云道资本：2023中国氢能产业-氢储存运输环节深度研究报告

完整系列深度研报请关注「云道资本」公众号2023ResearchReportonChinaHydrogenEnergyIndustry-Storage&Transportation「云点道林「云点道林SixsigmaResearch」为精品投资银行「云道资本」下属研究机构氢能源Hydrogen氢能源前言：氢储运环节在氢能产业中的意义与难点“难”氢气本身密度极小(0.089g/L)易逃逸、由气态转为液态的液化临界温度低(-前言-氢储运环节在氢能产业中的意义与难点前言-氢储运环节在氢能产业中的意义与难点•气态储氢路线•气态储运主要会涉及到的关键设备•气态运输情况•液态储氢路线•液态储运主要会涉及到的关键设备•液态运输情况•氢的3种主要存在状态与运输方式之间的对应关系(2030预测)•氢的几种主要运输方式之间的横向对比•不同①运距和②运量要求条件下的决策矩阵•分阶段展望，我国氢储运方式的总体格局•我国氢储运方式的展望时间表附录-相关图谱附录-相关图谱•储氢承压设备体系•输氢承压设备体系•氢能承压设备技术标准体系Hydrogen氢储运storage&T高压气氢的概况—制氢端多输出氢气，经压缩后以气态储运顺理成章，最为简易成熟高压气态储氢运氢仍是我国目前最大的方式，技术较为简单成熟，充放氢速度快，压缩过程能耗较低。但经过压缩后的氢气密度依然不到0.02kg/L，储氢密度和安全性仍是气氢储运的重大缺陷 压缩 虽然可以通过进一步加压的方式继续提升储氢密度，但是压力越高，对储氢容器材质、结构的要求同步越高，成本亦会大幅增加，安全性也更加难以保障气态储运主要会涉及到的关键设备——氢气压缩机、高压气氢储瓶、氢阀门为管道输氢提供动力为管道输氢提供动力非氢领域作气体增压非氢领域作气体增压氢气压缩机—构造和原理简介氢气压缩机工作原理类似于泵，将系统低压侧的压力降低，并将系统高压侧的压力提高，从而使H2从低压侧向高压侧流动隔膜压缩机、液驱活塞式压缩机是氢气压缩机中的目前两大主流，二者的构造和原理有所不同：隔膜压缩机是靠隔膜在气缸中作往复运动来压缩和输送气体的往复压缩机。隔膜沿周边由气侧膜头和油侧膜头夹紧，隔膜由机械或液压驱动在气缸内往复运动，从而实现对气体的压缩和输送液驱活塞式压缩机通过液压油驱动活塞作往复运动，往复运动的活塞直接作用于氢气，实现氢气的压缩和输送。液压油一般由液压泵提供，并通过电磁换向阀控制液压油流动方向，实现对活塞的往复作用。这种结构可以做成多列氢气压缩机—下游应用倒逼氢气压缩机提升压缩比、排量，“液驱+隔膜式”惊喜出现特性特性优势压缩比大，容易实现低进气、高排气优势尚需改进频缩机疲劳寿命要求高A+BA+B 传统隔膜式压缩机的50%左右氢气压缩机—国内公司的研发突破进展迅速高压气氢储瓶—高压储氢容器向高压、轻量、降成本、无氢脆发展，V型尚需时间/有有有无/钢目前国外正在研究V型储氢瓶，但尚未实现商业化，该气瓶仍然使用碳纤维复合材料缠绕，不使用任何内胆。V型瓶工作压力可氢脆、无腐蚀性、使用寿命可达30年以上、成本中等等优点，亦可用于航无/高压气氢储瓶—内衬材料、纤维缠绕方式及成型工艺是进一步迭代方向内衬材料的基本要求是抗氢渗能力强，且具备良好的抗疲劳性。金属内衬阶段多采用铝合金，为了进一步减轻高压储氢容器的自重，提高系统储氢密度，同时降低成本，将金属内衬替换为塑料内衬，复合材料一般为高密度聚乙烯，这种材料使用温度范围较宽，延伸率高达700%，冲击韧性和断裂韧性较如添加密封胶等添加剂，进行氟化或硫化等表面处内衬材料的基本要求是抗氢渗能力强，且具备良好的抗疲劳性。金属内衬阶段多采用铝合金，为了进一步减轻高压储氢容器的自重，提高系统储氢密度，同时降低成本，将金属内衬替换为塑料内衬，复合材料一般为高密度聚乙烯，这种材料使用温度范围较宽，延伸率高达700%，冲击韧性和断裂韧性较如添加密封胶等添加剂，进行氟化或硫化等表面处理，或用其他材料通过共挤作用的结合，还可提高气密性。