從液氫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀看未來趨勢

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重和化石能源的逐漸枯竭，尋找高效的綠色替代能源變成了迫在眉睫的任務(wù)。

在今年4月世界領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會上，世界主要經(jīng)濟體紛紛表明削減碳排放目標(biāo)，為應(yīng)對全球氣候變化而努力。美國、歐盟、日本和巴西等國家和地區(qū)承諾于2050年之前實現(xiàn)碳中和，中國也再一次重申了2060年碳中和的目標(biāo)。

（來源：微信公眾號“勢銀能鏈” ID：energylink）

發(fā)展綠色低碳能源，逐步取代傳統(tǒng)化石能源已經(jīng)成為了各個國家努力的方向。

氫氣具有來源廣、熱值高、零排放等特點，這些特點使氫氣從眾多新能源的行列中脫穎而出，吸引了社會的關(guān)注。

然而隨著各行各業(yè)對氫氣的需求量逐漸增大，如何高效地儲存和運輸氫氣便成為了氫氣發(fā)展的關(guān)鍵因素。

液氫是通過預(yù)冷和多次絕熱膨脹后，將氫氣降溫到-253℃經(jīng)節(jié)流得到的液化氣體。由于液氫的密度是氫氣的800倍，相比其他運輸方式，液氫的高儲運密度，高運輸效率和適合長距離運輸?shù)忍攸c，使其成為了氫優(yōu)質(zhì)的儲存和運輸方式之一。

液氫產(chǎn)業(yè)鏈可分為液氫制取、液氫儲運和液氫加注。本文將簡要介紹國內(nèi)外的液氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，并對國內(nèi)未來液氫發(fā)展做出展望。

圖片來源：勢銀（TrendBank）

液氫制取：加大生產(chǎn)規(guī)模是難題所在

在1898年，蘇格蘭低溫科學(xué)家詹姆斯?杜瓦首次實現(xiàn)氫液化，人類歷史上第一次生產(chǎn)出液氫。此后的數(shù)十年中，液氫開始在航天、化工等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

目前全球的液氫產(chǎn)能接近500TPD，其中北美地區(qū)有接近20座10TPD以上的液氫生產(chǎn)工廠，占據(jù)了全球85%的產(chǎn)能，遠遠領(lǐng)先于其他國家和地區(qū)。

氫液化裝置主要由透平膨脹機、換熱器、壓縮機和正仲氫轉(zhuǎn)化器等設(shè)備組成。目前國外的大型氫液化裝置主要采用液氮預(yù)冷搭配氫透平膨脹機組的技術(shù)路線，小型氫液化設(shè)備大多采用氦透平膨脹機制冷搭配J-T節(jié)流閥液化的技術(shù)路線。

美國空氣產(chǎn)品公司、德國林德集團和法國液化空氣集團幾乎壟斷了氫液化裝置的市場和技術(shù)領(lǐng)域，已掌握成熟的氫透平膨脹機技術(shù)，并有能力提供單個產(chǎn)能超過30TPD的氫液化設(shè)備。

俄羅斯的深冷機械公司Cryogenmesh也可以生產(chǎn)最大17TPD的氫液化裝置，目前已應(yīng)用于俄羅斯多個航天發(fā)射場。

中國最早于1956年在中國科學(xué)院物理研究所低溫實驗室第一次制得液氫，并于1960年完成第一套小型氫液化裝置。然而和國外相比，中國的液氫發(fā)展仍處于追趕狀態(tài)。目前中國的產(chǎn)能僅僅達到4TPD，最大的單個液氫工廠的產(chǎn)能僅有2.5TPD，且全部集中于航天發(fā)射保障單位。

在民用液氫領(lǐng)域，中國仍處于空白階段?，F(xiàn)如今，包括北京航天101所、北京中科富海低溫科技有限公司、江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司等企業(yè)都已經(jīng)掌握了成熟的氫液化設(shè)計流程。

