氫氣加油站的特殊儲存運輸方法及未來發(fā)展趨勢

文/李智

0.引言

在我國2021組織召開的大型會議中，相關(guān)“氫氣能源”的研究已經(jīng)成為市場重點討論話題。在“十四五”發(fā)展與建設(shè)期間，我國市場內(nèi)的新增能源將主要依靠化石與非化石，以清潔能源為主的戰(zhàn)略形式將占據(jù)行業(yè)發(fā)展新地位。在對此方面工作進行深入研究時發(fā)現(xiàn)，加大對氫氣能源的使用，可以使能源向低碳化格局遞進。為了全面落實對氫氣能源的使用，我國開設(shè)了多個大型氫氣加油站，將其作為加油燃料，燃燒氫氣后釋放大量燃料，產(chǎn)生的最終物質(zhì)為H2O，此過程不釋放二氧化碳，也沒有其他污染物排放[1]。因此，氫氣被現(xiàn)代化社會定義為未來行業(yè)發(fā)展中的最佳能源，根據(jù)行業(yè)綜合發(fā)展形勢可知，氫氣在未來將成為我國的主要能源，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α１疚膶亩鄠€方面，開展氫氣加油站的特殊儲存運輸方法分析，以此為依據(jù)，明確氫能的未來發(fā)展趨勢，實現(xiàn)為我國能源行業(yè)的持續(xù)化建設(shè)提供技術(shù)支持。

1.現(xiàn)代化氫氣加油站物流運輸主要形式

1.1 長管拖車運輸。由于氫氣能源較為特殊，因此，在進行此種能源的運輸時，通常會采用長管拖車進行。拖車主要由頭部與尾部兩個部分構(gòu)成，在運輸加油站氫氣能源時，拖車需要先到達加油站，將裝載運行車輛的車頭與后部拖車分離處理后，拖拽長管，將其作為氫氣燃料的運輸工具與儲氫容器[2]。通常情況下，用于運輸氫氣燃料的長管直徑為0.5m，長度為10.0m，末端由無縫隙鋼瓶拼接構(gòu)成。為確保設(shè)計的裝載車輛滿足加油站氫氣燃料的運輸需求，會設(shè)定拖車的運輸壓力為20.0MPa，液化后的有效存儲容量為3.0×103Nm3。在對我國現(xiàn)有氫氣儲運模式的分析中發(fā)現(xiàn)，基于長管拖車的運輸方式是一種較為常見的運輸方式，在進行氫氣的物流運輸時，需要由車頭將車內(nèi)氫氣燃料輸往加油站，輔助使用站內(nèi)的壓縮泵、循環(huán)泵、冷卻泵、加注泵等，向拖車儲運罐中加注氫氣。為保證氫氣燃料運輸?shù)陌踩?，通常會對車輛的行駛與運輸過程進行較高的安全要求，即在車輛上張貼警示牌，或配備副駕駛專職人員進行輔助運輸[3]。但相比其他的運輸方式，按照此種方式，進行氫氣運輸，其成本相對較高。例如，當氫氣運輸?shù)木嚯x在200.0km時，運輸成本大約為12.0元/kg，運輸成本與產(chǎn)氫成本接近，因此，長管拖車運輸更加適用于需求量較低、運輸距離相對較短的用戶群體。

1.2 管道運輸。除上述提出的運輸方式，管道運輸技術(shù)也是氫氣加油站較為常用的運輸方式之一，此種運輸方式主要用于液態(tài)氫燃料的運輸，在運輸前，需要在運輸管道中進行“摻氫”處理，或采用“氫氣同油”的運輸方式，進行氫氣燃料裝載，通過合理化的手段與技術(shù)，即可實現(xiàn)對氫氣加油站燃料的長距離、高效率、大規(guī)模運輸。相比其他的運輸方式，管道運輸方式的成本較低，但需要加油站前期投入一定量的資金，且運輸管道的建設(shè)難度較高，更加適用于“點到點”或集成式的大規(guī)模運輸模式。通過市場反饋數(shù)據(jù)，我國在現(xiàn)階段的實踐中，已經(jīng)建設(shè)了多條可實現(xiàn)氫氣燃料運輸?shù)拈L管通道，并已經(jīng)逐步投入市場開始使用。應用較為頻繁的氫氣輸送管道包括中石化洛陽管道，此管道的長度為25km，每年的氫氣運輸有效量＞10.0萬噸，銀川-烏海管道也是市場內(nèi)目前使用較為頻繁的輸氣管道，此管道的長度約為216.0km，每年的氫氣運輸有效量16×108m3。

