第八章

氫的輸送、加注與氫能標(biāo)準(zhǔn)氫能開(kāi)發(fā)與利用氫能輸送的重要性與挑戰(zhàn)01氫的輸送方式02氫高效輸運(yùn)途徑03氫的加注04氫能的標(biāo)準(zhǔn)05目錄CONTENTS氫能輸送的重要性與挑戰(zhàn)01氫能發(fā)展與輸送核心專(zhuān)家觀點(diǎn)與建議氫能作為能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有關(guān)鍵作用。它不僅能提供清潔能源，還能在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換中發(fā)揮重要作用，是未來(lái)能源體系的重要組成部分。氫能的戰(zhàn)略地位氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，安全、高效的輸送是核心環(huán)節(jié)。劉科指出，氫能發(fā)展成敗的關(guān)鍵在于儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，而浙江大學(xué)學(xué)者也強(qiáng)調(diào)管道輸送在氫能應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢(shì)，凸顯了輸送環(huán)節(jié)的重要性。氫能輸送的重要性氫能輸送面臨諸多挑戰(zhàn)，包括材料性能的提升、關(guān)鍵技術(shù)的攻克以及標(biāo)準(zhǔn)的制定。例如，氫氣的高滲透性和易燃性對(duì)儲(chǔ)運(yùn)材料提出了更高要求，而相關(guān)技術(shù)的突破和標(biāo)準(zhǔn)的完善仍需時(shí)間。氫能輸送的挑戰(zhàn)氫能輸送的現(xiàn)狀與問(wèn)題目前氫能輸送主要依賴(lài)氣態(tài)氫、液態(tài)氫、固態(tài)氫三種方式，但均存在明顯短板：氣態(tài)氫是當(dāng)前主流，但其輸運(yùn)效率極低——70MPa高壓下儲(chǔ)氫密度僅約30g/L，一輛長(zhǎng)管拖車(chē)僅能運(yùn)輸30-40kg氫（約滿(mǎn)足10輛燃料電池汽車(chē)的充氫需求），運(yùn)輸成本占?xì)浣K端價(jià)格的20-30%，且高壓容器的制造與維護(hù)成本高昂（占運(yùn)輸成本的60%以上）。液態(tài)氫雖儲(chǔ)氫密度更高（約70g/L），但儲(chǔ)存要求極端——需-253℃低溫環(huán)境，儲(chǔ)罐需采用真空多層絕熱材料（成本占比達(dá)50%），且運(yùn)輸過(guò)程中每天蒸發(fā)損失約1-2%（長(zhǎng)途運(yùn)輸時(shí)損失可超10%），液化能耗也高達(dá)氫自身能量的30-40%。固態(tài)氫（如儲(chǔ)氫合金LaNi?H?）則因效率與成本瓶頸難以規(guī)模化：儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅1-2%（即1kg合金僅能儲(chǔ)存10-20g氫），需大量合金才能滿(mǎn)足需求，且充放氫需加熱/冷卻（耗時(shí)幾小時(shí)），無(wú)法適配快速充氫場(chǎng)景，成本更是液態(tài)氫的5倍以上。此外，安全可靠性是氫能輸送的“致命隱患”：氫的爆炸極限寬（4-75%）、擴(kuò)散速度快（是空氣的4倍），一旦儲(chǔ)氫容器或管道泄漏，極易形成可燃云，遇明火引發(fā)爆炸——如2021年韓國(guó)首爾某加氫站因高壓氫泄漏引發(fā)爆炸，造成1人死亡、多人受傷，凸顯了氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備安全的緊迫性氫的輸送方式02氣態(tài)氫輸運(yùn)氣態(tài)氫輸運(yùn)方式氣態(tài)氫輸運(yùn)主要包括管道輸運(yùn)和高壓管式拖車(chē)輸運(yùn)。管道輸運(yùn)適用于長(zhǎng)距離高壓輸送和短距離低壓配送，具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)氫管道建設(shè)雖有進(jìn)展，但總里程仍有限，未來(lái)需進(jìn)一步發(fā)展。氣態(tài)氫輸運(yùn)面臨諸多挑戰(zhàn)，如氫氣體積能量密度低，導(dǎo)致輸運(yùn)成本高。此外，氫氣的高滲透性對(duì)管道材料和密封技術(shù)提出了更高要求，需攻克相關(guān)技術(shù)難題。氣態(tài)氫輸運(yùn)的挑戰(zhàn)未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，氣態(tài)氫輸運(yùn)有望在更多領(lǐng)域應(yīng)用。例如，開(kāi)發(fā)新型材料以提高管道的耐氫性能，優(yōu)化輸運(yùn)工藝以降低能耗和成本。未來(lái)發(fā)展方向H?狀態(tài)氫的密度/(g/L)氫的含量(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))H?(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))0.09100壓縮H?(35MPa)24100液態(tài)氫(20K)71100氫吸儲(chǔ)合金(LaNi?H?)1051.4液態(tài)氫輸運(yùn)液態(tài)氫輸運(yùn)的特點(diǎn)液態(tài)氫輸運(yùn)具有能量密度高、輸運(yùn)效率高的優(yōu)勢(shì)，主要通過(guò)低溫槽罐車(chē)、鐵路罐車(chē)和船舶運(yùn)輸?shù)确绞綄?shí)現(xiàn)。