北京航天101所和北京中科富海低溫科技有限公司都開發(fā)出了以氦透平膨脹機為核心的氫液化裝置；

江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司開發(fā)出了以氫透平膨脹機為核心的氫液化裝置；

鴻達興業(yè)使用北京航天101所提供的氫液化裝置，已于2020年底成功生產(chǎn)液氫，打破了民用液氫市場的空白。

難以擴大生產(chǎn)規(guī)模是中國目前液氫制取產(chǎn)業(yè)的“痛點”所在。液氫生產(chǎn)工廠的建設(shè)成本高，能耗高，必須提高生產(chǎn)規(guī)模，才能有效降低單位成本，提高液氫的競爭力。

而氫透平膨脹機是提高生產(chǎn)規(guī)模的核心所在。液氮預(yù)冷搭配氫透平膨脹機的技術(shù)組合產(chǎn)生的制冷能耗相較氦透平膨脹機技術(shù)要低25%，并且設(shè)備簡單，是當(dāng)下大型氫液化裝置的工藝首選。

目前北京航天101所和北京中科富海低溫科技有限公司都已經(jīng)開始進行氫透平膨脹的開發(fā)研究，并在樣機生產(chǎn)上取得了成果。國富氫能擬在河南洛陽和山東投建的液氫生產(chǎn)工廠均將采用氫透平膨脹機技術(shù)，產(chǎn)能在8.6-10TPD。

液氫儲運：海上運輸將成為未來趨勢

液氫對儲罐的隔熱技術(shù)要求很高，通常采用多層真空隔熱技術(shù)。目前，美國Gardner Cryogenics公司、美國Chart公司、日本川崎重工業(yè)株式會社和俄羅斯深冷機械公司Cryogenmesh等企業(yè)代表了液氫儲運的產(chǎn)業(yè)前沿。

美國Gardner Cryogenics公司是美國第一家提供液氫罐車的企業(yè)，容積達到65立方米，并將每日氣化損耗保持在0.2%以下；

美國Chart公司目前已在全球建設(shè)了超過800個液氫儲罐，最大的超過650立方米；

俄羅斯深冷機械公司Cryogenmesh也提供多種規(guī)格的儲罐，最大的達到1400立方米，也向中國出口過100立方米的液氫鐵路罐車。

國內(nèi)已打破液氫儲罐的技術(shù)壁壘，縮短了和國外的技術(shù)差距，實現(xiàn)了液氫儲罐的自主生產(chǎn)。目前安置在海南文昌發(fā)射場的液氫儲罐中，5個300立方米的儲罐由張家港中集圣達因低溫裝備有限公司制造，2個300立方米的儲罐由南京航天晨光公司生產(chǎn)，1個120立方米的儲罐由四川空分設(shè)備有限公司提供。

江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司也已經(jīng)生產(chǎn)出液氫儲罐和液氫罐車的樣品，未來將應(yīng)用于國富氫能投建的洛陽液氫生產(chǎn)項目。

值得注意的是，日本川崎重工業(yè)株式會社在神戶港建設(shè)了2500立方米的液氫儲罐，并制造了全球第一艘液氫運輸船。運輸船上設(shè)置2個1250立方米的液氫儲罐，到港后由機械臂協(xié)助卸載儲罐。

液氫高儲運密度和適合長距離運輸?shù)奶攸c和海上運輸極為契合。液氫運輸船可以實現(xiàn)低碳能源在全世界范圍內(nèi)的再分配，意味著建立全球低碳能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)成為了可能。

在全球范圍內(nèi)，可再生能源豐富的地區(qū)和能源需求高的地區(qū)存在相當(dāng)大的地理錯位。使用可再生能源水電解制氫，并以液氫的方式將能源在全球范圍內(nèi)進行再分配，即可以解決可再生能源的消納問題，也可以將綠色能源從供給端向消費端轉(zhuǎn)移。

舉個例子，使用北歐的風(fēng)電制取液氫后運至日本進行利用，這可能會成為未來值得關(guān)注的發(fā)展趨勢。

在中國，液氫海外輸入也開始納入政府規(guī)劃中。在2021年浙江省發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》中，浙江省政府提到了要開始超前規(guī)劃氫能海外輸入登陸站的建設(shè)方案，為將來的海上運輸做準(zhǔn)備。