1.3 液氫槽車運輸。除上述提出的運輸方式，液氫槽車運輸方式也是氫氣加油站運輸氫氣的主要方式，此種運輸方式主要用于運輸液化氫。在運輸前，需要對氫氣進行加壓處理，液化后的氫氣燃料體積密度可以達到70kg/m3以上，單位體積下液化氫的釋放能量可以達到10MJ/L以上，接近于50MPa氫氣釋放能量的雙倍[4]。相比上文提出的兩種運輸方式，使用液氫槽車進行加油站氫氣的運輸，其單次運輸能力可以達到長管拖車單次運輸能力的十倍甚至以上。具有運輸成本低、運輸效率高等優(yōu)勢。但液氫槽車運輸也存在一定的缺陷，例如，在運輸前，需要進行氫氣的液化與深冷處理，而此種處理方式不僅對操作設(shè)備具有較高的要求，深冷液化的工藝步驟也較為復雜。

2.氫氣加油站的特殊儲存運輸方法

2.1 壓縮儲運方法。在進行氫氣加油站的特殊存儲運輸方式研究中發(fā)現(xiàn)，壓縮儲運是一種應用較為普遍的儲運方法，在使用中，需要將質(zhì)量相對較大的鋼瓶作為氫氣燃料的容器，但考慮到氫氣的空氣相對密度較低，因此使用鋼瓶進行儲運的效率相對較低，將鋼瓶內(nèi)部的壓力增加到15.0MPa時氫氣的有效存儲密度在3.0%以下[5]。為解決壓縮儲運方式存在的問題，近年來科研單位提出了優(yōu)化儲運鋼瓶容器材料的方式，通過此種方式，提高氫氣加油站儲運容器的耐壓性，并降低氫氣在運輸中透過鋼瓶發(fā)生擴散行為的概率。同時，可在進行氫氣加壓處理時，在鋼瓶內(nèi)部添加適量的吸氫物質(zhì)，以此種方式，提高氫氣壓縮存儲的密度與效率。

2.2 液化儲運方法。常規(guī)條件且無異常施壓時，液態(tài)氫的熔點溫度為-253.0攝氏度，因此，無論是對氫氣進行加壓處理，或是對將其氫氣存儲環(huán)境的溫度，都能夠?qū)崿F(xiàn)將氫氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫。而一般條件下液態(tài)氫的密度是正常條件下氫氣密度的850.0倍，1.0kg的液態(tài)氫在氣化過程中釋放的熱量，是汽油氣化過程中釋放熱量的3.0倍。因此，應明確對氫氣進行加壓或降溫液化，是實現(xiàn)其儲運的有效方式之一，相比常規(guī)條件，氫氣加油站內(nèi)的能源更加適合存儲在有限的空間。但要滿足氫氣能源的特殊儲運需求，需要將存儲氫氣容器的溫度控制在一個相對較低的條件下，只有滿足此方面需求的存儲容器，才能保證氫氣儲運工作的順利實施[6]。

2.3 空心玻璃球儲運方法。通過大量的實踐與研究可知，在環(huán)境溫度較高的條件下（溫度在300.0攝氏度~400.0攝氏度時），空心玻璃球會呈現(xiàn)出多孔性特點，并且，此種材質(zhì)的玻璃球會在室溫環(huán)境下呈現(xiàn)出不滲透特點。因此，氫氣加油站可以利用空心玻璃球具有的這一特點，用其進行氫氣燃料的存儲與運輸。使用空心玻璃球進行氫氣燃料的存儲運輸時，應先將空心玻璃球放置在高壓環(huán)境中（控制環(huán)境壓力在20.0MPa~200.0MPa范圍內(nèi)），再使用專用設(shè)備，對加油站氫氣燃料進行加熱（控制加熱溫度在200.0攝氏度~300.0攝氏度），采用對氫氣進行加壓處理的方式，將其置于空心玻璃球內(nèi)，待環(huán)境溫度與壓力穩(wěn)定后，便實現(xiàn)了基于空心玻璃球的氫氣存儲。再根據(jù)運輸?shù)木嚯x與氫氣運輸量選擇對應的運輸方式，相比氫氣加油站現(xiàn)用的存儲運輸方式，此種方式具有低成本、高穩(wěn)定等優(yōu)勢，目前，已經(jīng)成為我國新能源市場的重點研究方向。當存儲的氫氣被輸送到加油站后，只需要輕微加熱空心玻璃球即可實現(xiàn)氫氣的揮發(fā)與釋放。

