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氢以液态储运—从中期来看，氢以液态储运的市场化空间最大，核心在于液化关键技术与设备的国产化突破

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氢的液态储运，是指将氢能从气态转化为液态再进行储存运输的方法。按照技术原理的不同，可分为物理法、化学法两种：

（一）物理法

将氢冷却到液化临界温度(-253°C)以下而形成液氢，储存于低温绝热液氢罐进行储运。

1、低温液态储氢的概况：

低温液态储氢属于物理储存，将氢气压缩深冷到21K（约-253°C）以下，使氢气变为液氢，然后存储到特制的绝热真空容器(杜瓦瓶)中。

液氢最早用于航天航空领域。液氢燃料在航天领域是一种难得的高能推进剂燃料，氢氧发动机的推进比冲I=391s，除了有毒的液氟外，液氢的比冲值是最高的，因此在航天领域得到重用。氢的能量密度高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可降低2/3，这对飞机来讲是极为有利的。与常用的航空煤油相比，用液氢作航空燃料，能够大幅改善飞机各类性能参数。除了航天航空领域之外，液氢还可应用在高端制造、冶金、电子等产业领域，但由于目前液氢总产能较低导致液氢成本仍然较高。

2、低温液态储氢，主要会涉及2类关键技术设备：

从低温液氢运输成本构成来看，液化环节的成本占总成本近70%，因此降低低温液氢运输成本首要解决的是降低氢气液化环节的成本。

美国、欧洲、日本从液氢的储存到使用包括加氢站，都有了比较规范的标准和法规，国外将近有1/3的加氢站是液氢加氢站，亦涌现了德国Linde林德集团、法国Air Liquide法液空、Air Products美国空气产品公司、Praxair美国普莱克斯公司、日本CHIYODA千代田化建设株式会社、韩国NKSH等多家国际液氢巨头。

我国的低温液氢起步较晚，且之前长期面临国外的技术封锁，氢液化关键技术及设备的国产化应重点关注。美国一直对中国采取“严格禁运，严禁交流”的策略，同时还限制其同盟国的公司例如Air Liquide法液空、Linde林德等向中国出售设备和技术。国内目前液氢的问题是成本高，关键设备和系统仍依赖进口，成本过高也导致了目前民用液氢工厂较少，多为示范应用工程，目前不超过10台。

氢液化设备膨胀机，目前主要是根据示范项目、产业化项目的要求定制设计、制造和落地，能耗较低，但是不能灵活移动，并且需要连续运行不能随时启停。国内的大型氢液化装置，如国富氢能、中科富海主要需要突破低温氢工况材料选用、降低液化过程能耗、氢/氦透平膨胀机研制和正仲氢转化催化剂等技术难题，随着技术突破大型氢液化装置的国产化将快速降低氢液化成本。

氢的正仲转化器也是其中一个重要设备。氢具有正、仲氢两种不同的形式，随着温度的降低，正氢会通过正-仲态转化成仲氢，由于正-仲转换放出的热量大于氢气的气化潜热，所以最后的液氢产品必须以仲氢的形式存在，规定要求仲氢含量必须大于95%。所以在氢液化过程中，需要在换热器或者中间加正仲转换器，以保证仲氢的含量达到标准。国内对于正-仲氢转换催化剂研究已经取得一定成绩，北京航天试验技术研究所自制的正仲氢转化催化剂性能已达到国际先进水平。

根据使用形式，液氢储罐可分为：1）固定式：固定式液氢储罐可采用多种形状，常用的包括球形储罐和圆柱形储罐，一般用于大容积的液氢存储；2）移动式：由于移动式运输工具的尺寸限制，移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱形，结构、功能与固定式液氢储罐并无明显差别，但需具有一定的抗冲击强度，以满足运输过程中的速度要求；3）罐式集装箱：液氢罐式集装箱与液化天然气罐式集装箱类似，可实现液氢工厂到液氢用户的直接储供，减少了液氢转注过程的蒸发损失，且运输方式灵活。大容积、低蒸发率的液氢储罐是液氢容器的重要研发方向。