未来找出性能更为理想适宜的材料，是迭种，最新采用了半干法缠绕的方式—在浸胶碳纤维缠绕到芯模之前通过烘干设备将浸胶碳纤维纱线中的溶剂除去，提高制品质量。与干法缠绕相比省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比只是增加了一套烘干设备，却可以大幅降低制品中的气的团队降维跨界而来的原子晶格中重新聚合成氢分子，造成应力集中，超过金属的强度极限，导致材料脆化甚至开裂，即常说的“氢脆现象”11个阀门涉及多种零件的设计、生产、组装、集成，需要流体机械背景、集成经验和工艺积累。流体机械技术最为前沿的当数核工业领域、航天领域，目前国内已有从这两大领域出身的创业团队进入推动氢阀的国产化，还分别进行了一些自主原创性改造。在拥有自主知识产权的基础上配备完善的售后服务，产品的后期运行维护费用、组件更换费用比进口产品大幅节省，具有产品全生命周/小时计划2022年7月开工，一期年输送能力10万吨，二期30Hydrogen氢储运storage&T物理法氢以液态储运化学法物理法氢以液态储运化学法氢以液态储运的概况—按照技术原理的不同，可分为物理法、化学法两种氢的液态储运，是指将氢能从气态转化为液态再进行储存运输的方法。按照技术原理的不同，可分为物理法、低温液化氢：低温液化氢：将氢冷却到液化临界温度21K(-253°C)以下而形成液氢，储存于低温绝热液氢罐进行储运2+N2=2NH3(反应条件：高温500℃、高压40-60Mpa、催化剂铁触媒)2H2+CO→CH3OH(反应条件：高温、高压、一定的催化剂)有机液体储氢LOHC：对不饱和液体有机物(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)在催化剂作用下进行加氢反应，形成分子内结合有氢的甲基环乙烷MCH等饱和环状化合物，生成稳定化合物，从而可在常温常压下液态储运，当需要氢气时再在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气物理法—深冷低温液态的概况低温液态储氢属于物理储存，将氢气压缩深冷到21K（约-253°C）以下，使氢气变为液氢，然后存储到特制的绝热 定义真空容器(杜瓦瓶)中(1)液化氢大大提高了氢的密度和储存运输效率，液氢密度可达到70.78kg/m³,是标准情况下氢气密度(0.089g/L)的850倍，是80MPa复合高压下气态储氢密度(33kg/m³)的大约2.2倍(2)液氢还能大大提高氢气的纯度，在液态温度下，氢中的大部分有害杂质被去除净化，从而可得到纯度>99.9999%的超纯氢气，即可满足下游氢燃料电池的应用要求标准局限性(1)由于氢气的液化临界温度极低(-253°C)、沸点低(20.3K开尔文)、潜热低、易蒸发，与常温环境温差极大，这就对液氢储存容器的隔温绝热性要求很高(2)由于目前液氢进口设备成本高，国产液氢总产能较低，导致液氢成本仍然较高局限性运输液氢最早用于航天领域。液氢燃料在航天领域是一种难得的高能推进剂燃料，氢氧发动机的推进比冲I=391s，除了有毒的液氟外，液氢的比冲值是最高的，因此在航天领域得到重用。氢的能量密度高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可降低2/3，这对飞机来讲是极为有利的。与常用的航空煤油相比，用液氢作航空燃料，能够大幅改善飞机各类性能参数。除了航天航空领域之外，液氢还运输距离的氢能储运，低温液态储氢运氢有较大优势氢液化使用的主流循环HampsonHampson-Linde循环 衍变而来 MagneticRefrigeration/LiMagneticRefrigeration/LiquefactionSystem最基本也是最简单的氢气液化方法基本原理就是焦耳-汤姆孙(J-T)效应。