中科富海朱誠：液氫應(yīng)用已到了臨界點(diǎn)
來源：原創(chuàng) 2020-09-02
隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫能源的需求正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。根據(jù)中國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，到2030年，氫燃料電池汽車要達(dá)到100萬輛，氫的需求將高達(dá)60萬噸/年，而當(dāng)前高壓氣氫的儲(chǔ)運(yùn)方式將難以滿足未來氫能源低成本、高便捷性的應(yīng)用要求，液氫的應(yīng)用正迎來轉(zhuǎn)機(jī)。
與高壓氣氫相比，液氫的主要特點(diǎn)是其儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)谋憷约耙?guī)模化應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益，因此業(yè)界呼吁液氫應(yīng)盡早實(shí)現(xiàn)民用和產(chǎn)業(yè)化。
但氫氣液化是一項(xiàng)技術(shù)壁壘極高的技術(shù)，氫液化工藝中涉及的核心設(shè)備——透平膨脹機(jī)，當(dāng)前全球只有少數(shù)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(jī)等氫液化核心工藝和技術(shù)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基本實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化。
然而，由于我國液氫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的缺失，液氫目前在國內(nèi)僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用處于空白。
“氫能作為一種能源要想大規(guī)模應(yīng)用，一定要便宜，因此涉及氫的一些設(shè)備一定要國產(chǎn)化。”中科富海董事長朱誠表示。經(jīng)過中科院理化所和中科富海幾代科學(xué)家的多年努力，中科富海實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立研發(fā)集成制造大型氫液化設(shè)備，并擁有全套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破了國外的壟斷和封鎖，為氫能源未來的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。朱誠認(rèn)為，隨著氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)，液氫已經(jīng)來到了應(yīng)用臨界點(diǎn)。
液氫的早期應(yīng)用
早在上世紀(jì)五六十年代，我國就開始研究氫液化技術(shù)。早期氫液化設(shè)備采用節(jié)流制冷技術(shù)。1956年，在已故的洪朝生院士帶領(lǐng)下，我國研發(fā)出了第一臺(tái)國產(chǎn)節(jié)流制冷型氫液化器，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)液氫零的突破。但這種技術(shù)的液氫產(chǎn)能最大僅能達(dá)到200公斤/天，且有一定潛在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)液氫的需求。
從上世紀(jì)90年代起，我國開始引進(jìn)國際先進(jìn)的氦循環(huán)制冷型氫液化器。氫液化技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)制造主要由Linde、Air Liquide 等少數(shù)國外公司掌握和壟斷，包括我國目前在運(yùn)行的氫液化裝置在內(nèi)，世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)的氫液化裝置均由上述少數(shù)幾家公司研發(fā)制造和銷售。
2010年，財(cái)政部委托中科院理化所，正式開展液氫溫區(qū)大型制冷設(shè)備國產(chǎn)化研發(fā)工作，在之前數(shù)十年研究積累的基礎(chǔ)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(guān)鍵技術(shù)，于2012年成功研制出2000W@20K（-253℃）大型氦透平膨脹制冷機(jī)，為大型氫液化器的國產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
為進(jìn)一步加速大型低溫裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程并提高我國液氫生產(chǎn)能力，中科院理化所大型低溫技術(shù)成果產(chǎn)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(chǎn)氫液化器在內(nèi)的大型低溫制冷設(shè)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(diào)試，并有望于在2020年產(chǎn)出液氫產(chǎn)品。
此外，中科富海目前正在申報(bào)科技部“可再生能源與氫能技術(shù)”1.8重點(diǎn)專項(xiàng)，配合國家在2023年實(shí)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(jī)
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(biāo)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(yīng)商。”液氫的制造裝備是液氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)裝備，沒有基礎(chǔ)裝備，后面的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都將無從談起。
液氫應(yīng)用臨界點(diǎn)已到
氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及上游制氫、中游氫儲(chǔ)運(yùn)、下游燃料電池汽車氫氣加注以及其它方面的應(yīng)用。目前整個(gè)產(chǎn)業(yè)成本居高不下，其中氫的終端價(jià)格高昂是制約氫燃料電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要因素。
氫終端售價(jià)的成本主要包含了制氫成本、儲(chǔ)運(yùn)成本和加注成本，氫終端售價(jià)高昂的主要原因是氫儲(chǔ)運(yùn)成本過高。目前我國氫氣主要通過高壓氫氣長管拖車來進(jìn)行運(yùn)輸，但這種方式存在單車裝載量少、供給效率低、規(guī)模化成本高等問題，液氫儲(chǔ)運(yùn)將會(huì)有效解決上述制約。