按照绝热原理，可分为普通堆积绝热和真空绝热两大类。低温液氢储存的研究热点是无损储存，无损储存的关键在于由传统的被动绝热方式向主动绝热技术转变，将更低导热率、更高低温性能的新材料应用于液氢储罐。

3、运输情况：氢以液态运输，总体看适合运距较远、运量较大的情况

液氢罐是液氢车运的关键设备，常用水平放置的圆筒形低温绝热槽罐。公路用的液氢储罐其存储液氢的容量可以达到100m3，铁路用的特殊大容量的槽车甚至可运输120~200m3的液氢。液氢存储密度和损失率与储氢罐的容积有较大关系，大储氢罐的储氢效果要比小储氢罐好。

液化过程的能耗及其它成本占整个液氢储运环节总成本的90%以上，这也造就了液氢运输成本对于运输距离不敏感，运输距离越长经济性越高。未来降本方向为，液化设备的国产化、规模效应的发挥、技术对液化能耗的进一步降低。

鸿达兴业在内蒙古自治区投资建设了我国首个规模化的民用液氢项目，年产3万吨液氢。2020年12月，鸿达兴业完成了全国首车长距离民用液氢运输，其自主生产的液氢跨越了2500多公里，是国内液氢长距离运输的重要里程碑。

液氢还可使用驳船运输，这和运输液化石油气相似，驳船上装载容量很大的存储液氢的储罐，不过需要使用性能更好的绝热材料，以使液氢在长距离运输过程中稳定保持液态。

用于船运的液氢储罐容积可达1000立方米以上，且无需经过人口密集区域，相较于陆运更加安全、经济。日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船SUISO FRONTIER于2021年12月24日开启首航，从日本驶往澳大利亚，提取第一批货物，船上搭载了川崎重工播磨工厂制造的液氢储罐——长25米、高16米的椭圆形储罐能够储存1250立方米的液氢。

液氢驳船运输的发展将由未来当地制氢成本的高低决定。采用液氢驳船运输的氢气往往是进口的，这部分船舶进口的氢能源将与当地生产的氢能源直接竞争，当地的制氢成本水平及其降本潜力将成决定性因素。就液氢驳船运输较为领先的日本而言，未来液氢驳船运输预计将抢占日本近半氢气运输市场。日本政府提出，到2050年日本的氢气用量大约为2千万吨，约为2020年的5000倍。川崎重工就表示，计划在2050年用80艘船舶运输日本国内所需2千万吨氢气中的900万吨。川崎重工斥资5.78亿美元建造全球首艘大型液化氢运输船，将配备4个可分别储存4万m3液化氢的储罐，预计2026年完工。

（二）化学法—本质是氢通过化学反应，生成含氢的液态化合物

1、氨储氢

3H2+N2=2NH3 (反应条件：高温500℃、高压40-60Mpa、催化剂铁触媒)

液氨储氢技术，是指将氢气H2与氮气N2在特定的反应条件下反应生成液氨，液氨就作为了氢的载体进行储运。液氨有直接下游使用方向—燃料、化工原料，液氨也可以在到达特定使用地点之后通过脱氢剂再还原成氢气，供给使用。

如上节“液氢”所述，氢气直接液化需要冷却深冷至-253°C(21K开尔文)以下，为了解决这一点，液氨方法得以被关注。氨作为一种含氢质量分数达到17.6％的富氢物质，仅需常温加压（0.86MPa）或常压低温（240K开尔文）即可液化，其储存条件缓和于液氢，与丙烷类似，可直接利用丙烷的技术基础设施，大大降低了设备投入；液氨储氢中体积储氢密度高于液氢约1.7倍，液氨燃烧涡轮发电系统的效率(69%)与液氢系统效率(70%)近似。并且，后续在脱氢过程中，液氨在常压、400°C条件下即可得到氢气H2，能耗水平低。根据中石油安环院雍瑞生、杨川箬等在《中国工程科学杂志》上发表名为《氨能应用现状与前景》的论文测算，据核算，100 km内液氨的储运成本为150元/吨，500 km内液氨的储运成本为350元/吨，仅为液氢储运成本的1.7%。未来技术突破方向主要在于提升液氨的后续脱氢纯度。