分为两步，先将氢气预冷，再通过J-T膨胀进一步冷却大型液氢工厂为提高效率目前普遍采用的氢气液化方法通过引入膨胀机(Expansionmachine)可以在J-T膨胀（与Hampson-LindeProcess第二阶段相同）由Claude循环衍变而来的氢气液化方法CollinsProcess最初应用于氦气液化，由ClaudeProcess变化而来，采用了两级不同工作温度的目前主要应用于实验室规模的制氢、还未应用于大型的商业制氢工厂的氢气液化方法磁制冷系统是一个逆卡洛循环(Carnotcycle)从液氢运输成本构成来看，液化环节成本占总成本近70%，相关核心技术设备是关键-------------------》常温-------------------》氢的液化临界温度压缩环节压缩环节预冷环节CatalyzedO-PHydrogenC液氢关键设备—膨胀机我国的低温液氢起步较晚，且之前长期面临国外的技术封锁，氢液化关键技术及设备的国产化应重点关注。美国一直对中国采取“严格禁运，严禁交流”的策略，同时还限制其同盟国的公司例如AirLiquide法液空、Linde林德等向中国出售设备和技术。国内目前液氢的问题是成本高，关键设备和系统仍依赖进口，成本过高也导致了目前民用液氢工厂较少，多为示范应用工程，目前不超过10台氢液化设备膨胀机，目前主要是根据示范项目、产业化项目的要求定制设计、制造和落地，能耗较低，但是不能灵活移动，并且需要连续运行不能随时启停。国内的大型氢液化装置，如国富氢能、中科富海主要需要突破低温氢工况材料选用、降低液化过程能耗、氢/氦透平膨胀机研制和正仲氢转化催化剂等技术难题，随着技术突破大型氢液化装置的国产化将快速降低氢液化成本液氢关键设备—正仲氢转化器将常温氢气液化要移除三部分的热量，一是将常温氢气冷却至沸点散发的热量，二是氢气冷凝液化所释放的热量，三是正-仲氢转化所释放的热量。氢具有正、仲氢两种不同的形式，随着温度的降低，正氢会通过正-仲态转化成仲氢，由于正-仲转换放出的热量大于氢气的气化潜热，所以最后的液氢产品必须以仲氢的形式存在，规定要求仲氢含量必须大于95%。所以在氢液化过程中，需要在换热器或者中间加正仲转换器，以保证仲氢的含量达到标准常温常压下的常态氢气NormalHydrogen中含有75%的正氢和25%的仲氢，在氢气液化过程中要尽可能将正氢全部转化为仲氢。因为仲氢更不活跃，所含能量更低，如果正氢不能全部转化为仲氢，在存储过程中正氢在低温状态下会自发的缓慢转化为仲氢，转化过程中释放的热量可能使部分液氢气化，造成液氢储罐过压而出现破裂风险。因此上面介绍的各种的氢气液化循环都需要加入正-仲氢转化环节。而自发的正仲氢转化是比较缓慢的过程，通常需要几天的时间，液氢工厂一般采用催化剂加速这一过程国内对于正-仲氢转换催化剂研究已经取得一定成绩，北京航天试验技术研究所自制的正仲氢转化催化剂性能已达到国际先进水平液氢关键设备—液氢绝热隔温储罐根据使用形式，液氢储罐可分为：1）固定式：固定式液氢储罐可采用多种形状，常用的包括球形储罐和圆柱形储罐，一般用于大容积的液氢存储；2）移动式：由于移动式运输工具的尺寸限制，移动式液氢储罐厂采用卧式圆柱形，结构、功能与固定式液氢储罐并无明显差别，但需具有一定的抗冲击强度，以满足厂到液氢用户的直接储供，减少了液氢转注过程的蒸发损按照绝热原理，可分为普通堆积绝热和真空绝热两大类。低温液氢储存的研究热点是无损储存，无损储存的关键在于由传统的被动绝热方式向主动绝热技术转变，将更低导热率、更高低温性能的新材料应用于2,417kg/m³KWh/m³KWh/kg3kg/m³KWh/m³KWh/kg2,417kg/m³KWh/m³KWh/kg3kg/m³KWh/m³KWh/kg低温液态储运氢的最具价值攻克的一环，是氢液化核心设备的国产化和由此带来的降本液化机-液化能耗（90%）加压压缩加压压缩压缩机-压缩能耗压缩机-压缩能耗高压瓶+气氢车高压瓶+气氢车最早发展利用氢能源的发达国家，均沿着液氢路线诞生了一批液氢生产巨头液氢的运输情况—总体看适合运距较远、运量较大的情形液氢还可使用驳船运输，这和运输液液氢还可使用驳船运输，这和运输液化石油气相似，驳船上装载容量很大的存储液氢的储罐，需要使用性能更好的绝热材料。