從液氫產業現狀看未來趨勢
來源：勢銀能鏈 2021-06-21
隨著環境問題的日益嚴重和化石能源的逐漸枯竭，尋找高效的綠色替代能源變成了迫在眉睫的任務。
在今年4月世界領導人氣候峰會上，世界主要經濟體紛紛表明削減碳排放目標，為應對全球氣候變化而努力。美國、歐盟、日本和巴西等國家和地區承諾于2050年之前實現碳中和，中國也再一次重申了2060年碳中和的目標。
發展綠色低碳能源，逐步取代傳統化石能源已經成為了各個國家努力的方向。
氫氣具有來源廣、熱值高、零排放等特點，這些特點使氫氣從眾多新能源的行列中脫穎而出，吸引了社會的關注。
然而隨著各行各業對氫氣的需求量逐漸增大，如何高效地儲存和運輸氫氣便成為了氫氣發展的關鍵因素。
液氫是通過預冷和多次絕熱膨脹后，將氫氣降溫到-253℃經節流得到的液化氣體。由于液氫的密度是氫氣的800倍，相比其他運輸方式，液氫的高儲運密度，高運輸效率和適合長距離運輸等特點，使其成為了氫優質的儲存和運輸方式之一。
液氫產業鏈可分為液氫制取、液氫儲運和液氫加注。本文將簡要介紹國內外的液氫產業鏈發展，并對國內未來液氫發展做出展望。
圖片來源：勢銀（TrendBank）
液氫制取：加大生產規模是難題所在
在1898年，蘇格蘭低溫科學家詹姆斯?杜瓦首次實現氫液化，人類歷史上第一次生產出液氫。此后的數十年中，液氫開始在航天、化工等領域發揮重要作用。
目前全球的液氫產能接近500TPD，其中北美地區有接近20座10TPD以上的液氫生產工廠，占據了全球85%的產能，遠遠領先于其他國家和地區。
氫液化裝置主要由透平膨脹機、換熱器、壓縮機和正仲氫轉化器等設備組成。目前國外的大型氫液化裝置主要采用液氮預冷搭配氫透平膨脹機組的技術路線，小型氫液化設備大多采用氦透平膨脹機制冷搭配J-T節流閥液化的技術路線。
美國空氣產品公司、德國林德集團和法國液化空氣集團幾乎壟斷了氫液化裝置的市場和技術領域，已掌握成熟的氫透平膨脹機技術，并有能力提供單個產能超過30TPD的氫液化設備。
俄羅斯的深冷機械公司Cryogenmesh也可以生產最大17TPD的氫液化裝置，目前已應用于俄羅斯多個航天發射場。
中國最早于1956年在中國科學院物理研究所低溫實驗室第一次制得液氫，并于1960年完成第一套小型氫液化裝置。然而和國外相比，中國的液氫發展仍處于追趕狀態。目前中國的產能僅僅達到4TPD，最大的單個液氫工廠的產能僅有2.5TPD，且全部集中于航天發射保障單位。
在民用液氫領域，中國仍處于空白階段。現如今，包括北京航天101所、北京中科富海低溫科技有限公司、江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司等企業都已經掌握了成熟的氫液化設計流程。
北京航天101所和北京中科富海低溫科技有限公司都開發出了以氦透平膨脹機為核心的氫液化裝置；
江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司開發出了以氫透平膨脹機為核心的氫液化裝置；
鴻達興業使用北京航天101所提供的氫液化裝置，已于2020年底成功生產液氫，打破了民用液氫市場的空白。
難以擴大生產規模是中國目前液氫制取產業的“痛點”所在。液氫生產工廠的建設成本高，能耗高，必須提高生產規模，才能有效降低單位成本，提高液氫的競爭力。
而氫透平膨脹機是提高生產規模的核心所在。液氮預冷搭配氫透平膨脹機的技術組合產生的制冷能耗相較氦透平膨脹機技術要低25%，并且設備簡單，是當下大型氫液化裝置的工藝首選。
目前北京航天101所和北京中科富海低溫科技有限公司都已經開始進行氫透平膨脹的開發研究，并在樣機生產上取得了成果。國富氫能擬在河南洛陽和山東投建的液氫生產工廠均將采用氫透平膨脹機技術，產能在8.6-10TPD。
液氫儲運：海上運輸將成為未來趨勢
