从液氢产业现状看未来趋势

随着环境问题的日益严重和化石能源的逐渐枯竭，寻找高效的绿色替代能源变成了迫在眉睫的任务。 在今年4月世界领导人气候峰会上，世界主要经济体纷纷表明削减碳排放目标，为应对全球气候变化而努力。美国、欧盟、日本和巴西等国家和地区承诺于2050年之前实现碳中和，中国也再一次重申了2060年碳中和的目标。 发展绿色低碳能源，逐步取代传统化石能源已经成为了各个国家努力的方向。 氢气具有来源广、热值高、零排放等特点，这些特点使氢气从众多新能源的行列中脱颖而出，吸引了社会的关注。 然而随着各行各业对氢气的需求量逐渐增大，如何高效地储存和运输氢气便成为了氢气发展的关键因素。 液氢是通过预冷和多次绝热膨胀后，将氢气降温到-253℃经节流得到的液化气体。由于液氢的密度是氢气的800倍，相比其他运输方式，液氢的高储运密度，高运输效率和适合长距离运输等特点，使其成为了氢优质的储存和运输方式之一。 液氢产业链可分为液氢制取、液氢储运和液氢加注。本文将简要介绍国内外的液氢产业链发展，并对国内未来液氢发展做出展望。

图片来源：势银（TrendBank）

  

液氢制取：加大生产规模是难题所在

在1898年，苏格兰低温科学家詹姆斯•杜瓦首次实现氢液化，人类历史上第一次生产出液氢。此后的数十年中，液氢开始在航天、化工等领域发挥重要作用。 目前全球的液氢产能接近500TPD，其中北美地区有接近20座10TPD以上的液氢生产工厂，占据了全球85%的产能，远远领先于其他国家和地区。 氢液化装置主要由透平膨胀机、换热器、压缩机和正仲氢转化器等设备组成。目前国外的大型氢液化装置主要采用液氮预冷搭配氢透平膨胀机组的技术路线，小型氢液化设备大多采用氦透平膨胀机制冷搭配J-T节流阀液化的技术路线。 美国空气产品公司、德国林德集团和法国液化空气集团几乎垄断了氢液化装置的市场和技术领域，已掌握成熟的氢透平膨胀机技术，并有能力提供单个产能超过30TPD的氢液化设备。 俄罗斯的深冷机械公司Cryogenmesh也可以生产最大17TPD的氢液化装置，目前已应用于俄罗斯多个航天发射场。 中国最早于1956年在中国科学院物理研究所低温实验室第一次制得液氢，并于1960年完成第一套小型氢液化装置。然而和国外相比，中国的液氢发展仍处于追赶状态。目前中国的产能仅仅达到4TPD，最大的单个液氢工厂的产能仅有2.5TPD，且全部集中于航天发射保障单位。 在民用液氢领域，中国仍处于空白阶段。现如今，包括北京航天101所、北京中科富海低温科技有限公司、江苏国富氢能技术装备股份有限公司等企业都已经掌握了成熟的氢液化设计流程。 

• 北京航天101所和北京中科富海低温科技有限公司都开发出了以氦透平膨胀机为核心的氢液化装置；

• 江苏国富氢能技术装备股份有限公司开发出了以氢透平膨胀机为核心的氢液化装置；
• 鸿达兴业使用北京航天101所提供的氢液化装置，已于2020年底成功生产液氢，打破了民用液氢市场的空白。

难以扩大生产规模是中国目前液氢制取产业的“痛点”所在。液氢生产工厂的建设成本高，能耗高，必须提高生产规模，才能有效降低单位成本，提高液氢的竞争力。
 而氢透平膨胀机是提高生产规模的核心所在。液氮预冷搭配氢透平膨胀机的技术组合产生的制冷能耗相较氦透平膨胀机技术要低25%，并且设备简单，是当下大型氢液化装置的工艺首选。 目前北京航天101所和北京中科富海低温科技有限公司都已经开始进行氢透平膨胀的开发研究，并在样机生产上取得了成果。国富氢能拟在河南洛阳和山东投建的液氢生产工厂均将采用氢透平膨胀机技术，产能在8.6-10TPD。

液氢储运：海上运输将成为未来趋势

液氢对储罐的隔热技术要求很高，通常采用多层真空隔热技术。目前，美国Gardner Cryogenics公司、美国Chart公司、日本川崎重工业株式会社和俄罗斯深冷机械公司Cryogenmesh等企业代表了液氢储运的产业前沿。