但液氨主要存在腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，因此其对燃料电池也有毒性，部分未被分解的液氨混入氢气中，也会造成燃料电池的严重恶化。所以，这点限制了液氨储氢的适用范围。从当前日本、澳大利亚等多国布局来看，氨-氢运输这一方式在大型氢出口项目领域具有优势—利用可再生能源发电电解水制氢后，通过“氢-氨-氢”这一流程完成“绿氢”储存运输。

传统上，氨总是与化肥联系在一起。氨是常见的一种化学肥料，也广泛应用于化工、制药、制冷和食品等多个工业领域。目前全球80%以上的氨用于生产化肥，并且通过专用船舶运输到世界各地。现在，氨的更多功能被开发出来：氨是无碳燃料；氨与氢可以互相转化；而绿氨×绿氢，还可大幅减少化石能源消耗，真正实现绿色低碳。绿氨联动绿氢，可使每公斤氢气利润率接近50%，经济效益很明显。

正如根据不同的原料和制取方法对氢进行了不同的分类一样，根据主要原料氢气的碳足迹，合成氨也分为了灰氨、蓝氨和绿氨：

目前，绿氨主要有五条生产路径，大多都是从生产可再生氢开始：前3条路径(1-3)将可再生氢生产技术与哈伯-博施合成工艺相结合；路径4将可再生氢技术与创新性合成工艺(非热等离子体合成)相结合；路径5(电化学合成氨)不需要分离氢生产步骤。

中国作为世界上最大的氨生产消费国，在“氢氨联动”方面正在积极发力，力争在国际产业创新前沿占据一席之地。2022年，国家能源局提出，积极探索绿氢、甲醇、氨能等替代化石能源的新方式、新途径。已有国内企业深度投身于氨氢联动的项目建设，截至2023年2月中国规划的绿氨项目已接近50个，国内在建的绿氨项目约为180吨，其中有国家能源集团、国电投、中国能建等国家队的身影，也有中国天楹、远景科技集团等民企加入。不约而同的是，鉴于东北吉林省优越的风、光、水资源禀赋，中国能建与国家电投吉电股份分别在吉林松原、吉林大安建设风光耦合制绿氢合成氨一体化示范项目，“绿氢消纳绿电、绿氨消纳绿氢”，打通“绿电—绿氢—绿氨”产业链，都涉及到了柔性合成氨技术。

可再生能源电力电量的波动性难以适配传统合成氨生产过程对平稳性的要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需在合成氨工艺柔性优化与调控、大规模电解水制氢平稳运行、制氢负荷参与电网调控和全系统技术经济性等方面展开研究，以突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。柔性制氨，未来需主要突破的技术包括：

综上，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计、控制与运营，涉及电气工程、化学工程、能源动力等学科之间的交叉。

2、甲醇储氢

3H2+CO2＝CH3OH+H2O (反应条件：一定的温度和催化剂)

2H2+CO→CH3OH (反应条件：高温、高压、一定的催化剂)

甲醇储氢技术，是指将氢气H2与二氧化碳CO2/一氧化碳CO在特定的反应条件下反应生成液态甲醇，甲醇就作为了氢的载体进行储运。液氨有直接下游使用方向—燃料、化工原料，液氨也可以在到达特定使用地点之后再分解出氢气，供给使用。

如上节“氨储氢”所述，液氨具有腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，不适合对接用于燃料电池，为了解决这一点，甲醇方法也被产业开始采用。

