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哪种氢能储运方式最合适：高压气态储氢、低温/有机液态储氢、固体材料储氢……
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引言 我国能源高度对外依存及“碳达峰、碳中和”目标的提出，一方面为丰富我国能源结构组成，减少能源对外依存度，保障我国能源安全，另一方面，为实现“2030年碳达峰，2060年碳中和”目标，能源行业纷纷向低碳、绿色、清洁方向转型，风力、光伏等可再生能源得到快速发展[1-3]。氢能作为一种高能量密度和无污染绿色能源，具有极佳的储能能力，适合大规模储能，对于不稳定的、富裕的可再生能源转化的电能，是较佳的储运介质[1，4]。但由于氢气的高能量密度和特殊化学性质，其安全储运和利用给研发人员带来了巨大挑战。因此，世界各国开始探索安全高效的氢能储运和电力应用技术，如日本大力研发有机液态储氢技术及高效氢燃料电池发电技术，提高氢能储运及发电的安全性和效率。我国也积极探索氢能发展战略，加强对氢能储运及电力应用的政策支持，保障氢能产业的安全高效发展。 在2020年国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划（2021－2035年）》中提到，力争经过15年的持续努力，氢燃料供给体系建设稳步推进，要求攻克氢能储运、加氢站、车载储氢等氢燃料电池汽车应用支撑技术，支持有条件的地区开展氢燃料电池汽车商业化示范运行，有效促进节能减排水平和社会运行效率的提升[5]。可见氢能储运技术及氢燃料电池技术是氢能产业链中亟待技术攻关的领域，也是我国“十四五”电力规划中的电力关键技术。2020年9月8日，国家发改委等四部委印发《关于扩大战略性新兴产业投资，培育壮大新增长点增长极的指导意见》，意见指出加快新能源发展，加快制氢加氢设施建设[6]。 随着氢能相关政策的颁布和完善，国家还鼓励支持了一大批氢能储运及应用项目规划和启动。随着我国政策的引导以及大批氢能项目落地，氢能技术不断突破，产业体系逐步完善，我国氢能产业已进入产业化的快车道。在氢能全产业链应用中，氢能的高密度储运是氢能发展的重要环节，同时也是我国氢能布局的瓶颈。以国内某地为例，若该地全部氢能车辆正常运营，氢气日需求量为15t左右，目前采用的高压长管拖车输氢量仅为200~300kg，且氢能输运成本较高，导致氢能的应用环节难以大规模发展[7]。另一方面，相较于传统电池技术如锂离子电池等，氢燃料电池电效率低，成本高等问题也是制约氢能大规模应用的因素。因此，我国氢能产业储运及应用关键技术亟待突破，基础设施仍有待加强。因此，本文对氢能储运和应用两个环节的关键技术进行分析，总结现有技术的优缺点，并对我国氢能未来技术的发展方向做出展望。 1 氢能储运关键技术 氢能全产业链包含制氢、氢储运和氢能利用3个关键环节，其全产业链如图1所示。在氢能源发展方面，我国面临的最主要挑战即在于氢能的储运。找到安全、经济、高效、可行的储运模式，是氢能全生命周期应用的关键。氢能储运包括氢气的储存以及氢能源的运输。 
1.1氢能储存 储氢技术要求是安全、大容量、低成本以及取用方便。目前，储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢、固体材料储氢及有机液体储氢4种。4种主要储氢方式对比如表1所示。 
通过对比4种储氢技术来看，高压储氢目前最为成熟，应用也最广，但是储氢密度和安全性方面存在瓶颈；固体材料储氢则有着巨大潜力，但是目前处于研究阶段；低温液态储氢技术具有单位质量和单位体积储氢密度大的绝对优势，但目前储存成本过高，主要体现在液化过程耗能大，以及对储氢容器的绝热性能要求极高两个方面；有机液态储氢由于成本和技术问题还未能大规模商业化应用。
1.1.1高压气态储氢
高压气态储氢技术比较成熟，是目前我国最常用的储氢技术[8]。高压气态储氢即通过高压将氢气压缩到一个耐高压的容器中，高压容器内氢以气态储存，氢气的储量与储罐内的压力成正比。通常采用气罐作为容器，简便易行，其优点是存储能耗低、成本低(压力不太高时)，且可通过减压阀调控氢气的释放，因此，高压气态储氢已成为较为成熟的储氢方案[7-10]。
目前国内主要采用35MPa碳纤维复合钢瓶储运，日本等国家主要使用70MPa储氢罐。35MPa氢气密度约为23kg/m³，70MPa储氢罐中氢气密度约为38kg/m³，日本丰田于2017年发表的一项新型专利提出了全复合轻质纤维缠绕储罐设计方法，储氢压力即可以达到70MPa，氢气质量密度约为5.7%。但是储氢罐加压过程成本较大，且随着压力的增大，储氢的安全性也会大大降低，存有泄漏、爆炸的安全隐患，因此安全性能有待提升[11]。未来，高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展，会探索新型储氢罐材料以匹配更高压力下的储氢需求，提高储氢安全性和经济性。