• 美国Gardner Cryogenics公司是美国第一家提供液氢罐车的企业，容积达到65立方米，并将每日气化损耗保持在0.2%以下；

• 美国Chart公司目前已在全球建设了超过800个液氢储罐，最大的超过650立方米；

• 俄罗斯深冷机械公司Cryogenmesh也提供多种规格的储罐，最大的达到1400立方米，也向中国出口过100立方米的液氢铁路罐车。

国内已打破液氢储罐的技术壁垒，缩短了和国外的技术差距，实现了液氢储罐的自主生产。目前安置在海南文昌发射场的液氢储罐中，5个300立方米的储罐由张家港中集圣达因低温装备有限公司制造，2个300立方米的储罐由南京航天晨光公司生产，1个120立方米的储罐由四川空分设备有限公司提供。 江苏国富氢能技术装备股份有限公司也已经生产出液氢储罐和液氢罐车的样品，未来将应用于国富氢能投建的洛阳液氢生产项目。 值得注意的是，日本川崎重工业株式会社在神户港建设了2500立方米的液氢储罐，并制造了全球第一艘液氢运输船。运输船上设置2个1250立方米的液氢储罐，到港后由机械臂协助卸载储罐。 液氢高储运密度和适合长距离运输的特点和海上运输极为契合。液氢运输船可以实现低碳能源在全世界范围内的再分配，意味着建立全球低碳能源供应网络成为了可能。 在全球范围内，可再生能源丰富的地区和能源需求高的地区存在相当大的地理错位。使用可再生能源水电解制氢，并以液氢的方式将能源在全球范围内进行再分配，即可以解决可再生能源的消纳问题，也可以将绿色能源从供给端向消费端转移。 举个例子，使用北欧的风电制取液氢后运至日本进行利用，这可能会成为未来值得关注的发展趋势。 在中国，液氢海外输入也开始纳入政府规划中。在2021年浙江省发布的《新能源汽车产业发展“十四五”规划》中，浙江省政府提到了要开始超前规划氢能海外输入登陆站的建设方案，为将来的海上运输做准备。 

液氢加注：液氢加氢站必将占据舞台中心

世界上其他国家已建的400多座加氢站中，大约1/3是液氢储氢型加氢站。液氢加氢站技术的核心在于液氢泵，而美国空气产品公司提供的液态氢气压缩泵（CHC）和林德集团提供的液氢泵（Cryopump）是其中的佼佼者。 据林德集团介绍，使用高压深冷液氢泵技术，出口氢气压力可以达到900Bar的高压，且液氢的冷能得到充分利用，无需额外冷却系统，氢气温度可以控制在-40℃或者加氢协议要求的氢气温度。

 充装能力达到1吨/天的加氢站，若使用林德液氢泵技术，系统占地面积低至十几个平方米。 据势银了解，一套储氢量在300-1000千克的高压氢气集束管需要占地60-80平方米，而一套储氢量在400-6000千克的液氢储罐仅占地10-30平方米。这意味着建设液氢加氢站可以极大地降低用地成本，也为未来加氢站向城市中心区扩张提供了可能。 使用液氢技术同样可以有效降低运营成本。和传统压缩气氢加氢相比，使用液氢泵的能耗更低，且无需对加注氢气进行预冷。这即降低了加氢站的整体能耗和运营成本，还使得加注效率和速度大大提升。 中国在液氢加氢站的推广中相对落后，在液氢泵的技术领域也相对空白，目前仅在北京航天101所建成了一座液氢加氢示范站。 尽管如此，各大企业已经加快了在液氢加氢站方面的布局。 2021年2月，江苏国富氢能技术装备股份有限公司宣布与佛燃能源集团股份有限公司等4家企业共同签约，将在液氢加氢站方面开展合作，预计于2021年下半年在佛山建设一座液氢加氢示范站。 随着氢燃料电池汽车的逐步推广，加氢站的角色将越来越不可或缺。与传统气氢加氢站相比，液氢加氢站拥有占地小、运营成本低、扩建成本低等一系列优势。凭借这些优势，液氢加氢站将逐渐走向舞台中央。

