中科富海宁永强：氢液化技术发展及应用

10月21~22日，在中国土木工程学会燃气分会的支持指导下，中国城燃氢盟携手佛燃能源集团股份有限公司、佛山环境与能源研究院召开了2021年年会暨第二届氢能学术会议。我会会员单位北京中科富海迪文科技有限公司销售总监宁永强发表主旨演讲《请夜话技术发展及应用》主题报告。

理化所与中科富海背景

中科富海主要利用低温技术来解决氢能全产业链的主要环节-储运环节，我们认为氢能产业的规模化发展和储运环节的技术突破是推动终端用氢成本下降的俩大主要因素。2016年到2020年期间我们主要在技术储备方面、相关设备的研发方面等对市场进行调研，探讨形成了一定的商业模式。2020年前后，我们先后承接了一些国家和地方的示范项目，第一台1.5吨设备也准备投入运行，预计有2-3年的示范期，若示范成功，2023年-2025年将进入快速发展期，可能会在国内建设2-3座5吨以上的氢液化工厂。技术和商业模式成熟以后，我们就会逐渐从设备生产型的企业转变为液氢销售商，或者变成一家能源公司，或者是气体公司。

 

氢的大规模储运与成本分析

目前我国在制氢方面已经是非常成熟了，我国既是世界最大的产氢国，也是最大的用氢国，我们的氢产能后面还将进一步扩大，氢能也将广泛应用于石化、工业、电子、食品、冶金等领域。目前我们所说的氢需求指的是氢能产业，根据《中国氢能产业发展报告》，到2050年全国将建成一万多座加氢站，我认为现在的发展速度会比这个目标要快，到那时我们氢燃料电池汽车的需氢量一天就要6万吨，那就有两个问题：一是这么多的氢从哪里来？二是如何储存和运输？我认为这就是我们做液氢的使命和机遇。

 

储运方式的经济性方面，氢能的应用和生产、储运离不开两个字，就是“规模”，例如，每天400公斤以下在站制氢或者是压缩的集束管车运氢具备一定经济性，而且非常稳定，也比较灵活，但液氢的储运方式在小规模用氢时不具备经济性，因为液氢要维持很低的温度，长时间不加氢会有损耗问题。通过对比不同储运方式的全生命周期的成本对比，液氢的成本是最低的。通过综合对比高压氢气和液氢，我们可以看出一个是压力的问题，高压氢气本身不管介质的化学性质，实际上压力本身就是比较大的危险源，现在还有很多压缩氢气的厂商也在呼吁让我们国家提高压力等级，将储罐提至30兆帕甚至到50兆帕，这将会带来两个问题：一是相关管路的标准都要升高，不光是车的标准要升高，客户端也要制定相应的标准。二是高压力长管拖车在路上跑，一旦发生危险，其危险等级非常高，非常不可控。反观液氢，它的压力非常低，不存在这个问题，再就是液氢比较灵活，充装、卸载时间也非常快。固定投资方面，经美国研究，当加氢站的规模达到400公斤以上，整个固定投资除了用地和设备投资，液氢的要比高压氢气的成本低。还有一个很重要的因素，虽然目前国内的加氢站建设比较偏远，但实际也要建在人口相对稠密的地方，加氢站和加油站一样是特许经营，土地成本非常昂贵。而液氢加氢站的加氢设备和液氢泵都具备高度集成化，至少比高压加氢站节省1/3的土地费用。

 

这是一个案例分析。如果我们每天氢气的需求量为10吨，这个城市有1000多台氢能车辆，每天要加10吨氢，要怎么来保障呢？如果以高压的路线，就需要15个很大的压缩机，压缩机的占地空间非常大。以我们国家现在的标准，这些都是要占化工用地，土地成本非常贵，也很难获取。除了压缩机占地空间大，充装占地空间也大，8个充装车位，每天24小时工时。我要养一个比较庞大的车队，要有110个集束管车，一部分充装，一部分在路上跑，还有一部分在客户那儿放着，才能保障供应。如果是液氢的话，只需要一个液氢工厂，有2个储罐，2个槽车，这样就足够了。

 

液氢的优点及成本分析

我国燃料电池的用氢标准，对里面的一氧化碳、硫、氨等的要求比较苛刻，尤其是硫，要求到4个ppm以下，刚出这个标准时，我们国家甚至没有一个检测机构能够精准地把硫检测出来。燃料电池用氢成本高，那是因为所用的氢是以电解的方式制取的，别的制氢方式所制取的氢不符合要求，所以燃料电池用氢成本比较昂贵。液氢在液化的过程中，这些杂质的温度远高于氢液化的三相点，所以所制取的氢的纯度非常高。我们国内的电子厂、半导体厂所用的高纯度的氢，一般是自己电解水制氢然后再加纯化，但美国、日本用的都是液氢，后面再加上简单的纯化，成本会大大降低。

 

国际能源署对储氢材料提出的要求是质量储氢密度大于5%，体积储氢密度大于50公斤/立方米。综合所有的储氢方式，如果以纯氢的方式来存储的话，只有液氢能够达到这样的指标。液氢的储能密度是非常高的，高压氢气则是根据压力的不同，从200公斤到700公斤，最大值也没有液氢的储能密度高。现在我们还在研发一个新技术，就是超临界氢，也就是高压压缩低温氢气，它的储能密度甚至大于液氢。

 

