置位於航天發射場場區內，且裝置均為國外進口，相關液氫產業鏈的民用化技術嚴重滯後於國外發達國家。

鑑於此，本文首先概述了氫液化技術的發展，並對不同的氫液化方式進行比較，研究了國際氫能研究項目 WE－NET 及 IDEALHY 的大規模氫液化流程的特點，為今後氫能的商業化應用做技術儲備。此外，定量對比分析高壓氫氣與液氫應用中在同樣的初始條件下從氣源到終端用戶使用所涉及的能耗。最後，總結了目前氫液化過程相關技術的研究熱點跟難點，並對未來液氫的大規模應用進行展望。

氫液化技術發展

液氫儲運技術的發展以氫液化裝置的研究獲得液氫為基礎。因此，液氫的獲得需要通過一定的製冷方式將溫度降低到氫的沸點以下。按照製冷方式 的 不 同，主要的氫液化系統有: 預冷的Linde－Hampson系統、預冷型 Claude 系統和氦製冷的氫液化系統。

上述三種流程形式各有特點， Linde－Hampson 循環能耗高、效率低、技術相對落後，不適合大規模應用。Claude 循環綜合考慮設備以及運行經濟性，適用於大規模氫液化裝置，尤其是液化量在 3 噸/天( TPD) 以上的系統。氦製冷的氫液化裝置由於近年來國際及國內氦制冷機的長足發展，其採用間壁式換熱形式，安全性更高，但是由於其存在換熱溫差，整機效率稍遜於Claude 循環，更適用於 3 TPD 以下的裝置。

在實際應用中，需要根據製造難度、設備投資以及系統的大小進行液化循環的合理選擇。液氫儲運形式中液氫製取的功耗在總功耗中佔據很大比重。目前，隨著關鍵設備的進步以及流程的創新，氫液化裝置的比功耗逐漸降低。圖 1標示了理論的三種流程、實際運行流程以及部分概念性流程循環 效率以及比功耗。

從圖中可以直觀地看出，理論流程的效率低，比功耗大，即使是效率最高的預冷的 Claude 循環的理論流程的循環效率仍低於 10%，比功耗高於 30 kWh / kgLH2 ; 目前在運行的氫液化裝置的相對循環效率在 20%—30%之間，比功耗約為 10—15 kWh / kgLH2，例如圖中 Ingolstadt、Leuna 的氫液化比功耗分別為13.6，11.9 kWh /kgLH2 ; 概念性流程的循環效率高於 30%，比功耗小於 10 kWh /kgLH2。

1 kg 氫氣的可用能為 33 kWh，按照目前已經運行流程的 12 kWh /kg 來計算，液化每 kg 氫氣約用掉了 36%的可用能。為了使今後的大規模應用過程中提高氫能應用的經濟性，國際大型機構也就大規模低成本氫液化裝置開展深入研究。具有典型代表性的研究項目有，日本 World Energy Network ( WE－NET) 項目，歐洲 IDEALHY 項目。下面分別介紹上述項目的流程以及研究成果。

▍日本 World Energy Network( WE－NET) 項目

日本 WE－NET 項目目標定位於未來氫能的大規模輸運及儲存，針對大型氫液化裝置－液化量 300 TPD 的流程進行研究，其流程圖如圖 2 所 示。

循環中300K到80K溫區的熱量主要由液氮帶走，然後利用單獨的製冷循環，通過膨脹製冷的形式進一步降溫。液化路氫氣首先將來流氫氣壓縮到設計壓力，然後通過各級換熱器逐漸降溫，最終液氫存儲溫度為 20.4K@ 1.06 bar。氫的正仲轉化除在 80 K 液氮溫區採用等溫轉化外，其他各級在換熱器通道內設置催化劑 Fe2( OH) 3，完成近似連續轉化過程，產品液氫中仲氫的濃度＞ 95%。

