液氫：高效能源儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)倪x擇

在不斷尋求更清潔、更可持續(xù)的能源解決方案的過(guò)程中，氫已成為領(lǐng)跑者。隨著工業(yè)和國(guó)家尋求減少碳足跡，氫提供了一個(gè)有希望的替代方案。然而，氣態(tài)的氫在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面有著不小的挑戰(zhàn)。

在某些情況下，將氣態(tài)氫轉(zhuǎn)化為液態(tài)就是解決方案。但是我們?yōu)槭裁匆夯瘹?，這個(gè)過(guò)程的利弊是什么？在本文中，我們將探討液氫的科學(xué)、應(yīng)用、風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)勢(shì)，為從事研究、開(kāi)發(fā)和采購(gòu)的專業(yè)人士提供關(guān)鍵見(jiàn)解。

本文主要內(nèi)容：與氣態(tài)氫相比，液氫的能量密度更高，更容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存。液化是非常能源密集型的，到目前為止，氫的成本超過(guò)了經(jīng)濟(jì)上可行的水平，但正在進(jìn)行的研究旨在提高其效率。液氫的風(fēng)險(xiǎn)包括低溫?zé)齻浯嗪涂扇夹?，但通過(guò)正確的安全措施，這些都是可以控制的。液態(tài)氫的關(guān)鍵應(yīng)用包括空間探索、燃料電池、工業(yè)和可再生能源存儲(chǔ)。

為什么把氣態(tài)氫變成液態(tài)氫？

將氫轉(zhuǎn)化為液體的主要原因很簡(jiǎn)單：效率。在氣態(tài)狀態(tài)下，氫的能量密度很低，這使得它難以大量?jī)?chǔ)存和運(yùn)輸。液化它會(huì)壓縮氫，顯著減少氫的體積——減少了大約800倍。

Stargate Hydrogen的首席技術(shù)官Rainer k ngas博士解釋說(shuō)：

“氫氣非常輕，從純粹的能量密度的角度來(lái)看，如果你試圖大規(guī)模存儲(chǔ)它，你要么使用超大的儲(chǔ)罐，要么將其壓縮到高壓。通過(guò)將氫轉(zhuǎn)化為液體，可以使其更緊湊，更容易遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。但還有其他方面需要考慮，比如液化的能源消耗。在某些情況下，將氫氣轉(zhuǎn)化為氨或甲烷用于運(yùn)輸更有意義，因?yàn)檫@些化學(xué)物質(zhì)更容易運(yùn)輸，也更便宜。”

液氫的優(yōu)點(diǎn)

更高的能量密度：在液體狀態(tài)下，氫的能量密度比氣態(tài)高得多。這意味著更多的能量可以儲(chǔ)存在更小的空間里。

高效運(yùn)輸：氣態(tài)的氫需要高壓容器進(jìn)行運(yùn)輸，這既昂貴又復(fù)雜。另一方面，液態(tài)氫可以更容易地通過(guò)低溫儲(chǔ)罐移動(dòng)。在物流方面，液氫在長(zhǎng)途運(yùn)輸中更為實(shí)用。

長(zhǎng)期儲(chǔ)存：另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是液氫可以儲(chǔ)存更長(zhǎng)的時(shí)間，而不需要經(jīng)常使用高壓容器。這使得它適用于存儲(chǔ)時(shí)間至關(guān)重要的應(yīng)用，例如能源備份系統(tǒng)。

液態(tài)氫的缺點(diǎn)

雖然液態(tài)氫在密度和儲(chǔ)存方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但它也有自己的一系列缺點(diǎn)：

能源密集型過(guò)程：液化氫并不容易。這個(gè)過(guò)程消耗了大量的能源——大約需要?dú)浔旧硭芰康?0%。

正如Rainer k ngas博士指出的那樣，“將氫冷卻到液態(tài)所需的能量是巨大的。我們需要平衡這種能源成本和液氫運(yùn)輸和儲(chǔ)存的整體效益。”

特殊的儲(chǔ)存要求：儲(chǔ)存液氫需要能夠保持低至-253°C溫度的低溫罐。這些儲(chǔ)罐價(jià)格昂貴，需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)確保氫保持液態(tài)。

“挑戰(zhàn)不僅僅是冷卻氫氣；它必須使液體在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持在那個(gè)溫度，”Rainer kngas博士說(shuō)。

蒸發(fā)損失：即使使用最好的低溫儲(chǔ)存系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移，一些氫也不可避免地會(huì)蒸發(fā)。這種逐漸的損失必須考慮到使用液氫的整體效率和成本。然而，與氣態(tài)加壓儲(chǔ)氫相比，損失要小得多。

