儲氫場景與氫氣儲運系統(tǒng)的多維度模式匹配優(yōu)化研究

摘 要：基于三角模糊層次分析法對不同儲氫場景與儲運系統(tǒng)的質(zhì)量儲氫密度、體積儲氫密度、制備能耗、安全性要求、平均充放氫時間等特征參數(shù)進行評價分析；耦合計算經(jīng)濟性分析方法建立不同用氫場景氫氣儲運系統(tǒng)的多維度模式匹配模型；基于所建立的多維度模式匹配模型對加氫站場景的儲運系統(tǒng)的模式匹配進行分析，對不同氫氣儲運方式進行多維度綜合評分，獲得不同運輸距離以及儲氫質(zhì)量下最優(yōu)的用氫場景與氫氣儲運系統(tǒng)的匹配模式。當(dāng)運輸距離較短時，最優(yōu)儲氫方式為低溫液態(tài)儲氫；當(dāng)中等運輸距離和較小儲氫質(zhì)量要求時，最優(yōu)儲氫方式為高壓氣態(tài)儲氫；當(dāng)較大運輸距離及較大儲氫質(zhì)量要求時，最優(yōu)的儲氫方式為金屬吸附儲氫。

關(guān)鍵詞：氫能；儲氫場景；氫氣儲運；經(jīng)濟性分析；多維度；模式匹配

中圖分類號： TK91 文獻標(biāo)志碼：A

氫能高效利用對中國能源轉(zhuǎn)型和變革具有重要意義［1］。中國政府十分重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2021 年正式發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確指出統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展。安全、高儲氫密度、低成本的氫氣儲運技術(shù)是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模應(yīng)用的必要前提［2-3］，也是制約中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。氫氣的儲存方式可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫和固體吸附儲氫四大類［4-6］。高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟、充放氫速度快、成本較低，但體積儲氫密度較低，具有高壓安全隱患，不適合人口密度特別大的地區(qū)［7-8］；低溫液態(tài)儲氫具有較高的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度，但液化耗能大、成本高［9］。有機液態(tài)儲氫（LOHC）所用的有機介質(zhì)大多與汽油、柴油相近，可利用原有加油站的運輸和加注設(shè)備，但其脫氫溫度高、效率低等問題有待進一步解決［10-11］。德國Hydrogenious Technologies 公司研發(fā)的LOHC 儲存系統(tǒng)和釋放系統(tǒng)已分別在德國和美國示范運行。固態(tài)吸附儲氫對溫度和壓力要求較低，具有極高安全性，但吸附材料成本較高限制了其商業(yè)化應(yīng)用［12］。氫儲（上海）能源科技有限公司已完成以MgH2 為儲氫材料的開發(fā)和測試。氫能的陸地運輸主要有車載和管道運輸兩種方式［13-14］。車載運輸可以輸送氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等多種形式的氫能；管道運輸主要輸送氣態(tài)氫氣和液體氫。管道運輸前期需建設(shè)大規(guī)模、長距離的氫氣管道，初始建設(shè)資本較高，更加適合長距離、大規(guī)模的氫氣運輸。有機液態(tài)車載輸送具有運輸方便、安全性較高的優(yōu)點，但氫氣純度不高。固態(tài)合金吸附運輸方式具有輸氫純度高、安全性好等優(yōu)點，但其輸運能耗和成本較高，比較適合人口密集的區(qū)域以及短距離的氫氣輸運。

目前文獻對不同儲氫方式的研究較多，但缺少對儲氫系統(tǒng)和儲氫場景模式之間模式匹配的研究。在實際應(yīng)用過程中，需根據(jù)儲氫場景的特征需求選擇合適的儲氫方式。不同的儲氫場景對儲氫系統(tǒng)的性能指標(biāo)有不同側(cè)重。在交通領(lǐng)域更看重儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量儲氫密度，而非交通領(lǐng)域?qū)w積儲氫密度的要求大于重量儲氫密度。在人口稠密的集鎮(zhèn)、鬧市區(qū)，往往希望儲氫壓力小，儲氫方式安全性較高。三角模糊層次分析法被廣泛用于構(gòu)建跨領(lǐng)域評價指標(biāo)體系。劉金林等［15］利用三角模糊層次分析法解決了動力裝置及傳動裝置需求指標(biāo)權(quán)重求解問題。陳祉如等［16］基于改進層次分析和模糊綜合評價方法構(gòu)建了電能計量系統(tǒng)的綜合評價方法。梅強等［17］利用三角模糊層次分析法構(gòu)建了基層央行內(nèi)部風(fēng)險評估模型，定量分析測算了影響基層央行內(nèi)部風(fēng)險要素權(quán)重。曹代佳等［18］基于模糊層次分析法，建立了壓力容器安全狀況等級評價體系。

