中科富海朱誠：液氫應用已到了臨界點
來源：原創 2020-09-02
隨著我國氫能產業的快速發展，氫能源的需求正呈現出爆發式增長。根據中國《節能與新能源汽車技術路線圖》，到2030年，氫燃料電池汽車要達到100萬輛，氫的需求將高達60萬噸/年，而當前高壓氣氫的儲運方式將難以滿足未來氫能源低成本、高便捷性的應用要求，液氫的應用正迎來轉機。
與高壓氣氫相比，液氫的主要特點是其儲存和運輸的便利以及規模化應用的經濟效益，因此業界呼吁液氫應盡早實現民用和產業化。
但氫氣液化是一項技術壁壘極高的技術，氫液化工藝中涉及的核心設備——透平膨脹機，當前全球只有少數公司可以制造。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等氫液化核心工藝和技術，擁有完全自主知識產權，基本實現全國產化。
然而，由于我國液氫相關標準、法規的缺失，液氫目前在國內僅應用于航空航天領域，在民用領域的應用處于空白。
“氫能作為一種能源要想大規模應用，一定要便宜，因此涉及氫的一些設備一定要國產化。”中科富海董事長朱誠表示。經過中科院理化所和中科富海幾代科學家的多年努力，中科富海實現了獨立研發集成制造大型氫液化設備，并擁有全套自主知識產權，打破了國外的壟斷和封鎖，為氫能源未來的廣泛應用奠定了堅實的基礎。朱誠認為，隨著氫燃料電池產業的快速發展，以及相關標準的推進，液氫已經來到了應用臨界點。
液氫的早期應用
早在上世紀五六十年代，我國就開始研究氫液化技術。早期氫液化設備采用節流制冷技術。1956年，在已故的洪朝生院士帶領下，我國研發出了第一臺國產節流制冷型氫液化器，實現了國產液氫零的突破。但這種技術的液氫產能最大僅能達到200公斤/天，且有一定潛在技術風險。隨著我國航空航天事業的發展，節流制冷型氫液化器已無法滿足我國對液氫的需求。
從上世紀90年代起，我國開始引進國際先進的氦循環制冷型氫液化器。氫液化技術和設備生產制造主要由Linde、Air Liquide 等少數國外公司掌握和壟斷，包括我國目前在運行的氫液化裝置在內，世界范圍內絕大多數的氫液化裝置均由上述少數幾家公司研發制造和銷售。
2010年，財政部委托中科院理化所，正式開展液氫溫區大型制冷設備國產化研發工作，在之前數十年研究積累的基礎上，中科院理化所突破了液氫溫區制冷系統的一系列關鍵技術，于2012年成功研制出2000W@20K（-253℃）大型氦透平膨脹制冷機，為大型氫液化器的國產化奠定了堅實基礎。
為進一步加速大型低溫裝備的國產化進程并提高我國液氫生產能力，中科院理化所大型低溫技術成果產業化公司——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，致力于包括國產氫液化器在內的大型低溫制冷設備的研發和制造。
2017年，中科富海開始研發第一套液化能力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年開始安裝集成調試，并有望于在2020年產出液氫產品。
此外，中科富海目前正在申報科技部“可再生能源與氫能技術”1.8重點專項，配合國家在2023年實現5噸/天的液氫示范。
中科富海1.5噸/天氫液化器氦壓縮機
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、綜合解決方案供應商。”液氫的制造裝備是液氫產業發展的基礎裝備，沒有基礎裝備，后面的產業的發展都將無從談起。
液氫應用臨界點已到
氫能產業鏈涉及上游制氫、中游氫儲運、下游燃料電池汽車氫氣加注以及其它方面的應用。目前整個產業成本居高不下，其中氫的終端價格高昂是制約氫燃料電池產業快速發展的重要因素。
氫終端售價的成本主要包含了制氫成本、儲運成本和加注成本，氫終端售價高昂的主要原因是氫儲運成本過高。目前我國氫氣主要通過高壓氫氣長管拖車來進行運輸，但這種方式存在單車裝載量少、供給效率低、規模化成本高等問題，液氫儲運將會有效解決上述制約。
以某市為例，假設該市建成20座加氫站，單個加氫站加氫能力為500公斤/天，那么全市氫氣總需求為10噸/天。在此種用氫規模下，高壓集束管車從生產工藝、運氫車輛的購置及調配等方面都會遇到極大困難。中科富海銷售總監寧永強表示，在單站500kg/天以上的大規模用氫條件下，從用地、工廠建設、運輸車輛等方面綜合計算，液氫相對高壓氣氫整體的固定資產投資可節約10%-20%。此外，液氫槽車單次運輸可以供應多個客戶，裝載和卸載時間短，且不存在高壓技術管車殘存壓力高的問題，供應能力將近高壓集束管車的10倍，便捷性和效率非常高。