液化的原理

將氫轉(zhuǎn)化為液體的過(guò)程被稱為低溫液化，這是一項(xiàng)不小的壯舉。下面是它的工作原理：

氣體收集：該過(guò)程從氫氣開(kāi)始，通常通過(guò)電解(將水分解成氫和氧)或天然氣重整等方法產(chǎn)生氫氣。

壓縮：氫氣被分階段壓縮，為冷卻做準(zhǔn)備。壓縮本身不足以液化氫，但它是減少冷卻所需總能量的關(guān)鍵一步。

冷卻到低溫：氫氣需要冷卻到-253°C才能變成液體。這需要能夠達(dá)到低溫的專門(mén)冷卻設(shè)備。需要一系列的壓縮機(jī)和熱交換器來(lái)降低溫度，使氫從氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。

低溫儲(chǔ)罐：氫氣液化后，儲(chǔ)存在專門(mén)設(shè)計(jì)的低溫儲(chǔ)罐中。這些儲(chǔ)罐不僅能使氫氣保持在所需的溫度，而且還能防止蒸發(fā)和泄漏。維持這些儲(chǔ)罐所需的能量是使用液氫的整體效率的一個(gè)因素。雖然液態(tài)氫的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很清楚，但了解處理它所涉及的風(fēng)險(xiǎn)也很重要。安全是重中之重，尤其是在處理像氫這樣易揮發(fā)的物質(zhì)時(shí)。

低溫灼傷：最直接的風(fēng)險(xiǎn)之一是液態(tài)氫的極冷。在-253°C的溫度下，直接接觸會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的低溫灼傷。處理液氫需要專門(mén)的設(shè)備和協(xié)議來(lái)確保安全。任何與皮膚或普通材料的接觸都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損傷。

氫脆：與液氫相關(guān)的另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是氫脆，金屬接觸氫會(huì)變脆，容易開(kāi)裂。這對(duì)儲(chǔ)罐、管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)尤其成問(wèn)題。氫脆會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)意想不到的故障，因此我們必須使用專門(mén)設(shè)計(jì)的金屬和合金來(lái)抵抗這種影響。

可燃性和爆炸危險(xiǎn)：氫是高度易燃的，它的低點(diǎn)火能量使它很容易在空氣中點(diǎn)燃。在處理液氫時(shí)，即使是很小的泄漏也會(huì)造成重大風(fēng)險(xiǎn)。氫氣在空氣中燃燒時(shí)發(fā)出看不見(jiàn)的火焰，這使得它更難被探測(cè)到。安全措施是確保立即解決任何泄漏的關(guān)鍵。

儲(chǔ)存壓力積聚：隨著時(shí)間的推移，即使是最好的低溫儲(chǔ)罐也會(huì)使液氫蒸發(fā)，導(dǎo)致壓力積聚。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)陌踩胧?，這種壓力可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的情況。這就是為什么存儲(chǔ)系統(tǒng)必須包括壓力釋放機(jī)制，以避免潛在的爆炸。

液態(tài)氫可以用在哪里？

隨著工業(yè)尋求更清潔的能源解決方案，液態(tài)氫的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

太空探索：液態(tài)氫作為火箭燃料已經(jīng)在太空任務(wù)中使用了幾十年。它的高能量密度和高效燃燒使其成為航天器的理想動(dòng)力。長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)宇航局一直依靠液態(tài)氫來(lái)推動(dòng)火箭進(jìn)入太空。

汽車(chē)燃料電池：氫動(dòng)力汽車(chē)正變得越來(lái)越普遍，尤其是以燃料電池的形式。燃料電池將氫轉(zhuǎn)化為電能，為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，唯一的副產(chǎn)品是水蒸氣。液態(tài)氫是一種很有前途的替代傳統(tǒng)燃料的交通工具，特別是對(duì)于需要大量燃料的重型車(chē)輛，如公共汽車(chē)和卡車(chē)。

工業(yè)應(yīng)用：液態(tài)氫用于各種工業(yè)過(guò)程，從精煉金屬到生產(chǎn)肥料用氨。它也是一些化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵成分，使其成為許多工業(yè)的重要資源。

發(fā)電和儲(chǔ)能：也許液氫最令人興奮的應(yīng)用之一是在儲(chǔ)能領(lǐng)域。太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的多余電力可以用來(lái)生產(chǎn)氫氣，然后將其液化并儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)電力需求激增時(shí)，氫可以重新轉(zhuǎn)化為電力。液態(tài)氫可以在穩(wěn)定電網(wǎng)和支持可再生能源方面發(fā)揮重要作用。