氢气储存和运输技术综述

氢气储存和运输技术综述

全球能源系统深度脱碳的一个重要组成部分是建立大规模利用氢气，以替代所有部门的化石燃料，包括工业、电力部门、交通和供暖。因此，除了降低氢气生产成本外，为氢气的储存、运输和分配建立高效和合适的基础设施也变得至关重要。本文从技术上详细介绍了氢基础设施的最新技术，包括基于物理和材料的储氢技术。基于物理的储存是指以压缩气态、液态或超临界状态储存氢气。液态有机氢载体、金属氢化物或动力燃料形式的储氢称为材料储氢。此外，还回顾了氢气运输的主要方式，例如通过拖车和管道的陆路运输、海外运输和一些相关的商业数据。作为本文的主要结果，氢气储存和运输技术相互比较。本次比较为根据不同应用场景构建合适的氢基础设施系统提供了建议。

氢气储存技术

1.1 压缩气态储氢（CGH2）

压缩气态储氢是最简单、最成熟的方法，通过将氢气压缩并填充到压力容器中来实现。目前主要有四种类型的发达船舶可用：I型、II型、III型和IV型压力容器。选择使用哪种容器类型主要取决于应用领域，并在技术性能和成本之间做出折衷。

I型压力容器出现在19世纪末，目前的典型工作压力已增加到15到30 MPa之间。然而，由于它们的重量密度低，它们只能用于固定应用，特别是作为工业气体的氢气的现场储存。

II型压力容器通过用树脂浸渍纤维环形包裹中间圆柱形部分来加固金属容器，对工作压力表现出最高的公差。III型和IV型压力容器则显着减轻了重量，因此可以满足船上应用中储存氢气的重量密度要求。III型和IV型压力容器优先用于管式拖车，并集成到容器中以运输氢气。

1.2 液态氢储存（LH2）

液态氢储存具有更高的重量和体积密度，但液化氢气的技术比压缩氢气或其他常规气体的液化要困难得多，消耗的能量也要多得多。这主要是因为氢气的蒸发温度极低，临界点非常低，氢的分子尺寸非常小，以及邻位转化等因素。

目前，液化氢气的主要方法是基于克劳德系统，通过将液化循环与膨胀机相结合来改善林德-汉普森循环。此外，华盛顿大学的Jacob Leachman博士和他的团队发明了一种将Ranque-Hilsch涡旋管与对位氢转化的吸热转换相结合的冷却系统，声称其液化氢气的效率比目前的技术水平高出近20%。

1.3 地下储氢（UHS）

地下储氢是专门为中长期储存进口或季节性可再生能源产生的大量剩余氢而开发的。盐穴通常是纯氢储存的最佳候选者，贫化气藏体积较大且地质结构和特征得到很好的识别，具有显著优势。含水层体积非常大且易于找到，但缺点是沿未探测到的断层可能泄漏。

氢气运输技术

氢气的运输主要通过陆路运输、管道运输和海外运输等方式进行。陆路运输主要通过拖车进行，管道运输则需要考虑氢气的特殊性，如高扩散率等。海外运输主要通过液化氢气进行，需要考虑液化和储存的技术要求。

氢气储存和运输技术的比较

氢气储存和运输技术的选择需要考虑多个因素，包括重量密度、体积密度、工作温度、循环寿命、系统填充时间等。不同技术在不同应用场景下的适用性也不同。例如，压缩气态储氢适用于固定应用，液态氢储存适用于长距离运输，地下储氢适用于中长期储存。

结论

氢气储存和运输技术是氢能源基础设施建设的关键组成部分。随着氢能源的广泛应用，这些技术将不断发展和完善。未来的研究方向可能包括提高储存密度、降低能耗、提高安全性等方面。同时，不同技术的集成和优化也将是未来研究的重点。