以某市為例，假設(shè)該市建成20座加氫站，單個(gè)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(chǎn)工藝、運(yùn)氫車輛的購置及調(diào)配等方面都會(huì)遇到極大困難。中科富海銷售總監(jiān)寧永強(qiáng)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(shè)、運(yùn)輸車輛等方面綜合計(jì)算，液氫相對(duì)高壓氣氫整體的固定資產(chǎn)投資可節(jié)約10%-20%。此外，液氫槽車單次運(yùn)輸可以供應(yīng)多個(gè)客戶，裝載和卸載時(shí)間短，且不存在高壓技術(shù)管車殘存壓力高的問題，供應(yīng)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(chǔ)運(yùn)效率對(duì)比
在運(yùn)費(fèi)方面，液氫具有明顯優(yōu)勢。目前高壓氫氣運(yùn)費(fèi)接近2.8元/公斤/100公里，液氫運(yùn)費(fèi)有望達(dá)到0.4元/公斤/100公里。
此外，就常被質(zhì)疑的氫液化能耗高的問題，寧永強(qiáng)表示，所謂氫液化能耗占液氫能量1/3的說法并不準(zhǔn)確。根據(jù)所采用的技術(shù)路線及生產(chǎn)規(guī)模不同，氫液化所需能耗也會(huì)發(fā)生變化。例如氦循環(huán)制冷氫液化技術(shù)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(shù)能耗可以降低到6-10 kW.h/kg。而且能耗和成本是兩個(gè)概念，僅關(guān)注某個(gè)技術(shù)的某個(gè)點(diǎn)過于片面。寧永強(qiáng)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(chǎn)運(yùn)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(gè)優(yōu)勢是可以大幅提升氫氣的純度。我國是全球第一產(chǎn)氫和用氫國，擁有大量廉價(jià)工業(yè)副產(chǎn)氫資源。但氫燃料電池對(duì)氫氣中某些微量雜質(zhì)非常敏感，提純?nèi)ルs質(zhì)難度大、成本高。導(dǎo)致這些廉價(jià)氫源無法直接用于氫能產(chǎn)業(yè)。在液氫溫度下，氫氣中絕大多數(shù)有害雜質(zhì)將被固化去除，從而得到純度達(dá)99.9999%以上的超純氫氣，完全可以滿足氫燃料電池使用標(biāo)準(zhǔn)。
寧永強(qiáng)介紹，就不同氫儲(chǔ)運(yùn)方式而言，在不同的用氫規(guī)模下具有不同的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)用氫規(guī)模在500公斤/天以下時(shí)，在站制氫和高壓儲(chǔ)運(yùn)具有一定經(jīng)濟(jì)性，但用氫量達(dá)到500公斤/天以上時(shí)，上述儲(chǔ)運(yùn)方式的投資和運(yùn)營成本將大幅增加，經(jīng)濟(jì)性降低，液氫儲(chǔ)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)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(cái)政部發(fā)出的《關(guān)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(shí)將不給予補(bǔ)貼支持，大于1噸/天將獲得全額補(bǔ)貼。
對(duì)此朱誠表示：“氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展未來從規(guī)模和體量方面都會(huì)有一個(gè)巨大的提升，液氫是實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的重要解決方案。根據(jù)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(diǎn)。”
困局待解
液氫是未來氫能源大規(guī)模應(yīng)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(yīng)用目前還存在標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)缺失等體制限制。
美國、歐洲、日本從液氫的儲(chǔ)存到使用，包括加氫站全部都有了比較規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，液氫發(fā)展產(chǎn)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(nèi)，礙于缺少相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策規(guī)范，目前仍少有企業(yè)涉足液氫領(lǐng)域。
對(duì)此寧永強(qiáng)表示：“液氫在民用領(lǐng)域應(yīng)用空白的最大原因除了技術(shù)本身的限制外，主要是需求不足。”
化工、冶金、電子等領(lǐng)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(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。需求上來后會(huì)反過來推動(dòng)液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、政策等。
因此，雖然標(biāo)準(zhǔn)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(shù)儲(chǔ)備和示范項(xiàng)目，爭取能搶占先機(jī)。
隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及國內(nèi)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)發(fā)布關(guān)于對(duì)《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運(yùn)輸安全技術(shù)要求》三項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見的函。
這三項(xiàng)意見稿的發(fā)布將填補(bǔ)國內(nèi)民用領(lǐng)域液氫標(biāo)準(zhǔn)的空白，標(biāo)準(zhǔn)是制定法規(guī)的基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)后，法規(guī)的出臺(tái)只是時(shí)間問題。
最后，朱誠再次強(qiáng)調(diào)：“政策固然重要，但是技術(shù)仍然是關(guān)鍵，氫能源作為一種能源未來要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用首先一定要便宜，要做到便宜，相關(guān)環(huán)節(jié)上的設(shè)備就一定要實(shí)現(xiàn)完全的自主化、國產(chǎn)化。”
通過氫液化儲(chǔ)運(yùn)的方式，未來的終端加氫價(jià)格有望控制在30元/公斤以內(nèi)，彼時(shí)，液氫在市場上將具備極強(qiáng)的競爭力。