近年来大家一直在呼吁要降低氢的成本，液氢是降低整个用氢成本的选择之一。我国三峡一带、云贵一带每年的弃水量非常庞大，还有现如今发展得如火如荼的海上风电，修电缆的成本是非常高的，所以大家都在讨论用制氢的方式消纳。液氢在这方面占据一定优势，通过液氢工厂，可以做出两个产品：一个是氢、一个是电。近期，北汽和清华大学团队发布了全球第一款液氢重卡，其燃料用的就是液氢。我们设想今后重卡的拖头都是以液氢为燃料，这样的话今后运液氢的槽车也是用这样的重卡来运，这样氢的定价基本上就可以和化石能源脱钩了。现在购买氢气，成本那块运费占大头，运费是跟柴油挂钩的，所以氢气的价格永远不可能跟石油脱钩。但通过大型液氢门站、用户，设立大型液氢储罐，整条产业链都是在大规模的情况下运行的话可以有效降低综合成本。

 

这是我们氢液化成本的分析。我们公司做了一个1.5吨/天的氢液化气，虽然还没开始运行，但我们大概测算了一下，枪口成本是38.5元，其中还是有很大的下降空间，液氢有很好的应用场景，实现成本下降不是问题。经林德研究，随着氢的液化规模不断增大，液氢固定投资和运行成本显著降低，尤其是能耗这块，如果是5吨/天，理论能耗是10度电。如果到150吨或者是50吨的话，理论能耗可以降到6度电。随着氢液化规模的不断增大，综合成本一定会不断降低，这也是我们为什么一定要做大规模的氢液化装置。氢液化有两条技术路线：一是基于氦制冷循环的氢液化路线。先通过液氮预冷，把整个系统冷到100K，然后我们主要的冷源相当于冰箱或者是空调里的制冷机，氟利昂，氦气通过压缩然后逐级换热，透平膨胀，在最后一级换热器上达到氢的液化点，氢气通过逐级换热，最后经过截流得到了液氢。目前国内已经投运的氢液化器都是这样的路线，我们正在研发更大规模的，直接利用氢参与，有两种方式：一是去做制冷工质，二是去液化。这样规模可以做到比较大，到5吨甚至是150吨，都可以用到这个流程，现在世界上10吨以上或者是5吨以上的氢液化工厂用的都是这个流程。其特点是规模大、能耗低，最低可以做到6度电，相对来说建设周期较长、总投资较多，但综合能耗和综合成本更低，这也是我们在不断追求的方向。

 

氢液化关键技术及设备

首先最关键的就是透平膨胀机，然后是换热器。过去换热器厂商主要是做LNG设备，对氦温区、液氢温区做的比较少。液氢有两个结构，一个是正氢，一个是仲氢，实际上它们是自发转化的，在转化的过程会放热，放热的过程中液氢就会蒸发，造成很大的损失。现在国际通行的液氢标准是重氢含量达到95%以上，才能合成液氢产品，然后是高效氢压缩机，还有高效滤油装置、氢安全系统。这是不同的透平膨胀机，它的路线最早是用油轴承的，油的承载力比较大，所以装置可以做到很大，但是它的结构比较复杂，油滤不干净的话很容易发生危险，所以也慢慢淘汰掉了。气体轴承的特点是可以做的比较小巧，效率比较高，但是缺点是气体的承载能力比较差，氢气的承载能力比氦气还要低，轴承的制程难度很大，所以现在我们在研发磁悬浮轴承，还要加上能量回收装置，使透平膨胀机的效率进一步提高。还有其他相关的设备，就是球罐，液氢规模若要扩大这个东西必不可缺，但目前国内是没有的。再就是液氢的转注系统，液氢的温度非常低，在转注的过程中，球罐转到车里，车再转到固定式的储罐里，如果换热、漏热非常大的话，就会有大量的液氢蒸发掉。这个系统我们认为是非常重要，尽可能的把损耗降到最低。还有液氢道路运输槽车，以前也没有人做，因为以前没有民用的需求，所以这一块民用研发就停滞了。随着氢能产业的发展，这方面的呼声越来越高，国内的企业也是在陆续投入研究，但是跟国际先进水平有一定的差距。

 

理化所与中科富海氢液化技术

我们的透平膨胀机拥有完全的自主产权，集成的氦制冷机或者是氢液化器，所有的流程、计算和设计，关键的技术都是我们自主掌握的，可以衍生出不同的应用，氢液化器还可以做氦液化器，把氦气液化，或者给大科学装置提供4K左右的液氦温度，搞超导或者是核聚变。我们还有一套提氦装置，因为氦也是我国很重要的战略资源，过去白白浪费或者是烧掉了，现在我们把它从天然气中提取出来。2017年开始我们研发出这套设备，2019年在落地过程中出现了一些问题，因为我们国内过去对液氢的相关审批、工厂建设、安评、环评等都没有经验，所以采用的标准都是根据石化的标准来制定的，非常严苛，导致我们两年才把所有的手续办完，马上我们要进行现场集成调试。2019年我们承接了北京市重大项目，打造5吨/天的关键设备，就是刚才说到的氢透平膨胀机，这个东西在美国禁运目录中，是严格禁止向中国出口的，我们只能自己研发。科技部连续2年的氢能重大专项中都有这个东西，说明国家对这个非常重视，去年是要达到5吨每天的液氢工厂，今年是5吨/天的透平膨胀机。2020年中科富海作为牵头单位，去年也和佛燃，以及城燃氢盟里的部分成员单位一起申请了广东省新能源液氢项目，最近也已经获批。非常感谢佛燃和我们精诚合作，这个项目是要做300公斤/天的氢液化装置，基于这个液化装置我们要打造液化、储运、加注以及相关的检验检测、关键设备零部件的生产和关键技术的研发。

来源：中国城燃氢盟