液態(tài)氫低溫汽車(chē)槽罐車(chē)和液態(tài)氫運(yùn)輸船是關(guān)鍵設(shè)備，技術(shù)成熟度較高。液態(tài)氫輸運(yùn)的挑戰(zhàn)液態(tài)氫輸運(yùn)面臨的主要挑戰(zhàn)是儲(chǔ)存容器和輸送管道的絕熱性能要求高，液態(tài)氫管道的適用范圍有限。此外，液態(tài)氫的液化和儲(chǔ)存成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。1、儲(chǔ)氫的體積密度高。2、容器工作條件溫和，不需要高壓容器和隔熱容器。3、系統(tǒng)安全性好，沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)。固態(tài)氫輸運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)固態(tài)氫輸運(yùn)存在運(yùn)輸效率低、儲(chǔ)氫合金價(jià)格高、放氫速度慢等缺點(diǎn)。這些因素限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，需進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)以降低成本。固態(tài)氫輸運(yùn)最大的缺點(diǎn)是運(yùn)輸效率很低，不到1%。固態(tài)氫輸運(yùn)裝置應(yīng)該質(zhì)量小、儲(chǔ)氫能力大。固態(tài)氫輸運(yùn)的缺點(diǎn)日本大阪氫工業(yè)研究所的多管式大氣熱交換型固氫裝置用672kg鈦系儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫，可儲(chǔ)氫134m3，儲(chǔ)氫率為1.78%，儲(chǔ)氫壓力為33～35bar（3.3～3.5MPa）。德國(guó)曼內(nèi)斯曼公司、戴姆勒-奔馳公司采用7根單根直徑為0.114m的管式內(nèi)部隔離、外部冷熱型固態(tài)氫裝置，用10t鈦系儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫，可儲(chǔ)氫2000m3，儲(chǔ)氫率為1.78%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），儲(chǔ)氫壓力為50bar（5MPa）。鈦系儲(chǔ)氫合金在放氫時(shí)，需加熱至較高的溫度。由于儲(chǔ)氫合金價(jià)格高，通常為幾十萬(wàn)元/t，而且放氫速度慢，還要加熱，所以用固態(tài)氫輸運(yùn)的情形并不多見(jiàn)。應(yīng)用案例固態(tài)氫輸運(yùn)

氫高效輸運(yùn)途徑03摻氫天然氣管網(wǎng)輸運(yùn)摻氫天然氣管網(wǎng)輸運(yùn)的優(yōu)勢(shì)利用既有天然氣管道，將氫氣加壓后輸入，使氫氣與天然氣混合輸送；在用氫端，從管道中提取天然氣及氫

的混合氣，進(jìn)行重整制氫，這是快速儲(chǔ)運(yùn)氫的新方向。技術(shù)挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)天然氣摻氫技術(shù)面臨材料相容性、抗氫脆設(shè)計(jì)制造及運(yùn)維安全保障等瓶頸，缺乏實(shí)證平臺(tái)?，F(xiàn)有“摻氫≤10%即安全”的觀點(diǎn)被眾多學(xué)者質(zhì)疑不科學(xué)。核心風(fēng)險(xiǎn)在于氫脆效應(yīng)——臨氫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致管道材料塑性下降、裂紋擴(kuò)展加速及斷裂韌性劣化，可能引發(fā)管道過(guò)早失效。實(shí)際安全受多重因素影響：摻氫比例、氣體成分、應(yīng)力狀態(tài)及管道原始條件等，單一摻氫比參數(shù)無(wú)法全面評(píng)估安全性，需建立多維度安全評(píng)價(jià)體系。氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)中科院大連化學(xué)物理研究所在氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)方面取得了重要成果。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。研究成果與展望氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)是將氫轉(zhuǎn)化為液體形式（如甲醇、氨等）進(jìn)行輸運(yùn)。這種方式具有能量密度高、輸運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)，適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸。氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)的概念我國(guó)甲醇產(chǎn)能高，儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)成熟，加注站示范項(xiàng)目已取得成功。甲醇作為液體儲(chǔ)氫、運(yùn)氫載體，具有安全性高、成本低等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)氫能輸運(yùn)的重要方向之一。