一个CH3OH分子中含有4个H，CH3OH是含氢量最高的碳氢化合物，1kg甲醇可产生0.125kg氢气。甲醇储氢密度高，理论质量储氢密度高达12.5wt%。甲醇分子没有C-C键，在反应过程中催化剂上会产生较少的焦炭。甲醇的储存条件为常温常压，且没有刺激性气味，存储条件进一步缓和于液氨。甲醇在常温常压下即为液态，储运无需低温或加压，同等体积下携带能量是35MPa高压储氢的4倍。甲醇需突破点在于二氧化碳CO2单程转化率和甲醇产率较低，导致目前的经济性较低。未来技术突破方向是开发同时满足二氧化碳CO2单程高转化率(>20%)和高甲醇选择性(>90%)的催化剂，改善催化剂寿命。

甲醇也分传统甲醇和绿色甲醇，这同样取决于主要原料氢气的碳足迹，绿色甲醇又有“液态阳光”的美称，最早由中国科学院液态阳光研究组命制，并于2018年9月在国际杂志《焦耳》上公开发表，得到了国际学术界和同行的一致认可。最理想的是利用太阳能等可再生能源、水、CO2生成甲醇这样的液体燃料。

从古至今，甲醇以其来源不同可划分为五代，分别是煤制甲醇（第一代）、煤气或页岩气制甲醇（第二代）、以极低排放或零排放技术用煤或气制甲醇（第三代）、生物质制甲醇（第四代）、以二氧化碳和水通过人工光合作用合成甲醇（第五代）。所谓第五代甲醇的生产过程中，水经太阳光光解制氢，即为制氢篇中的“光催化制氢”，空气中的二氧化碳再加氢生成甲醇，整个过程0污染0排放，并且可形成循环，是迄今为止人类能够想到的制备甲醇最清洁环保的最理想的方式。

现状是，甲醇正从第二代向第三代过渡。在天然气暂时还无法被完全替代的实际情况下，大幅降低生产甲醇带来的碳排放，成为现今退而求其次的研究方向。第二代~第四代甲醇构成的混合体系，很可能仍在一段时间内作为工业甲醇的主要生产方式。

全球范围来看，二氧化碳加氢合成甲醇已有不少成功案例：2012年欧洲已经建成了当时全球最大的CO2基甲醇制造厂（年产4000吨甲醇，消耗5600吨CO2，利用地热电厂电解水制氢），日本2021年建成日产20吨的碳回收甲醇合成装置；2020年1月17日，中国科学院大连化学物理研究所的全球首套千吨级规模化太阳燃料合成示范项目在甘肃兰州新区绿色化工园区试验成功。随着最新电解水制氢成本的下降以及碳减排价值的提升，二氧化碳加氢合成甲醇的经济性会有很大改善。

液氨载氢、甲醇载氢之间的运输情况对照，如下：

3、有机液体储氢：较具潜力，安全性高、成本低难以被忽视

有机液体储氢技术LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers），是指对不饱和液体有机物(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)在催化剂作用下进行加氢反应，形成分子内结合有氢的甲基环乙烷MCH等饱和环状化合物，生成稳定化合物，从而可在常温常压下液态储运，当需要氢气时再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。

液态有机物储氢有望成为氢储运环节比较有希望取得大规模应用的技术之一，这是因为加氢后的有机氢化物性能稳定，安全性大大提高，质量储氢密度可达(5.0-7.2)%/wt。液态有机物储氢可以直接实现常温常压液态储存及运输，过程中安全高效，可直接使用储罐、槽车、管道等现有的油品储运设施，并且安全监管部门和公众对液态有机物储氢LOHC方法的忧虑相比低温液氢和高压气氢要小得多。LOHC储氢方法是诸多储氢方式中稳定性最高、日常维护量最小、长周期储存成本最低的一种方式，能够实现可再生能源、电网、大型发电和分布式发电、氢气加注市场等不同领域的交互应用，更适合大规模、长时间的储存，更为灵活。