液氫對儲罐的隔熱技術要求很高，通常采用多層真空隔熱技術。目前，美國Gardner Cryogenics公司、美國Chart公司、日本川崎重工業株式會社和俄羅斯深冷機械公司Cryogenmesh等企業代表了液氫儲運的產業前沿。
美國Gardner Cryogenics公司是美國第一家提供液氫罐車的企業，容積達到65立方米，并將每日氣化損耗保持在0.2%以下；
美國Chart公司目前已在全球建設了超過800個液氫儲罐，最大的超過650立方米；
俄羅斯深冷機械公司Cryogenmesh也提供多種規格的儲罐，最大的達到1400立方米，也向中國出口過100立方米的液氫鐵路罐車。
國內已打破液氫儲罐的技術壁壘，縮短了和國外的技術差距，實現了液氫儲罐的自主生產。目前安置在海南文昌發射場的液氫儲罐中，5個300立方米的儲罐由張家港中集圣達因低溫裝備有限公司制造，2個300立方米的儲罐由南京航天晨光公司生產，1個120立方米的儲罐由四川空分設備有限公司提供。
江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司也已經生產出液氫儲罐和液氫罐車的樣品，未來將應用于國富氫能投建的洛陽液氫生產項目。
值得注意的是，日本川崎重工業株式會社在神戶港建設了2500立方米的液氫儲罐，并制造了全球第一艘液氫運輸船。運輸船上設置2個1250立方米的液氫儲罐，到港后由機械臂協助卸載儲罐。
液氫高儲運密度和適合長距離運輸的特點和海上運輸極為契合。液氫運輸船可以實現低碳能源在全世界范圍內的再分配，意味著建立全球低碳能源供應網絡成為了可能。
在全球范圍內，可再生能源豐富的地區和能源需求高的地區存在相當大的地理錯位。使用可再生能源水電解制氫，并以液氫的方式將能源在全球范圍內進行再分配，即可以解決可再生能源的消納問題，也可以將綠色能源從供給端向消費端轉移。
舉個例子，使用北歐的風電制取液氫后運至日本進行利用，這可能會成為未來值得關注的發展趨勢。
在中國，液氫海外輸入也開始納入政府規劃中。在2021年浙江省發布的《新能源汽車產業發展“十四五”規劃》中，浙江省政府提到了要開始超前規劃氫能海外輸入登陸站的建設方案，為將來的海上運輸做準備。
液氫加注：液氫加氫站必將占據舞臺中心
世界上其他國家已建的400多座加氫站中，大約1/3是液氫儲氫型加氫站。液氫加氫站技術的核心在于液氫泵，而美國空氣產品公司提供的液態氫氣壓縮泵（CHC）和林德集團提供的液氫泵（Cryopump）是其中的佼佼者。
據林德集團介紹，使用高壓深冷液氫泵技術，出口氫氣壓力可以達到900Bar的高壓，且液氫的冷能得到充分利用，無需額外冷卻系統，氫氣溫度可以控制在-40℃或者加氫協議要求的氫氣溫度。
充裝能力達到1噸/天的加氫站，若使用林德液氫泵技術，系統占地面積低至十幾個平方米。
據勢銀了解，一套儲氫量在300-1000千克的高壓氫氣集束管需要占地60-80平方米，而一套儲氫量在400-6000千克的液氫儲罐僅占地10-30平方米。這意味著建設液氫加氫站可以極大地降低用地成本，也為未來加氫站向城市中心區擴張提供了可能。
使用液氫技術同樣可以有效降低運營成本。和傳統壓縮氣氫加氫相比，使用液氫泵的能耗更低，且無需對加注氫氣進行預冷。這即降低了加氫站的整體能耗和運營成本，還使得加注效率和速度大大提升。
中國在液氫加氫站的推廣中相對落后，在液氫泵的技術領域也相對空白，目前僅在北京航天101所建成了一座液氫加氫示范站。
盡管如此，各大企業已經加快了在液氫加氫站方面的布局。
2021年2月，江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司宣布與佛燃能源集團股份有限公司等4家企業共同簽約，將在液氫加氫站方面開展合作，預計于2021年下半年在佛山建設一座液氫加氫示范站。
隨著氫燃料電池汽車的逐步推廣，加氫站的角色將越來越不可或缺。與傳統氣氫加氫站相比，液氫加氫站擁有占地小、運營成本低、擴建成本低等一系列優勢。憑借這些優勢，液氫加氫站將逐漸走向舞臺中央。