液氫加注：液氫加氫站必將占據(jù)舞臺中心

世界上其他國家已建的400多座加氫站中，大約1/3是液氫儲氫型加氫站。液氫加氫站技術(shù)的核心在于液氫泵，而美國空氣產(chǎn)品公司提供的液態(tài)氫氣壓縮泵（CHC）和林德集團提供的液氫泵（Cryopump）是其中的佼佼者。

據(jù)林德集團介紹，使用高壓深冷液氫泵技術(shù)，出口氫氣壓力可以達到900Bar的高壓，且液氫的冷能得到充分利用，無需額外冷卻系統(tǒng)，氫氣溫度可以控制在-40℃或者加氫協(xié)議要求的氫氣溫度。

充裝能力達到1噸/天的加氫站，若使用林德液氫泵技術(shù)，系統(tǒng)占地面積低至十幾個平方米。

據(jù)勢銀了解，一套儲氫量在300-1000千克的高壓氫氣集束管需要占地60-80平方米，而一套儲氫量在400-6000千克的液氫儲罐僅占地10-30平方米。這意味著建設(shè)液氫加氫站可以極大地降低用地成本，也為未來加氫站向城市中心區(qū)擴張?zhí)峁┝丝赡堋?/p>

使用液氫技術(shù)同樣可以有效降低運營成本。和傳統(tǒng)壓縮氣氫加氫相比，使用液氫泵的能耗更低，且無需對加注氫氣進行預(yù)冷。這即降低了加氫站的整體能耗和運營成本，還使得加注效率和速度大大提升。

中國在液氫加氫站的推廣中相對落后，在液氫泵的技術(shù)領(lǐng)域也相對空白，目前僅在北京航天101所建成了一座液氫加氫示范站。

盡管如此，各大企業(yè)已經(jīng)加快了在液氫加氫站方面的布局。

2021年2月，江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司宣布與佛燃能源集團股份有限公司等4家企業(yè)共同簽約，將在液氫加氫站方面開展合作，預(yù)計于2021年下半年在佛山建設(shè)一座液氫加氫示范站。

隨著氫燃料電池汽車的逐步推廣，加氫站的角色將越來越不可或缺。與傳統(tǒng)氣氫加氫站相比，液氫加氫站擁有占地小、運營成本低、擴建成本低等一系列優(yōu)勢。憑借這些優(yōu)勢，液氫加氫站將逐漸走向舞臺中央。

未來：充滿希望

盡管液氫在中國的發(fā)展和國外仍存在一定差距，但隨著近年來國家政策的重視和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，液氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展已有欣欣向榮的態(tài)勢。以下幾點原因讓勢銀相信，液氫一定會在未來的中國市場上獲得大力發(fā)展，占據(jù)重要地位：

1、氫氣需求量巨大

隨著中國宣布2030年碳達峰，2060年碳中和以后，各行各業(yè)都開始尋求綠色轉(zhuǎn)型。交通行業(yè)對氫氣的需求正逐漸上升。

據(jù)勢銀統(tǒng)計，截止2020年，全國氫燃料電池汽車保有量已達到7000輛。在2021年，氫燃料電池汽車保有量預(yù)計將首次突破一萬大關(guān)。

由于制取液氫需要零下253℃，大多數(shù)的氣體雜質(zhì)都會凝固分離。因此直接對液氫進行氣化可以很容易地獲得6N品質(zhì)的超純氫，不僅適合氫燃料電池，也滿足半導(dǎo)體、電子、化工等其他行業(yè)對大規(guī)模超純氫的需求。

鋼鐵冶金行業(yè)對氫氣的潛在需求也相當(dāng)大。

據(jù)中國寶鋼集團旗下寶武清能專業(yè)團隊分析，如使用全氫工藝進行鋼鐵冶煉，一個百萬噸級的鋼鐵廠每天要消耗220噸氫氣。中國2019年的粗鋼總產(chǎn)量達到9.96億噸，假設(shè)所有的鋼鐵都使用全氫工藝進行冶煉，那么整個鋼鐵行業(yè)一天將消耗約22萬噸的氫氣，一年將消耗8000萬噸以上的氫氣。