1.1.2低温/有机液态储氢 1）低温液态储氢是先将氢气液化，然后储存在低温绝热真空容器中。该方式的优点是氢的体积能量很高，由于液氢密度为70.78kg/m³，是标况下氢气密度的近850倍，即使将氢气压缩，气态氢单位体积的储存量也不及液态储存[8，12]。但液氢的沸点极低(−252.78℃)，与环境温差极大，对储氢容器的绝热要求很高[13]。目前最大的液化储氢罐是位于美国肯尼迪航天中心的储氢罐，储氢容积达12000L。 2）有机液态储氢是通过加氢反应将氢气与甲烷(TOL)等芳香族有机化合物固定，形成分子内结合有氢的甲基环己烷（MCH）等饱和环状化合物，从而可在常温和常压下，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，整体流程如图2所示[14-16]。液态有机物储氢使得氢可在常温常压下以液态输运，储运过程安全、高效，但还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题，液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。
对于大规模、远距离的氢能储运，低温液态储氢才有较大优势，当运输500km时，液氢配送成本每kg仅增加约0.3USD，而高压气态运输成本将上升5倍以上[16]。目前低温液氢主要作为低温推进剂用于航天中，也有学者开始研究将液氢作为车载燃料动力，但到目前为止还没有实质性的进展[12，17-18]。液态储氢技术目前只有日本川崎重工的液化储氢和千代田公司的有机化学氢化物储氢技术得到了示范应用。在有机液态储氢领域，美国化学家研制出一种B-N基液态储氢材料，可在室温下安全工作，该项技术的突破为氢能储运难题提供了解决方案。今后一段时间我国应加大对低温、有机液态储氢技术的攻关，开发低成本低功耗的脱氢催化剂和低熔点储氢介质等，这对国内氢能产业布局具有重要意义，亦是未来氢能储运大规模发展的重要方向。 1.1.3固体材料储氢 根据固态材料储氢机制的差异，主要可将储氢材料分为物理吸附型储氢材料和金属氢化物基储氢合金两类，其中，金属氢化物储氢是目前最有希望且发展较快的固态储氢方式[19-21]。固体储氢材料分类如图3所示。 金属氢化物储氢罐供氢方式具有以下特点：储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全性好、可逆循环好等，但是质量效率低，如果质量效率能够有效提高的话，这种储氢方式非常适合在燃料电池汽车上使用[19，24-25]。对比综合储氢技术，将不同储氢技术的各方面特点进行总结如图4所示。
由图4可知，我国低温液态储氢技术应用较少，且该技术成本高，长期来看，在国内商业化应用前景不如另3种储氢技术；高压气态储氢是我国最成熟的储氢技术，低温液态储氢和有机液态储氢综合性能好，但亟待相关技术攻关以降低其成本。目前加氢站采用高压气态储氢技术。长期来看，还是国内发展的主流。但由于该技术存有安全隐患和体积容量比低的问题，在氢燃料汽车上应用并不完美，因此该技术应用未来可能有下降的趋势。固态储氢材料储氢性能卓越，是4种方式中最为理想的储氢方式，也是储氢科研领域的前沿方向之一。但是现在尚处于技术攻关阶段，因此我国可以以此技术为突破口，打破氢能储存技术壁垒，加速氢能产业发展。
1.2氢能运输
氢气的运输通常根据储氢状态的不同和运输量的不同而不同，图5展示了氢气的各种运输方式。
氢的输运方式主要有气氢输送、液氢输送和固氢输送3种方式。
1)气氢输送：气态输运分为长管拖车和管道输运2种，长管拖车运输压力一般为20∼50MPa，我国长管拖车运输设备产业较为成熟，但在长距离大容量输送时，成本较高，整体落后于国际先进水平；而管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的重要方式。管道运输时，管道运输压力一般为1.0∼4.0MPa，输氢量大、能耗低，但是建造管道一次性投资较大。在管道输运发展初期，可以积极探索掺氢天然气方式。黄明，王玮等人对天然气掺氢运输可行性做了研究[26-28]。中国工程院院士也对天然气管网输送氢气非常看好[28]。
2)液氢输送：液态输运适合远距离、大容量输送，可以采用液氢罐车或者专用液氢驳船运输。采用液氢输运可以提高加氢站单站供应能力，日本美国已经将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一[7，26]。日本千代田公司于2009年成功研发出LOHC(液态有机氢载体)系统关键技术，全球首条氢供应链示范项目采用了千代田公司的SPERA技术探索液态有机氢载体的商业化示范，在2020年实现了210t/年的氢气输运能力[14-15，26，29]。
3)固氢输送：通过金属氢化物存储的氢能可以采取更加丰富的运输手段，驳船、大型槽车等运输工具均可以用以运输固态氢。图6展示了4种氢气运输成本对比。
由图6可以看出，300km以上的运输距离，运输成本排序为LOHC |
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