可能存在的问题是，氢气纯度不高，有机率发生副反应产生杂质气体；反应温度较高、脱氢效率较低、催化剂易被中间产物毒化；液氢储存压缩能耗过大，需配备相应的加氢、脱氢设备。液态有机物储氢LOHC方法，下一步的技术突破重点在于有效改善脱氢技术复杂、脱氢能耗大和脱氢催化剂技术，提高低温下有机液体储氢介质的脱氢速率与效率、催化剂反应性能，改善反应条件、降低脱氢成本及操作难度。

液态有机物储氢LOHC方法的关键在于有机物储氢介质的选择，选择有机物储氢介质的重点考虑因素主要有：

1）质量储氢和体积储氢性能高

2）熔点合适，能使其常温下为稳定的液态

3）成分稳定，沸点高，不易挥发

4）脱氢过程中环链稳定度高，不污染氢气，释氢纯度高，脱氢容易

5）储氢介质本身的成本

6）循环使用次数多

7）低毒或无毒，环境友好等

目前各国对于有机物储氢介质的选取有三大商业化的主流方向，

液体有机氢(LOHC)运输，可依托已有的油品储运设施，例如：输油管道、储罐、接卸设施、槽车、火车罐车、油船等油品储运设施。LOHC输氢，是除了利用管道运输的另一实现大宗氢储运的方式。LOHC可以走输油管道、火车铁路、罐车公路以及船运。

（三）氢以液态储运的主要观点和结论：

氢从常温常压/标准情况下的气态转向液态储存运输，并在液态中不断寻找更为合适的储氢介质，目的是在储氢密度、安全性、反应条件宽泛性等方面不断优化寻找更优解，尤其是储氢密度直接影响运输效率、储运成本。

物理法不涉及化学反应，只需降温至深冷极低温度，对容器的隔温绝热性要求高，优点是液氢经过深冷液化后的纯度很高，直接用于航天航空等高精尖领域也很成熟，直接以液氢为动力的重卡、船舶也被推出市场。化学法涉及化学反应，将氢通过化学反应生成化合物，主要包括：液氨载氢、甲醇载氢、有机液体储氢。这些储氢载体，到达用氢地点后还需要裂解脱氢还原。而氨、甲醇本身就是重要的化工原料，也可以直接被使用。液氨相比液氢，液化条件进一步放宽，但液氨具有刺激性气味、毒性、腐蚀性；甲醇则没有刺激性气味，但是高度易燃。因此，液氨、甲醇都不宜布署得距人员密集区太近。而有机液体储氢LOHC的优势恰恰在于生成的化合物十分稳定，全过程安全性高。

鉴于以上特性，我国风光资源优越的多地已经在建“绿电-绿氢-绿氨-绿醇”一体化项目，一边学习参照国外的绿氨绿醇项目，一边研究发展适配我国的“柔性制氨”技术，光催化制氢合成甲醇“液态阳光”技术。我国同时作为世界上最大的氨、甲醇生产消耗国，这对我国的大宗化工原料生产领域、燃料领域的降碳具有重大意义。

纵观世界上最早发展利用氢能的发达国家，美国、欧洲、日本均诞生了一批液氢生产巨头。从中期来看，我国同样是氢以液态储运的市场化空间最大，核心在于液化关键技术与设备的国产化突破，以降低成本。部分国内企业团队经过长期积累和研发努力，在双碳大背景下实现了突破技术封锁、掌握国产技术、降低设备成本、提升设备性能，将氢以液态储运的时间表提前落地。

总体来看，与其他路径相比，我国的有机液态及氨储氢路线百家争鸣，不同技术路径将在未来不同的应用场景下长期并存，而液氢的低温液化技术最具挑战，国内团队能否实现技术突破解除国外巨头封锁是产业链中“制储运加”打通的关键，也是制约终端氢使用价格的关键影响因素。

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