氢气的运输

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氢气的输运包括工业钢瓶、集装格、长管拖车、气体管道、液态氢气、有机液体、储氢合金等方法。单个工业氢气钢瓶的容积为40 L, 压力为15 MPa, 储氢为0.5 kg. 集装格由9~20个氢气钢瓶组成, 储氢3~10 kg, 主要是实验室 的氢气输运。100 kg以上的氢气输运方法主要是长管拖车、气体管道、液态氢气。

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在陆地上进行大量氢气输送时, 气体管道输送很有效。一般的氢气集装格和长管拖车中都有连接钢瓶的气体管道, 在陆地上能够铺设大规模、长距离而且高压的氢气管道进行氢气输送。管道运输是具有发展潜力的低成本运氢方式。低压管道适合大规模、长距离的运氢。由于氢气在低压状态(工作压力1~4 MPa)下运输, 因此相比高压钢瓶输氢能耗更低, 但管道建设的初始投资较大。

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有机液体以及氨气输运氢气也是正在开发的氢气储运方法, 尤其是在长距离、大规模的氢气输送方面具有一定优势, 但是杂质气体含量高, 高纯氢气使用时需要重新纯化。固态合金输氢纯度高、安全性好, 但是输运能耗高、成本高, 适合人口密集的区域以及短距离的氢气输运。图1是3种主要输氢方式价格与距离的变化。长管拖车输运氢气成本随距离的增加显著, 适合300 km以内的输氢, 距离超过300 km时, 液氢和管道输氢更合适, 输氢量越大, 这种趋势越明显。表1是不同输氢方法所对应的一些参数。

3 液氢制造和储运

液态氢气是一种深冷的氢气储存技术。将氢气经过压缩后,深冷到21 K以下变为液氢,然后储存到特制的绝热真空容器中。常温、常压下,液氢的密度为气态氢的845倍,液氢的体积能量密度比压缩贮存高好几倍,这样,同一体积的储氢容器,其储氢质量大幅度提高。但是,由于氢具有质轻的特点,在作为燃料使用时,相同体积的液氢与汽油相比,含能量少。这意味着将来若以液氢完全替代汽油,则在行驶相同里程时,液氢储罐的体积要比现有油箱大得多(约3倍)。

理想状态下,氢气液化耗能为3.92 kW h/kg。目前的氢气液化主要是通过液氮冷却和压缩氢气膨胀实现,耗能为13~15 kW h/kg,几乎是氢气燃烧所产生低热值(产物为水蒸气时的燃烧热值, 33.3 kW h/kg)的一半(图2),而氮气的液化耗能仅为0.207 kW h/kg,因此降低氢气液化耗能至关重要。

图 2 不同氢液化方法的能耗

一个有效的方法就是扩大液氢的制备规模,通过大规模设备,可以将氢气液化能耗降低到5~8 kW h/kg。调整工艺也是一个有效方法,比如欧洲联盟的IDEALHY项目使用He-Ne布雷顿法制备液氢,能耗为6.4 kW h/kg。另外,发达国家正通过创新氢液化流程和提高设备工艺及效率的方法,提高氢液化装置的效率和降低能耗。一些采用高性能换热器、膨胀机和新型混合制冷剂的氢液化创新概念流程的能耗最低已至4.41 kW h/(kg LH2)。