液氫作為氫氣大規(guī)模應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)儲運方式，可以有效解決氫氣資源的地域錯配問題，將氫氣從供給端轉(zhuǎn)移到消費端。未來氫氣巨大的市場同樣標(biāo)志著液氫將得到廣泛應(yīng)用。

2、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定

在2021年5月，中國國家標(biāo)準(zhǔn)委正式發(fā)布了GB/T40045-2021《氫能汽車用燃料 液氫》、GB/T40060-2021《液氫貯存和運輸技術(shù)要求》、GB/T40061-2021《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等三項液氫國家標(biāo)準(zhǔn)，并在GB50516-2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》中加入了液氫儲存和應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容。

液氫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布意味液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展終于有法可依，即給企業(yè)建立自己的研發(fā)和生產(chǎn)體系提供了技術(shù)規(guī)范，又給政府審批相關(guān)液氫項目提供了依據(jù)。液氫標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，將真正地幫助液氫實現(xiàn)價值化。

3、國家政策的大力扶持

據(jù)勢銀統(tǒng)計，從2019年至今，約有60個國家和地方政策提及液氫。

在國家層面上，中國國家科技部從2019年至今已連續(xù)3年在“氫能技術(shù)”重點項目申報中將液氫相關(guān)項目列入其中，內(nèi)容包括設(shè)計氫液化流程、研發(fā)氫膨脹機和正仲氫轉(zhuǎn)化器等核心設(shè)備。

在地方層面上，北京、河北、內(nèi)蒙古、浙江等多個省份和地區(qū)都將開展液氫產(chǎn)業(yè)鏈的示范項目。

其中內(nèi)蒙古呼和浩特市在《呼和浩特關(guān)于推進氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的實施意見（征求意見稿）》中已明確提出將在2025年達到60TPD的液氫生產(chǎn)規(guī)模，并形成完整的液氫產(chǎn)業(yè)鏈。

各個液氫相關(guān)政策的落地將鼓勵相關(guān)企業(yè)對液氫領(lǐng)域加大投入，對液氫產(chǎn)業(yè)鏈的建立與完善起到極大的積極作用。

4、新的玩家進入中國液氫市場

據(jù)勢銀了解，目前已經(jīng)有多家企業(yè)計劃進入中國液氫市場。

霖克流體設(shè)備(大連)有限公司向中國市場推出了超低溫液氫專用閥門，工作溫度最低可達零下269℃，管徑最大可達DN150。液氫閥門原先用于航天領(lǐng)域的火箭推進器中。

相關(guān)人士向勢銀表示，未來他們希望向中國民用液氫領(lǐng)域擴展。為提高產(chǎn)品出貨和技術(shù)響應(yīng)速度，霖克流體已經(jīng)在大連建設(shè)了閥門制造工廠。

高策閥門（昆山）有限公司也有意向在中國液氫市場加快布局。高策閥門提供最低工作溫度達到零下270℃的液氫安全閥，管徑范圍為DN15-100。

相關(guān)人士透露，目前高策閥門已經(jīng)與中國在建液氫生產(chǎn)工廠開展合作談判，預(yù)計會在將來應(yīng)用于中國民用液氫生產(chǎn)工廠。

此外，有多家閥門企業(yè)對勢銀表示，計劃將業(yè)務(wù)在未來向應(yīng)用于液氫領(lǐng)域的超低溫閥門拓展，并已經(jīng)開展了相關(guān)技術(shù)研究和試驗。

總結(jié)

目前中國無論在液氫的生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)發(fā)展上和國外仍存在較大差距，大力研發(fā)氫透平膨脹機，是未來加大生產(chǎn)規(guī)模，提高液氫產(chǎn)能的關(guān)鍵。

中國目前已逐漸建立起液氫標(biāo)準(zhǔn)體系，并通過液氫政策鼓勵更多的企業(yè)加入民用液氫領(lǐng)域。越來越多的企業(yè)加入液氫領(lǐng)域，液氫產(chǎn)業(yè)鏈勢必得到更好的發(fā)展。中國液氫的未來發(fā)展一定是光明的。