甲醇儲(chǔ)氫的優(yōu)勢(shì)氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)專(zhuān)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了沒(méi)有氫氣的氫輸送系統(tǒng)，即首先將氫轉(zhuǎn)化為某種液體形式，如環(huán)己烷、甲醇、氨等，然后將這些液體送到用戶(hù)，就地制氫，從而實(shí)現(xiàn)氫的高效輸運(yùn)。當(dāng)然要根據(jù)具體情況進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證后，才能決定是否采用。載體儲(chǔ)氫密度（wt%）儲(chǔ)存條件脫氫難度基礎(chǔ)設(shè)施兼容性環(huán)保性甲醇(CH?OH)12.5%常溫液態(tài)（常壓）中（200-300℃催化重整）兼容現(xiàn)有加油站可綠色合成（光伏+CO?）液氨(NH?)17.6%常溫加壓（10bar）或-33℃高（分解需催化劑+高溫）需防腐蝕處理合成過(guò)程碳排放高環(huán)己烷(C?H??)7.2%常溫液態(tài)高（脫氫需300℃+貴金屬催化劑）類(lèi)汽柴油脫氫副產(chǎn)物需處理液態(tài)氫(H?)100%-253℃超低溫-需專(zhuān)用儲(chǔ)罐制氫能耗高表3-1氫衍生品形態(tài)輸運(yùn)氫電共同輸送氫電共同輸送的設(shè)想與優(yōu)勢(shì)“氫電共同輸送”是指在同一能源網(wǎng)絡(luò)體系中，通過(guò)技術(shù)協(xié)同實(shí)現(xiàn)氫氣與電力的聯(lián)合傳輸、轉(zhuǎn)化及互補(bǔ)利用，核心目標(biāo)是解決可再生能源波動(dòng)性消納、能源系統(tǒng)靈活性提升及基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)用問(wèn)題。其理論依據(jù)源于能源特性互補(bǔ)性，而未來(lái)發(fā)展需應(yīng)對(duì)技術(shù)、政策及市場(chǎng)的多重挑戰(zhàn)，同時(shí)也蘊(yùn)含著雙碳目標(biāo)下的重要機(jī)遇?，F(xiàn)在有研究人員大膽設(shè)想氫-電共同輸送，渴望大幅度提高能量輸送效率。該設(shè)想是在特大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電中心，人們先利用太陽(yáng)能光電或太陽(yáng)能熱電獲得大量的電力，再利用這些可再生能源獲得的清潔電力來(lái)電解水制氫，繼而液化氫氣，得到液態(tài)氫。利用多層同軸電纜，同時(shí)輸送液態(tài)氫和電。電纜中心輸送液態(tài)氫，同時(shí)利用液態(tài)氫的極低溫度保持外層金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)，因?yàn)闆](méi)有電阻，電流通過(guò)就不會(huì)發(fā)熱，就能大規(guī)模輸送電，也大大減少了輸電的損耗。同軸電纜的最外層是隔熱、絕緣的防護(hù)層。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，利用我國(guó)西北沙漠發(fā)展太陽(yáng)能電廠，同時(shí)生產(chǎn)液態(tài)氫和電，然后輸送到我國(guó)東部沿海地區(qū)。設(shè)想一旦實(shí)現(xiàn)，會(huì)大大改變我國(guó)的能源格局。氫的加注04全球加氫站發(fā)展現(xiàn)狀全球加氫站數(shù)量逐年增加，主要集中在歐美和亞洲部分地區(qū)。不同國(guó)家的加氫站技術(shù)類(lèi)型多樣，包括液態(tài)氫加氫站和壓縮氫加氫站，各有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)加氫站發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)加氫站以在站式為主，制氫方式多樣，包括天然氣重整制氫和水電解制氫等。未來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，加氫站數(shù)量將快速增長(zhǎng)。加氫站的重要性與發(fā)展加氫站是燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。其布局和建設(shè)直接影響燃料電池汽車(chē)的推廣和應(yīng)用，是氫能產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。加氫站的重要性加氫站基本流程與設(shè)備

圖4-1天然氣蒸汽重整制氫加氫站基本流程示意圖加氫站的系統(tǒng)及主要設(shè)備系統(tǒng)模塊核心組件/工藝天然氣供給系統(tǒng)壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、手動(dòng)/控制閥門(mén)脫硫凈化裝置兩級(jí)凈化工藝:①活性炭吸附：脫除H?S②鈷鉬加氫+ZnO吸附：400℃催化有機(jī)硫→H?S→ZnS輔助凈化：Al?O?除氯化物，氨催化還原脫NOx重整反應(yīng)器蒸汽重整法（Ni-Al?O?催化劑）加熱方式革新:催化燃燒供熱熱交換系統(tǒng)重整冷卻器（殼管式，S31608耐熱鋼）冷凝器（不銹鋼凸片管）水凈化系統(tǒng)碳濾器+離子交換柱PSA提純裝置4塔2次均壓流程吸附雜質(zhì)：CO?、N?、CH?