未来：充满希望

尽管液氢在中国的发展和国外仍存在一定差距，但随着近年来国家政策的重视和相关标准的制定，液氢产业发展已有欣欣向荣的态势。以下几点原因让势银相信，液氢一定会在未来的中国市场上获得大力发展，占据重要地位：
1、氢气需求量巨大
随着中国宣布2030年碳达峰，2060年碳中和以后，各行各业都开始寻求绿色转型。交通行业对氢气的需求正逐渐上升。 据势银统计，截止2020年，全国氢燃料电池汽车保有量已达到7000辆。在2021年，氢燃料电池汽车保有量预计将首次突破一万大关。 由于制取液氢需要零下253℃，大多数的气体杂质都会凝固分离。因此直接对液氢进行气化可以很容易地获得6N品质的超纯氢，不仅适合氢燃料电池，也满足半导体、电子、化工等其他行业对大规模超纯氢的需求。 钢铁冶金行业对氢气的潜在需求也相当大。 据中国宝钢集团旗下宝武清能专业团队分析，如使用全氢工艺进行钢铁冶炼，一个百万吨级的钢铁厂每天要消耗220吨氢气。中国2019年的粗钢总产量达到9.96亿吨，假设所有的钢铁都使用全氢工艺进行冶炼，那么整个钢铁行业一天将消耗约22万吨的氢气，一年将消耗8000万吨以上的氢气。 液氢作为氢气大规模应用的优质储运方式，可以有效解决氢气资源的地域错配问题，将氢气从供给端转移到消费端。未来氢气巨大的市场同样标志着液氢将得到广泛应用。 2、国家相关标准的制定
在2021年5月，中国国家标准委正式发布了GB/T40045-2021《氢能汽车用燃料 液氢》、GB/T40060-2021《液氢贮存和运输技术要求》、GB/T40061-2021《液氢生产系统技术规范》等三项液氢国家标准，并在GB50516-2010《加氢站技术规范》中加入了液氢储存和应用等相关内容。 液氢相关标准的发布意味液氢产业的发展终于有法可依，即给企业建立自己的研发和生产体系提供了技术规范，又给政府审批相关液氢项目提供了依据。液氢标准的发布，将真正地帮助液氢实现价值化。 3、国家政策的大力扶持
据势银统计，从2019年至今，约有60个国家和地方政策提及液氢。
在国家层面上，中国国家科技部从2019年至今已连续3年在“氢能技术”重点项目申报中将液氢相关项目列入其中，内容包括设计氢液化流程、研发氢膨胀机和正仲氢转化器等核心设备。 在地方层面上，北京、河北、内蒙古、浙江等多个省份和地区都将开展液氢产业链的示范项目。 其中内蒙古呼和浩特市在《呼和浩特关于推进氢能产业高质量发展的实施意见（征求意见稿）》中已明确提出将在2025年达到60TPD的液氢生产规模，并形成完整的液氢产业链。 各个液氢相关政策的落地将鼓励相关企业对液氢领域加大投入，对液氢产业链的建立与完善起到极大的积极作用。 4、新的玩家进入中国液氢市场
据势银了解，目前已经有多家企业计划进入中国液氢市场。 霖克流体设备(大连)有限公司向中国市场推出了超低温液氢专用阀门，工作温度最低可达零下269℃，管径最大可达DN150。液氢阀门原先用于航天领域的火箭推进器中。 相关人士向势银表示，未来他们希望向中国民用液氢领域扩展。为提高产品出货和技术响应速度，霖克流体已经在大连建设了阀门制造工厂。 高策阀门（昆山）有限公司也有意向在中国液氢市场加快布局。高策阀门提供最低工作温度达到零下270℃的液氢安全阀，管径范围为DN15-100。 相关人士透露，目前高策阀门已经与中国在建液氢生产工厂开展合作谈判，预计会在将来应用于中国民用液氢生产工厂。
此外，有多家阀门企业对势银表示，计划将业务在未来向应用于液氢领域的超低温阀门拓展，并已经开展了相关技术研究和试验。 

总结

目前中国无论在液氢的生产规模和技术发展上和国外仍存在较大差距，大力研发氢透平膨胀机，是未来加大生产规模，提高液氢产能的关键。 中国目前已逐渐建立起液氢标准体系，并通过液氢政策鼓励更多的企业加入民用液氢领域。越来越多的企业加入液氢领域，液氢产业链势必得到更好的发展。中国液氢的未来发展一定是光明的。

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