【中科富海】朱誠：液氫應用已到了臨界點
2020-09-03 05:12:57
與高壓氣氫相比，液氫的主要特點是其儲存和運輸的便利以及規(guī)?；瘧玫慕洕б妫虼藰I(yè)界呼吁液氫應盡早實現(xiàn)民用和產業(yè)化。
但氫氣液化是一項技術壁壘極高的技術，氫液化工藝中涉及的核心設備——透平膨脹機，當前全球只有少數公司可以制造。北京中科富海低溫科技有限公司（以下簡稱：中科富海）掌握了氦氣體軸承透平膨脹機等氫液化核心工藝和技術，擁有完全自主知識產權，基本實現(xiàn)全國產化。
然而，由于我國液氫相關標準、法規(guī)的缺失，液氫目前在國內僅應用于航空航天領域，在民用領域的應用處于空白。
“氫能作為一種能源要想大規(guī)模應用，一定要便宜，因此涉及氫的一些設備一定要國產化。”中科富海董事長朱誠表示。經過中科院理化所和中科富海幾代科學家的多年努力，中科富海實現(xiàn)了獨立研發(fā)集成制造大型氫液化設備，并擁有全套自主知識產權，打破了國外的壟斷和封鎖，為氫能源未來的廣泛應用奠定了堅實的基礎。朱誠認為，隨著氫燃料電池產業(yè)的快速發(fā)展，以及相關標準的推進，液氫已經來到了應用臨界點。
液氫的早期應用
早在上世紀五六十年代，我國就開始研究氫液化技術。早期氫液化設備采用節(jié)流制冷技術。1956年，在已故的洪朝生院士帶領下，我國研發(fā)出了第一臺國產節(jié)流制冷型氫液化器，實現(xiàn)了國產液氫零的突破。但這種技術的液氫產能最大僅能達到200公斤/天，且有一定潛在技術風險。隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，節(jié)流制冷型氫液化器已無法滿足我國對液氫的需求。
從上世紀90年代起，我國開始引進國際先進的氦循環(huán)制冷型氫液化器。氫液化技術和設備生產制造主要由Linde、Air Liquide 等少數國外公司掌握和壟斷，包括我國目前在運行的氫液化裝置在內，世界范圍內絕大多數的氫液化裝置均由上述少數幾家公司研發(fā)制造和銷售。
2010年，財政部委托中科院理化所，正式開展液氫溫區(qū)大型制冷設備國產化研發(fā)工作，在之前數十年研究積累的基礎上，中科院理化所突破了液氫溫區(qū)制冷系統(tǒng)的一系列關鍵技術，于2012年成功研制出2000W@20K（-253℃）大型氦透平膨脹制冷機，為大型氫液化器的國產化奠定了堅實基礎。
為進一步加速大型低溫裝備的國產化進程并提高我國液氫生產能力，中科院理化所大型低溫技術成果產業(yè)化公司——北京中科富海低溫科技有限公司于2016年8月正式成立，2017年8月在廣東中山成立了大型低溫裝備制造公司中科富海（中山）低溫裝備制造有限公司，致力于包括國產氫液化器在內的大型低溫制冷設備的研發(fā)和制造。
2017年，中科富海開始研發(fā)第一套液化能力1.5噸/天的大型氫液化裝置，于2019年底完成了所有裝備的加工制造集成，將于2020年開始安裝集成調試，并有望于在2020年產出液氫產品。
此外，中科富海目前正在申報科技部“可再生能源與氫能技術”1.8重點專項，配合國家在2023年實現(xiàn)5噸/天的液氫示范。
中科富海1.5噸/天氫液化器氦壓縮機
中科富海1.5噸/天氫液化器冷箱
朱誠表示：“中科富海的目標是做全球第三、中國第一的大型低溫裝備、綜合解決方案供應商。”液氫的制造裝備是液氫產業(yè)發(fā)展的基礎裝備，沒有基礎裝備，后面的產業(yè)的發(fā)展都將無從談起。
液氫應用臨界點已到
氫能產業(yè)鏈涉及上游制氫、中游氫儲運、下游燃料電池汽車氫氣加注以及其它方面的應用。目前整個產業(yè)成本居高不下，其中氫的終端價格高昂是制約氫燃料電池產業(yè)快速發(fā)展的重要因素。
氫終端售價的成本主要包含了制氫成本、儲運成本和加注成本，氫終端售價高昂的主要原因是氫儲運成本過高。目前我國氫氣主要通過高壓氫氣長管拖車來進行運輸，但這種方式存在單車裝載量少、供給效率低、規(guī)?；杀靖叩葐栴}，液氫儲運將會有效解決上述制約。
以某市為例，假設該市建成20座加氫站，單個加氫站加氫能力為500公斤/天，那么全市氫氣總需求為10噸/天。在此種用氫規(guī)模下，高壓集束管車從生產工藝、運氫車輛的購置及調配等方面都會遇到極大困難。中科富海銷售總監(jiān)寧永強表示，在單站500kg/天以上的大規(guī)模用氫條件下，從用地、工廠建設、運輸車輛等方面綜合計算，液氫相對高壓氣氫整體的固定資產投資可節(jié)約10%-20%。此外，液氫槽車單次運輸可以供應多個客戶，裝載和卸載時間短，且不存在高壓技術管車殘存壓力高的問題，供應能力將近高壓集束管車的10倍，便捷性和效率非常高。
氫液化與壓縮儲運效率對比
在運費方面，液氫具有明顯優(yōu)勢。目前高壓氫氣運費接近2.8元/公斤/100公里，液氫運費有望達到0.4元/公斤/100公里。