基于此，本文基于三角模糊層次分析法對不同儲氫場景與儲運系統(tǒng)的質(zhì)量儲氫密度、體積儲氫密度、制備能耗、安全性要求、平均充放氫時間5 個特征參數(shù)進行評價分析；進一步耦合經(jīng)濟性分析方法建立不同用氫場景氫氣儲運系統(tǒng)的多維度模式匹配模型，基于該模型對加氫站場景的儲運系統(tǒng)的多維度模式匹配進行分析。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 儲氫場景特征參數(shù)

為了進行儲氫場景和儲氫方式的特征匹配，需提取常見儲氫場景的特征及其對儲氫方式的要求。質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度為不同儲氫場景較為關(guān)注的特征參數(shù)，反映儲氫場景的場地大小、能量儲存密度的重要特征；氫氣具有極低的燃點和很寬的燃燒、爆炸范圍，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，將造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，因此對于氫氣儲運過程，安全性是重要特征參數(shù)之一。而不同的儲氫技術(shù)充放氫時間差異較大。在對充放氫速率有一定要求的儲氫、用氫場景中，平均充放氫時間也應(yīng)作為評價儲氫方式的標(biāo)準(zhǔn)之一。不同儲氫方式對能耗要求差異很大，如氫氣液化能耗大，對儲氫場景的能源供應(yīng)要求較高。儲運成本和能源供應(yīng)問題也是重要的特征參數(shù)。因此，對于儲氫場景，在匹配儲運方式時，需從高效、安全、經(jīng)濟這些方面去多維度地考慮。本文選取質(zhì)量儲氫密度、體積儲氫密度、安全性要求、制備能耗、平均充放氫時間、儲運成本共6 個特征參數(shù)來衡量儲氫場景的儲氫要求。

1.2 模式匹配評分細則

根據(jù)儲氫方式特征參數(shù)的參考數(shù)值與儲氫場景需要達到的參數(shù)值相比較進行評分。當(dāng)剛好達到要求時，分值設(shè)定為8 分。當(dāng)儲氫方式參數(shù)參考值達到要求值的1.25 倍時，分值為10 分。有機液態(tài)儲氫反應(yīng)原理決定了逆反應(yīng)脫氫時需要大量熱量，反應(yīng)難度大、能耗高。如果脫氫裝置周邊有電廠或鋼廠等產(chǎn)生廢熱的工業(yè)，可利用廢熱作為脫氫熱量來源，大大減少能耗。當(dāng)儲氫場景周圍存在廢熱時，有機液態(tài)儲氫的能耗得分為10 分。

質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度評分公式為：

式中：xi—— 評分；Rm、Rv—— 各儲氫方式質(zhì)量儲氫密度（kg/kg）、體積儲氫密度（kg/m3）參考值（有機液態(tài)儲氫和金屬吸附儲氫涉及到各種有機/金屬材料，參數(shù)波動較大，這里主要參考研究較為廣泛的乙基咔唑和MgH2，高壓氣態(tài)儲氫主要參考70 MPa 儲氫技術(shù)）；cm、cv 和E——儲氫場景所要求質(zhì)量儲氫密度（kg/kg）、體積儲氫密度（kg/m3）、單位制備能耗（美元）。

高壓氫氣儲氫容易發(fā)生氫脆現(xiàn)象有泄露風(fēng)險，低溫液態(tài)儲氫也存在汽化等問題，相對而言危險程度較高。金屬吸附儲氫和有機液態(tài)儲氫氫氣脫離較為困難，安全程度較高。評分細則為：當(dāng)儲氫場景安全性要求為高時，高壓氫氣儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬吸附儲氫和有機液態(tài)儲氫的分值分別為x4 =2、5、9、9；儲氫場景安全性要求為低時，高壓氫氣儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬吸附儲氫和有機液態(tài)儲氫分值分別為x4 =6、7、9、9。

對于平均充放氫時間這一特征參數(shù)而言，由于金屬固態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫目前仍處于實驗室階段，且都存在脫氫要求較高、脫氫速度較慢的問題。根據(jù)相關(guān)文獻中實驗室數(shù)據(jù)，需在15 min 以上才能達到一定程度的充放氫進度，故以15 min 為界限，當(dāng)儲氫場景要求充放氫時間在15 min 以內(nèi)，高壓氫氣儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬吸附儲氫和有機液態(tài)儲氫的分值分別為x5 =9、9、3、3；反之，則分別為x5 =9、9、7、7。