未來：充滿希望
盡管液氫在中國的發展和國外仍存在一定差距，但隨著近年來國家政策的重視和相關標準的制定，液氫產業發展已有欣欣向榮的態勢。以下幾點原因讓勢銀相信，液氫一定會在未來的中國市場上獲得大力發展，占據重要地位：
1、氫氣需求量巨大
隨著中國宣布2030年碳達峰，2060年碳中和以后，各行各業都開始尋求綠色轉型。交通行業對氫氣的需求正逐漸上升。
據勢銀統計，截止2020年，全國氫燃料電池汽車保有量已達到7000輛。在2021年，氫燃料電池汽車保有量預計將首次突破一萬大關。
由于制取液氫需要零下253℃，大多數的氣體雜質都會凝固分離。因此直接對液氫進行氣化可以很容易地獲得6N品質的超純氫，不僅適合氫燃料電池，也滿足半導體、電子、化工等其他行業對大規模超純氫的需求。
鋼鐵冶金行業對氫氣的潛在需求也相當大。
據中國寶鋼集團旗下寶武清能專業團隊分析，如使用全氫工藝進行鋼鐵冶煉，一個百萬噸級的鋼鐵廠每天要消耗220噸氫氣。中國2019年的粗鋼總產量達到9.96億噸，假設所有的鋼鐵都使用全氫工藝進行冶煉，那么整個鋼鐵行業一天將消耗約22萬噸的氫氣，一年將消耗8000萬噸以上的氫氣。
液氫作為氫氣大規模應用的優質儲運方式，可以有效解決氫氣資源的地域錯配問題，將氫氣從供給端轉移到消費端。未來氫氣巨大的市場同樣標志著液氫將得到廣泛應用。
2、國家相關標準的制定
在2021年5月，中國國家標準委正式發布了GB/T40045-2021《氫能汽車用燃料 液氫》、GB/T40060-2021《液氫貯存和運輸技術要求》、GB/T40061-2021《液氫生產系統技術規范》等三項液氫國家標準，并在GB50516-2010《加氫站技術規范》中加入了液氫儲存和應用等相關內容。
液氫相關標準的發布意味液氫產業的發展終于有法可依，即給企業建立自己的研發和生產體系提供了技術規范，又給政府審批相關液氫項目提供了依據。液氫標準的發布，將真正地幫助液氫實現價值化。
3、國家政策的大力扶持
據勢銀統計，從2019年至今，約有60個國家和地方政策提及液氫。
在國家層面上，中國國家科技部從2019年至今已連續3年在“氫能技術”重點項目申報中將液氫相關項目列入其中，內容包括設計氫液化流程、研發氫膨脹機和正仲氫轉化器等核心設備。
在地方層面上，北京、河北、內蒙古、浙江等多個省份和地區都將開展液氫產業鏈的示范項目。
其中內蒙古呼和浩特市在《呼和浩特關于推進氫能產業高質量發展的實施意見（征求意見稿）》中已明確提出將在2025年達到60TPD的液氫生產規模，并形成完整的液氫產業鏈。
各個液氫相關政策的落地將鼓勵相關企業對液氫領域加大投入，對液氫產業鏈的建立與完善起到極大的積極作用。
4、新的玩家進入中國液氫市場
據勢銀了解，目前已經有多家企業計劃進入中國液氫市場。
霖克流體設備(大連)有限公司向中國市場推出了超低溫液氫專用閥門，工作溫度最低可達零下269℃，管徑最大可達DN150。液氫閥門原先用于航天領域的火箭推進器中。
相關人士向勢銀表示，未來他們希望向中國民用液氫領域擴展。為提高產品出貨和技術響應速度，霖克流體已經在大連建設了閥門制造工廠。
高策閥門（昆山）有限公司也有意向在中國液氫市場加快布局。高策閥門提供最低工作溫度達到零下270℃的液氫安全閥，管徑范圍為DN15-100。
相關人士透露，目前高策閥門已經與中國在建液氫生產工廠開展合作談判，預計會在將來應用于中國民用液氫生產工廠。
此外，有多家閥門企業對勢銀表示，計劃將業務在未來向應用于液氫領域的超低溫閥門拓展，并已經開展了相關技術研究和試驗。
總結
目前中國無論在液氫的生產規模和技術發展上和國外仍存在較大差距，大力研發氫透平膨脹機，是未來加大生產規模，提高液氫產能的關鍵。
中國目前已逐漸建立起液氫標準體系，并通過液氫政策鼓勵更多的企業加入民用液氫領域。越來越多的企業加入液氫領域，液氫產業鏈勢必得到更好的發展。中國液氫的未來發展一定是光明的。