氫氣壓縮多級(jí)壓縮機(jī)儲(chǔ)氫系統(tǒng)多級(jí)高壓氣瓶緩沖罐氫氣加注系統(tǒng)五重安全設(shè)計(jì):①溫度/壓力傳感器②過(guò)壓保護(hù)③拉斷閥④遙控切斷⑤FMEA/危險(xiǎn)性分析表4-1加氫站的系統(tǒng)及主要設(shè)備氫能的標(biāo)準(zhǔn)05氫能標(biāo)準(zhǔn)的重要性氫能標(biāo)準(zhǔn)是氫能大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)，涵蓋氫能制備、儲(chǔ)存、輸運(yùn)和應(yīng)用等環(huán)節(jié)。完善的氫能標(biāo)準(zhǔn)體系可確保氫能產(chǎn)業(yè)的安全、高效和可持續(xù)發(fā)展。氫能標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)略意義我們國(guó)內(nèi)到目前為止還沒(méi)有完整的氫能管道輸送的標(biāo)準(zhǔn)，只是在一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)里給出要求，例如《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)》第1部分、第2部分、第3部分（GB/T34542）以及《加氫站技術(shù)規(guī)范（2021年版）》（GB50516—2010）中對(duì)氫能管道提出了一些規(guī)范要求。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的氫能或者摻氫天然氣的管道輸送，我們還面臨著諸多的挑戰(zhàn)，需要各位相關(guān)從業(yè)者一起努力，推進(jìn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步。我國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加快制定氫能標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。需加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和國(guó)際合作，推動(dòng)氫能標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際接軌，提升我國(guó)在氫能領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。標(biāo)準(zhǔn)制定的緊迫性國(guó)外氫能標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在氫能標(biāo)準(zhǔn)制定方面經(jīng)驗(yàn)豐富（如美國(guó)側(cè)重氫能安全與儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)、歐盟在氫能基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)上成果顯著），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）亦在氫能標(biāo)準(zhǔn)制定中發(fā)揮重要作用，其頒布的標(biāo)準(zhǔn)為全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要參考。標(biāo)準(zhǔn)號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)ISO13848:1999Liquidhydrogenlandvehiclerefuellingsysteminterface（液態(tài)氫-地面車(chē)輛燃料加注系統(tǒng)接口）ISO14687:1999/Cor1:2001Hydrogenfuel-productspecification（氫燃料-產(chǎn)品規(guī)范）（修正文件1）ISO/PAS15916:2004Basicconsiderationsforthesafetyofhydrogensystems（系統(tǒng)安全性的基本要求）ISO17268:2006Compressedhydrogensurfacevehiclerefuellingconnectiondevices（壓縮氫氣地面車(chē)輛燃料加注的連接裝置）表5-1ISO/TC197氫能技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)IEC/TS62282-1:2005-03Fuelcelltechnologies-Part1:Terminology（燃料電池技術(shù)-第1部分：術(shù)語(yǔ)）IEC62282-2:2004-07Fuelcelltechnologies-Part2:Fuelcellmodules（燃料電池技術(shù)-第2部分：燃料電池模塊）IEC62282-3-2:2006-03Fuelcelltechnologies-Part3-2:Stationaryfuelcellpowersystems-Performancetestmethods（燃料電池技術(shù)-第3-2部分：固定式燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)-性能測(cè)試方法）IEC/PAS62282-6-1:2006-02Fuelcelltechnologies-Part6-1:Microfuelcellpowersystem-Safety（燃料電池技術(shù)-第6-1部分：微型燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)-安全）表5-2IEC/TC105燃料電池技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)外氫能標(biāo)準(zhǔn)表5-3