此外，就常被質疑的氫液化能耗高的問題，寧永強表示，所謂氫液化能耗占液氫能量1/3的說法并不準確。根據所采用的技術路線及生產規(guī)模不同，氫液化所需能耗也會發(fā)生變化。例如氦循環(huán)制冷氫液化技術能耗約為15-20kW.h/kg，而規(guī)模更大的氫循環(huán)制冷氫液化技術能耗可以降低到6-10 kW.h/kg。而且能耗和成本是兩個概念，僅關注某個技術的某個點過于片面。寧永強介紹稱，高壓氫氣在氫氣工廠充裝和加氫站增壓的過程也需要大量耗能，從生產運輸加注的全周期來看，液氫的能耗要低于高壓氫氣。
U Cardella, Economically viable large-scale hydrogen liquefaction
液氫還有一個優(yōu)勢是可以大幅提升氫氣的純度。我國是全球第一產氫和用氫國，擁有大量廉價工業(yè)副產氫資源。但氫燃料電池對氫氣中某些微量雜質非常敏感，提純去雜質難度大、成本高。導致這些廉價氫源無法直接用于氫能產業(yè)。在液氫溫度下，氫氣中絕大多數有害雜質將被固化去除，從而得到純度達99.9999%以上的超純氫氣，完全可以滿足氫燃料電池使用標準。
寧永強介紹，就不同氫儲運方式而言，在不同的用氫規(guī)模下具有不同的經濟性。當用氫規(guī)模在500公斤/天以下時，在站制氫和高壓儲運具有一定經濟性，但用氫量達到500公斤/天以上時，上述儲運方式的投資和運營成本將大幅增加，經濟性降低，液氫儲運的經濟性優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。
寧永強介紹，就不同氫儲運方式而言，在不同的用氫規(guī)模下具有不同的經濟性。當用氫規(guī)模在500公斤/天以下時，在站制氫和高壓儲運具有一定經濟性，但用氫量達到500公斤/天以上時，上述儲運方式的投資和運營成本將大幅增加，經濟性降低，液氫儲運的經濟性優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。
Qin N, Brooker P, Srinivasan S. Hydrogen Fueling Stations Infrastructure[J]. Fuel Cell Vehicles, 2014.
2020年5月9日財政部發(fā)出的《關于征求<開展燃料電池汽車示范推廣的通知>（征求意見稿）意見的函》中明確表明，固定式加氫站加氫能力在500公斤/天以下時將不給予補貼支持，大于1噸/天將獲得全額補貼。
對此朱誠表示：“氫能產業(yè)的發(fā)展未來從規(guī)模和體量方面都會有一個巨大的提升，液氫是實現(xiàn)氫能產業(yè)規(guī)模化發(fā)展的重要解決方案。根據政策指向和發(fā)展趨勢，我們目前正處于高壓氣氫到液氫的臨界點。”
困局待解
液氫是未來氫能源大規(guī)模應用的重要解決方案，能夠讓氫能源的利用既便宜又便捷，但是液氫的應用目前還存在標準和法規(guī)缺失等體制限制。
美國、歐洲、日本從液氫的儲存到使用，包括加氫站全部都有了比較規(guī)范的標準和法規(guī)，液氫發(fā)展產業(yè)鏈比較完備，因此國外將近有1/3的加氫站為液氫加氫站。反觀國內，礙于缺少相關的技術標準和政策規(guī)范，目前仍少有企業(yè)涉足液氫領域。
對此寧永強表示：“液氫在民用領域應用空白的最大原因除了技術本身的限制外，主要是需求不足。”
化工、冶金、電子等領域的用氫的供需目前是基本平衡的，液氫的新增需求主要寄希望于氫能源產業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。需求上來后會反過來推動液氫產業(yè)的發(fā)展，包括技術、標準、法規(guī)、政策等。
因此，雖然標準和法規(guī)還沒有正式落地，但目前布局液氫的企業(yè)逐步增多，都在做技術儲備和示范項目，爭取能搶占先機。
隨著氫能產業(yè)的快速發(fā)展以及國內對于液氫的呼吁，我國已開始著手解決民用液氫的政策缺失問題。
2019年6月26日，全國氫能標準化技術委員會發(fā)布關于對《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產系統(tǒng)技術規(guī)范》和《液氫貯存和運輸安全技術要求》三項國家標準征求意見的函。
這三項意見稿的發(fā)布將填補國內民用領域液氫標準的空白，標準是制定法規(guī)的基礎，標準落實后，法規(guī)的出臺只是時間問題。
最后，朱誠再次強調：“政策固然重要，但是技術仍然是關鍵，氫能源作為一種能源未來要實現(xiàn)大規(guī)模應用首先一定要便宜，要做到便宜，相關環(huán)節(jié)上的設備就一定要實現(xiàn)完全的自主化、國產化。”
通過氫液化儲運的方式，未來的終端加氫價格有望控制在30元/公斤以內，彼時，液氫在市場上將具備極強的競爭力。
《來源：第一元素網》