考慮目前透平膨脹機的輸出功率較大，採用回收透平膨脹機功率減小系統耗功，提高循環效率。為了進行優選，進一步比較了採用氫循環，氦循環，氖循環的低溫透平冷卻形式的循環單位能耗，分別為 8.5，8.69，8.59 kWh /kgLH2。從上述技術指標來看，採用氫循環進行冷卻是最合適、最經 濟 的。氫 Claude 循環的計算條件如表 1所示。

IDEALHY 項目的目標是通過設計與優化大幅降低系統的單位能耗，達到 6 kWh /kgLH2 左右的目標。其針對建立液化量為 50 TPD 的氫液化裝置，單位能耗最終優化為 6．4 kWh /kgLH2。

從如圖3所示的流程圖中，可以將整個過程分為以下 5 個階段: (1) 入口氣體的壓縮; (2) 冷卻到 279K; (3) 混合製冷劑預冷到 130 K; (4) 布雷頓循環冷卻到 26.8 K; (5) 終極膨脹與液化。

產品品質:液氫溫度 22.8 K，純度 100%，仲氫濃度 98%。為了達到低的單位能耗，過程參數以及關鍵設備參數與目前常用流程的對比見表 2，主要差別體現在過程氫氣的壓力，預冷方式，預冷的製冷劑，以及壓縮方式和最終的膨脹形式。

除上述兩個具有代表性的國際項目外，很多學者也針對經典的液氫流程進行改進，以期降低系統的單位能耗，提高整機系統的經濟性。比如Valenti等研究的氦製冷氫液化流程，系統產量為 860 TPD，單位能耗為 5.29 kWh /kg。Quack等採用三級丙烷預冷蒸汽壓縮循環、He－Ne 布雷頓循環等預冷形式，產量為 170 TPD 的裝置的最終單位能耗: 6.93 kwh /kgLH2。Berstad等採用混合製冷劑預冷形式，針對 86 TPD 的流程，計算得到單位能耗: 6.2—6.5kwh /kgLH2。

高壓氣氫與液氫儲運的能耗分析

來自氫氣源的氫氣輸送到零售商的方式如圖4 所示，包括高壓氣瓶組及液氫槽車運輸。在此過程中的能耗主要是壓縮、液化、運輸的能耗。本部分將分別從以下三個方面進行核算，考慮從氣源到最終用戶的成本，由於目前的各項設備製造、加工水 平 仍 不 成 熟，因 此，不計算設施的投資成本。

▌氫氣液化能耗分析

目前能夠提供商業化液氫裝置的公司主要是普萊克斯、林德、法液空等。普萊克斯大型裝置多採用修正的 Claude 循環的氫製冷方式，單位能耗相對較低，約為 12．5—15 kWh /kgLH2。法液空小型裝置採用氦製冷氫液化流程，單位能耗約為 17． 5 kWh /kgLH2。

對於未來的氫液化裝置，林德公司期望最終的 10 TPD 的氫液化站單位能耗能降低到 10 kWh /kgLH2，50 TPD 型號的可以降到 9 kWh /kgLH2 ; 法液空的最終目標是將氫液化站的單位能耗降低到 9 kWh /kgLH2。此處，氫液化能耗按照遠期期望值 12 kWh /kg 計算。

▌運輸能耗

運輸車在水平道路上等速形式，必須克服來自地面的滾動阻力 Fpl 和來自空氣的空氣阻力Fw。在此，考慮比較理想的情況，即車在水平道路上等速行駛。

滾動阻力 Fpl :

其中 f 為滾動阻力係數，取 為 0．018，G為車輪負載。

空氣阻力 Fw( 無風條件下) :

其中 Ua為運輸車的行駛速度，km /h; A 為迎風面積，即車在行駛方向上的投影面積，m2。按照經驗數據，此處迎風面積 A 取為 7，CD取 為 0．8。

此時，運輸車的行駛總阻力:

其中 W 為燃料提供的能量，J; S 為運輸車的運輸裡程，m。根據普萊克斯公司的介紹，運輸 4500 kg液氫與運輸 300 kg 高壓氫氣的公路運輸車的總重類似，約為 800 00l bs( 36 287．2 kg) ，如圖 5 所示。

在相同的能耗下，液氫的運輸能力是高壓氫氣的 15 倍。通過以上公式可以計算得到，總重為36 噸的運輸車，液氫與高壓氣氫的載重分別為4500 kg，300 kg; 則每 100 km，每 kg 液氫與高壓氣氫的所需功耗為: 0．16，2．38 kWh。

圖 6 為液氫與高壓氫的運輸能耗隨裡程的變化，從圖中可以看到，液氫的運輸能耗隨裡程增加而增加緩慢，而高壓氣氫則隨裡程增加而直線增大，因此，通過上面的計算得知液氫在運輸成本上具有巨大的經濟效益。

▌加壓能耗

高壓氫運輸過程中的能耗主要為加壓能耗，其通過氫氣壓縮機提高氫氣源的壓力進行運輸或者儲存。壓縮過程的耗功及絕熱效率見表 3所示。目前，高壓長管拖車的運輸壓力通常為 20 MPa，運輸到加氫站以後，通過氫壓縮機將氣源的壓力提升到氣瓶存儲壓力 70 MPa。

為了保證跟液氫儲運的進出口條件的一致性，這裡也假設氫氣源壓力為 2 MPa，因此，總的加壓成本包括兩部分，一部分為 2 MPa 加壓到 20 MPa，另外一部分為 20 MPa 到 70 MPa。按照 75%的絕熱效率，則兩部分的總能耗分別為: 1.5，0.8 kWh /kg。總功耗為: 2.3 kWh /kg。常溫壓縮，需要冷水機組進行冷卻，按照 COP 為 2.5 計算，則冷水機組的總能耗為: 0.9 kWh /kg。此部分加壓的總功耗為: 3.1 kWh /kg。

同理，液氫的加壓為從 1.2 bar 的利用液氫泵把飽和液氦加壓到 70 MPa，按照 60%的絕熱效率計算，則液氫的加壓成本為 0．4 kWh /kg。

▌總能耗

高壓氫的總能耗包括氫的壓縮能耗以及運輸能耗，液氫的總能耗包括氫的液化能耗，壓縮( 加 注) 能耗，運輸能耗。

圖 7 為液氫與高壓氫總能耗隨運輸裡程的變化，從圖中可以看出，在運輸裡程達到 500 公裡以上時，液氫的總運輸能耗低於高壓氣氫。液氫在運輸成本上的優勢使得長距離運輸的能耗降低，價格優勢明顯，大規模運輸的情況，完全可以彌補氫氣液化過程中的耗功，儲運成本成倍減少。

目前日本計劃使用的液氫的氫能運輸網絡，以澳大利亞褐煤為原料製取氫氣，進而進行氫氣液化，以液體形式通過遊輪經海上運輸抵達日本，為澳日雙邊氫能試點項目供應氫燃料。

當然，在整個過程中，還有其他的能耗在本次計算中沒有涉及，比如: 液氫在運輸過程中存在蒸發的現象; 高壓氫運輸管束的氫氣不能充分利用，存在利用率的問題( 此利用率與壓縮機的輸入壓力相關) ; 運輸過程中的過路費等。

發展與展望

液氫儲運相比其它形式具有巨大的潛在優勢，主要體現在存儲密度高，單車運輸量大，在遠距離運輸中具有重要的優勢。正是由於液氫上述的優勢，因此，國家正在加大此方向的政策引導和扶持力度。為了實現在氫能領域的商業化推廣應用，以下幾個方面仍然是當前的研究熱點和難點。

(1) 大型化、規模化液氫流程的創新

氫液化裝置的大型化才能夠實現液氫的規模化生產，結合上文的分析，生產規模增大，有助於降低整個裝置的單位能耗，從而降低終端用戶的用氫成本。然而，目前我國所應用的氫液化裝置，仍然屬於小型裝置，生產每 kg 液氫的能耗大於20 kWh，遠高於國際耗能。因此，研製符合我國國情的新型大型氫液化流程，提高系統效率，降低系統單位能耗，將極大促進我國氫能的商業化運營。