成本得分則與各儲氫方式總成本和儲氫方式中最大總成本比值相關(guān)，具體計算公式為：

長管拖車數(shù)量為：

Ntt =Nhs +Ntc （8）

式中：TR——單次運輸往返時間，h；Mnet——卡車凈容量，kg；Tday——每日卡車總運輸時間，h；FGH——長管拖車年平均可用性。

單次運輸往返時間為：

TR =D/Va +2t1 （9）

式中：t1——掛載/卸載拖車時長，h；Va——平均運輸速度，km/h；D——運輸距離，km。

高壓拖車運輸氣氫的年運維成本［21］為：

OGH =Ofuel +Ocp +OM （10）

式中：Ofuel、Ocp 和OM——運輸燃料成本、壓縮機運維成本和儲氫設(shè)備的運維成本，美元。

1.3.2 液氫罐車運輸成本

液氫罐車單次運輸往返時間為：

每年液氫運輸方式的運維成本［21］為：

OLH =Ofuel +Oliq +OM （13）

式中：Oliq——液化成本，美元。

1.3.3 有機液體載氫

LOHC 運輸方式的成本［21］為：

OLOHC =Ohy +Odhy +Ofuel +OM （14）

式中：Ohy 和Odhy——每年LOHC 加氫和脫氫能耗成本，美元。

1.3.4 管道高壓氣氫運輸成本

管道（管長為L）建設(shè)成本［21］為：

Opipe =315000+L ×（3648×D2 +11178×D +180297）（15）

通過管道運輸高壓氣氫的成本為：

OPH =Opipe +OM （16）

1.4 權(quán)重計算方法

基于三角模糊矩陣的判定標(biāo)度和需求指標(biāo)綜合判定矩陣的求取方法，針對不同的儲氫場景需求，制定各特征指標(biāo)的重要性判定如表1 所示。

不同場景下氫氣儲運方式的綜合評分由特征參數(shù)總評分和成本評分兩方面組成。綜合評分計算方法為：

xm =x6 ×（1-y ）+xc ×y （22）

x6 =（x1，x2，x3，x4，x5 ）·（w1，w2，w3，w4，w5 ） （23）

式中：xm—— 各氫氣儲運方式總評分；x6—— 特征參數(shù)評分；y——成本權(quán)重系數(shù)，根據(jù)成本特征重要程度，依次取1、0.75、0.50、0.25、0。

本文針對不同儲氫場景需求下，分別對5 種氫氣儲運方式（高壓氣態(tài)儲氫+管道運輸/車載運輸，低溫液態(tài)儲氫/金屬吸附儲氫/有機液態(tài)儲氫+車載運輸）進行多維度綜合評分。根據(jù)綜合評分高低，獲得最優(yōu)的用氫場景與氫氣儲運系統(tǒng)的匹配模式。

2 結(jié)果與討論

加氫站是最為常見的儲氫場景之一?；谡憬闻d石油嘉善善通加油加氫站，在原有基礎(chǔ)參數(shù)下改變加氫站的固定儲氫量和氫氣運輸距離，分析不同氫氣儲運方式的模式匹配，具體如表2 所示。日供氫能力即加氫站每日需從上游工廠運輸氫氣量；氫氣運輸距離即上游工廠和加氫站之間距離；固定儲氫能力是加氫站儲氫罐能存儲氫氣量，充放氫時間即為汽車加注時間。質(zhì)量儲氫密度、體積儲氫密度和儲運成本3 個評價參數(shù)隨加氫站固定儲氫能力的變化而變化。由于管道運輸在此場景上成本顯著高于車載運輸，運輸方式均為車載運輸。在運輸距離為500 km 時，質(zhì)量儲氫密度評分x1、體積儲氫密度評分x2、特征參數(shù)總評分x6 和儲運成本隨儲氫質(zhì)量的變化如圖1 所示。低溫液態(tài)儲氫和金屬吸附儲氫評分x1 最高。在該儲氫罐質(zhì)量下，最大氫氣儲存質(zhì)量分別為570 和540 kg；有機液態(tài)儲氫和高壓氣態(tài)儲氫兩種方式質(zhì)量儲氫密度接近，所以評分x1 接近。