3.未來發(fā)展趨勢

通過上文研究可知，氫氣是我國未來燃料行業(yè)發(fā)展中的重要能源，也是實現(xiàn)社會新能源開發(fā)利用的關(guān)鍵切入點，氫氣加油站儲運工作作為氫氣能源利用的主要渠道，其存儲運輸所需成本、效率等因素，都會決定氫能是否能夠能在市場內(nèi)被更好地利用。但綜合現(xiàn)階段我國在此方面的研究成果可知，相關(guān)氫氣存儲方式、運輸技術(shù)方面的進一步研究，科研單位還有較長的路要走，在現(xiàn)如今科學技術(shù)的快速發(fā)展中，氫氣加油站已在氫氣存儲方面取得了一定的成績，下述將從三個方面，對氫氣儲運的未來發(fā)展趨勢進行分析。其一，未來氫氣能源的儲運模式將呈現(xiàn)多元化與數(shù)字化趨勢，即現(xiàn)代化技術(shù)將與氫氣儲運技術(shù)進行融合，實現(xiàn)存儲運輸管理工作的可視化與協(xié)調(diào)化，儲運車輛管理的規(guī)范化與規(guī)?；?。其二，加大液氫槽車運輸模式的開發(fā)將成為未來氫氣加油站物流運輸主要形式。目前，氫氣加油站儲運主要三種方式，長管拖車運輸方式與管道運輸方式都存在不同程度上的短板與缺陷，因此，要實現(xiàn)對氫氣能源的大規(guī)模推廣使用，需要實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)在市場內(nèi)的均勻分布，而落實此項工作的前提條件便是實現(xiàn)氫氣儲運技術(shù)的高新化。其三，氫氣能源會在運輸中存在不同程度的損耗，在未來的研究中，氫氣損耗量將實現(xiàn)在未來的研究中逐步降低。當解決此方面問題后，氫氣加油站的中長距離運輸將具有更廣闊的發(fā)展前景。

4.結(jié)束語：

隨著我國不可再生能源的高速消耗，越來越多的生產(chǎn)單位開始關(guān)注或加大對新能源的使用與開發(fā)。目前，我國能源結(jié)構(gòu)正處于高速轉(zhuǎn)型階段，以氫氣為代表的新能源行業(yè)正逐步向綠色、低碳、高效、環(huán)保等發(fā)展方向轉(zhuǎn)型，此階段也是實現(xiàn)能源自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的高速階段。但氫氣的存儲與運輸方式存在一定特殊性，為了更好地滿足氫氣加油站經(jīng)營需求，本文從長管拖車運輸、管道運輸、液氫槽車運輸三個方面，分析了現(xiàn)代化氫氣加油站物流運輸主要形式，從壓縮儲運方法、液化儲運方法、空心玻璃球儲運方法、金屬氫化物儲運方法四個方面，闡述了氫氣加油站的特殊儲存運輸方法。并以此為依據(jù)，對氫氣加油站的儲運模式未來發(fā)展趨勢進行了分析?？傊?，相關(guān)此方面內(nèi)容的研究是一項與我國經(jīng)濟發(fā)展與人民幸福息息相關(guān)的話題，兩者之間相輔相成，因此，要進一步實現(xiàn)對此項工作的完善，還應在后續(xù)的研究中，投入更多的資金開展此方面的研究，通過此種方式，為我國氫氣燃料存儲運輸?shù)陌l(fā)展提供進一步的指導與幫助。C