(2) 氫液化過程的關鍵技術問題研究

氫液化過程中的關鍵技術問題主要包括動力機械( 透平膨脹機、壓縮機) 的設計、製造，正仲氫轉換裝置的設計等。對於關鍵的製冷設備透平膨脹機來說，為了使透平膨脹機效率最佳，葉輪線速度應接近膨脹氣體的聲速。

當氫氣壓力為 2 MPa，入口氫氣溫度為 30 K 時，其聲速約為 569 m /s。聲速的提高增加了轉子的應力，提高了設計難度，對於壓縮機亦是如此。因此，氫氣工質用透平膨脹機以及壓縮機的製造難度顯著增大。

此外，氫的粘度低，密度小，高速氣體軸承的剛度、承載力下降，因此給氣體軸承的加工與設計帶來難度。對於氫液化過程中獨有的正仲氫轉化過程來說，目前國際上流行的主流轉換技術為連續轉化，其催化劑置於換熱器通道內，耗功最小，理論上接近可逆轉化。一般是分段布置在液氮至液氫溫度之間，效果顯著。對於此方面的研究，國內尚未見相關研究的報導，需開展大量的實驗研究。

(3) 裝置安全性以及可靠性研究

氫氣在空氣中可燃範圍為 4%—75%，且分子量小、黏度低、極易洩漏。因此，高安全性、良好的氣密性和有效的保護措施是氫液化器設計的重點之一。

目前，國內相關的液氫民用化規範缺乏，應逐步建立起完善的液氫技術標準與安全規範，以支持全產業鏈的發展。此外，通過氫液化器的可靠性研究，減少系統的平均無故障時間，提高整機運行時間，對於今後整個系統的穩定性、可靠性以及經濟性具有重要意義，目前此部分工作還停留在理論階段，隨著氫液化裝置的普及，將會有更多的實驗數據用於理論預測的驗證，提供更加符合實際的可靠性模型。

(4) 生命周期碳排放控制

全生命周期綠色潔淨無汙染的氫能應用是追求的目標。因此，在整個氫能的應用過程中，需要進行全生命周期的碳排放控制。全生命周期分析是評估一項產品從生產、使用到廢棄或回收再利用等不同階段所造成的環境影響。氫能的應用過程中包括氫的製取、儲運、使用等多個環節，如何通過合理的控制手段，減少碳排放甚至達到整個生命周期的零碳排放，等。

(5) 超臨界氫的研發及應用

超臨界氫是在液氫研究的基礎上，提出的一種新型的氫能儲運形式。為了能夠達到一定的存儲密度，通常超臨界氫的溫度在液氮溫度( 77 K)以下，壓力在 25 MPa 以上。

其與高壓氣氫相比，存儲密度大，且不受加注時的溫升影響，因此加氫速度不受限制; 與液氫相比，則避免了液氫蒸發造成的一系列的問題。但是從超臨界氫的狀態參數可以看出，其為低溫高壓氫，因此，其存儲儲罐既需要保溫，同時還要承壓，加工製造難度增大。目前國內對相關的研究還較少，需進行合理的材料選型，以降低成本、減輕重量，提高單位重量儲氫比。

總結

氫能在我國未來能源結構調整中具有重要作用，預計到 2050 年，氫能在我國終端能源體系中佔比為 10%左右，而液氫是大規模氫能應用中必然選擇。隨著國內相關的液氫民用化標準及規範的發布及貫徹落實，將極大地推動液氫從生產到應用全產業鏈關鍵技術的突破，相關產業的建立將有助於加速我國的能源轉型步伐及應對氣候變化。

來源：

作者：呂 翠，王金陣，朱偉平，伍繼浩，李 青，龔領會