從圖1b 可知，在不同儲氫質(zhì)量范圍內(nèi)，金屬吸附儲氫評分較高。低溫液態(tài)儲氫也能超額達到體積儲氫密度的要求。從儲氫總體積來看，高壓氣態(tài)儲氫最大儲氫量為600 kg。從特征參數(shù)總評分x6 來看，當(dāng)存儲氫氣質(zhì)量較小時，高壓氣體儲氫評分較高；而隨儲氫質(zhì)量逐漸增大，低溫液態(tài)儲氫評分逐漸增高；當(dāng)金屬吸附儲氫在儲氫密度接近1000 kg 時，其評分接近于低溫液態(tài)儲氫。由于各儲氫方式運輸?shù)慕ㄔO(shè)和維護成本不同，在較小運輸距離時成本相差較大。此時，金屬吸附儲氫和高壓氣態(tài)儲氫成本明顯低于有機液態(tài)儲氫和低溫液態(tài)儲氫。

在不同成本參數(shù)權(quán)重y 值下，不同儲運方式的綜合評分如圖2 所示。當(dāng)y =0 時，總評分即為特征參數(shù)總評分x6，如圖2c 所示。在加氫站場景下，成本因素影響較小時，最優(yōu)儲氫方式為：當(dāng)儲氫量低時，最優(yōu)方式為高壓氣態(tài)儲氫；當(dāng)儲氫量較高時，最優(yōu)儲氫方式為低溫液態(tài)儲氫。當(dāng)儲運成本因素影響較大時，金屬吸附儲氫為最優(yōu)儲氫方式。儲氫質(zhì)量越大，其相對高壓氣態(tài)儲氫的優(yōu)勢越明顯。

氫氣儲運成本隨氫氣運輸距離的變化如圖3a 所示。在運輸距離很短（小于60 km）時，高壓氣態(tài)儲氫和金屬吸附儲氫成本均較低。在不同參數(shù)權(quán)重值下，儲氫方式總評分如圖3b～圖3d 所示。當(dāng)y =0 時，即不考慮運輸成本情況下，從高壓氣態(tài)儲氫到有機液態(tài)儲氫評分分別為6.9165、7.2015、8.6400 和6.5505。此時，金屬吸附儲氫為最優(yōu)方式。在不同的y 值下，運輸距離很短時，高壓氣態(tài)儲氫為最優(yōu)方式。隨著運輸距離的增加，高壓氣態(tài)儲氫成本增加較快，其評分不斷下降，最終金屬吸附儲氫變?yōu)樽顑?yōu)方式。

最優(yōu)儲運方式隨儲氫質(zhì)量和運輸距離的變化如圖4 所示。在較短運輸距離時，最優(yōu)儲氫方式為低溫液態(tài)儲氫。這是由于低溫液態(tài)儲氫儲存成本較低，運輸成本較高所致；當(dāng)中等運輸距離和較小儲氫質(zhì)量要求時，最優(yōu)儲氫方式為高壓氣態(tài)儲氫。當(dāng)較大運輸距離及較大儲氫質(zhì)量要求時，最優(yōu)儲氫方式為金屬吸附儲氫。成本權(quán)重參數(shù)y 越大，高壓氣態(tài)儲氫占據(jù)區(qū)域越小；隨著儲氫質(zhì)量的增大，適合高壓氣態(tài)儲氫的運輸距離越短。當(dāng)成本權(quán)重系數(shù)y =0.25 且儲氫質(zhì)量達到550 kg 時，最優(yōu)儲氫方式為金屬吸附儲氫方式。

3 結(jié) 論

本文基于三角模糊層次分析法和經(jīng)濟性分析方法建立了不同用氫場景氫氣儲運系統(tǒng)的多維度模式匹配模型；基于該模型對加氫站場景的儲運系統(tǒng)的模式匹配進行分析，對不同氫氣儲運方式進行多維度綜合評分，獲得了最優(yōu)的用氫場景與氫氣儲運系統(tǒng)的匹配模式。當(dāng)運輸距離較短時，最優(yōu)儲氫方式為低溫液態(tài)儲氫；當(dāng)中等運輸距離和較小儲氫質(zhì)量要求時，最優(yōu)儲氫方式為高壓氣態(tài)儲氫；當(dāng)較大運輸距離及較大儲氫質(zhì)量要求時，最優(yōu)儲氫方式為金屬吸附儲氫。

在未來的研究過程中，應(yīng)考慮對氫氣價格時間尺度波動，進一步完善本文的經(jīng)濟性分析。且隨著技術(shù)的發(fā)展，不同氫氣儲運系統(tǒng)的相對成本會呈現(xiàn)一定差異，從而影響最優(yōu)儲運方式的選擇。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFB4003801）