氫液化與壓縮儲運效率對比
在運費方面，液氫具有明顯優勢。目前高壓氫氣運費接近2.8元/公斤/100公里，液氫運費有望達到0.4元/公斤/100公里。
此外，就常被質疑的氫液化能耗高的問題，寧永強表示，所謂氫液化能耗占液氫能量1/3的說法并不準確。根據所采用的技術路線及生產規模不同，氫液化所需能耗也會發生變化。例如氦循環制冷氫液化技術能耗約為15-20kW.h/kg，而規模更大的氫循環制冷氫液化技術能耗可以降低到6-10 kW.h/kg。而且能耗和成本是兩個概念，僅關注某個技術的某個點過于片面。寧永強介紹稱，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，從生產運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
液氫還有一個優勢是可以大幅提升氫氣的純度。我國是全球第一產氫和用氫國，擁有大量廉價工業副產氫資源。但氫燃料電池對氫氣中某些微量雜質非常敏感，提純去雜質難度大、成本高。導致這些廉價氫源無法直接用于氫能產業。在液氫溫度下，氫氣中絕大多數有害雜質將被固化去除，從而得到純度達99.9999%以上的超純氫氣，完全可以滿足氫燃料電池使用標準。
寧永強介紹，就不同氫儲運方式而言，在不同的用氫規模下具有不同的經濟性。當用氫規模在500公斤/天以下時，在站制氫和高壓儲運具有一定經濟性，但用氫量達到500公斤/天以上時，上述儲運方式的投資和運營成本將大幅增加，經濟性降低，液氫儲運的經濟性優勢開始顯現。
Qin N, Brooker P, Srinivasan S. Hydrogen Fueling Stations Infrastructure[J]. Fuel Cell Vehicles, 2014.
2020年5月9日財政部發出的《關于征求<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/天以下時將不給予補貼支持，大于1噸/天將獲得全額補貼。
對此朱誠表示：“氫能產業的發展未來從規模和體量方面都會有一個巨大的提升，液氫是實現氫能產業規模化發展的重要解決方案。根據政策指向和發展趨勢，我們目前正處于高壓氣氫到液氫的臨界點。”
困局待解
液氫是未來氫能源大規模應用的重要解決方案，能夠讓氫能源的利用既便宜又便捷，但是液氫的應用目前還存在標準和法規缺失等體制限制。
美國、歐洲、日本從液氫的儲存到使用，包括加氫站全部都有了比較規范的標準和法規，液氫發展產業鏈比較完備，因此國外將近有1/3的加氫站為液氫加氫站。反觀國內，礙于缺少相關的技術標準和政策規范，目前仍少有企業涉足液氫領域。
對此寧永強表示：“液氫在民用領域應用空白的最大原因除了技術本身的限制外，主要是需求不足。”
化工、冶金、電子等領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業的規模化發展。需求上來后會反過來推動液氫產業的發展，包括技術、標準、法規、政策等。
因此，雖然標準和法規還沒有正式落地，但目前布局液氫的企業逐步增多，都在做技術儲備和示范項目，爭取能搶占先機。
隨著氫能產業的快速發展以及國內對于液氫的呼吁，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，全國氫能標準化技術委員會發布關于對《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產系統技術規范》和《液氫貯存和運輸安全技術要求》三項國家標準征求意見的函。
這三項意見稿的發布將填補國內民用領域液氫標準的空白，標準是制定法規的基礎，標準落實后，法規的出臺只是時間問題。
最后，朱誠再次強調：“政策固然重要，但是技術仍然是關鍵，氫能源作為一種能源未來要實現大規模應用首先一定要便宜，要做到便宜，相關環節上的設備就一定要實現完全的自主化、國產化。”
通過氫液化儲運的方式，未來的終端加氫價格有望控制在30元/公斤以內，彼時，液氫在市場上將具備極強的競爭力。