用于船运的液氢储罐容积可达1000m3以上，且无需经过人口密集区域，更加安全、经济液氢驳船运输的发展由未来当地制氢成本的高低决定。采用液氢驳船运输的氢气往往是进口的，这部分船舶进口的氢能源将与当地生产的氢能源直接竞争，当地的制氢成本水平及其降热槽罐。公路用的液氢储罐其存储液氢的容量可以达到100m3，铁路用的特殊大容量的槽车甚至可运输120~200m3的液氢。液氢存储密度和损失率与储氢罐的容积有较大关系，大储氢罐的储液化过程的能耗及其它成本占整个液氢储运环节总成本的90%以上，这也造就了液氢运输成本对于运输距离不敏感，运输距离越长经济性越高。未来降本方向为，液化设备的国产化、规模日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船于从日本驶往澳大利亚船上搭载了川崎重工播磨长25米高16米的椭圆日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船于从日本驶往澳大利亚船上搭载了川崎重工播磨长25米高16米的椭圆3的液氢。川崎重工还亿美元建造全球首艘大型液化氢个可分别储存4万m3液化氢2021年12月开启首航，提取第一批货物，工厂制造的液氢储罐—形储罐能够储存1250m将斥资5.78运输船，将配备4的储罐，预计2026年完工液氢开始直接作为大宗燃料，为各类大型交通工具供给动力能源国家长征系列运载火箭空客氢动力飞机氢动力船舶戴姆勒梅赛德斯奔驰GenH2燃料电池重卡加氢反应加氢反应化学法—本质是氢通过化学反应，生成含氢的液态化合物，作为氢的储运载体合成化合物合成化合物(储运载体)脱氢直接利用+N2NH3脱氢直接利用化肥农药原料燃料火箭导弹的推进剂脱氢直接利用+CO2/COCH3OH脱氢直接利用化工中间原料农药脱氢 脱氢(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)(如：甲基环乙烷MCH)将氢气H将氢气H2与氮气N2在特定的反应条件下反应生成液氨，液氨就作为了氢的载体进行储运。液氨有直接下游使用方向—燃料、化工原料，液氨也可以在到达特定使用地点之后通过脱氢剂再还原成氢气，供给使用。如上节“液氢”所述，氢气直接液化需要冷却深冷至-253°C以下，为了解决这一点，液氨方法得以被关注氨作为一种含氢质量分数达到17.6％的富氢物质，仅需常温加压（0.86MPa）或常压低温（240K开尔文）即可液化，其储存条件缓和于液氢，与丙烷类似，可直接利用丙烷的技术基础设施，大大降低了设备投入；液氨储氢中体积储氢密度高于液氢约1.7倍，液氨燃烧涡轮发电系统的效率(69%)与液氢系统效率(70%)近似。并且后续在脱氢过程中，液氨在常压、400°C条件下即可得到氢气，能耗水平低。根据中石油安环院发表的名为《氨能应用现状与前景》的论文测算，100km内液氨的储运成本为150元/吨，500km内液氨的储运成本为350元/吨，仅为液氢储运成本的1.7%存在腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，因此其对燃料电池也有毒性，部分未被分解的液氨混入氢气中，也会造成燃料电池的严重恶化。所以，这点限制了液氨储氢的适用范围主要在于提升液氨的后续脱氢纯度传统上，氨总是与化肥联系在一起，是常见的一种化学肥料，也广泛应用于化工、制药、制冷和食品等多个工业领域。目前全球80%以上的氨用于生产化肥，并且通过专用船舶运输到世界各地。现在氨的更多功能被开发出来：氨是无碳燃料；氨与氢可以互相转化；而绿氨×绿氢，还可大幅减少化石能源消耗，真正实现绿色低碳。绿氨联动绿氢，可使每公斤氢气利润率接近50%，经济效益很明显。从当前日本、澳大利亚等多国布局来看，氨-氢运输这一方式在大型氢出口项目领域具有优势—利用可再生能源发电电解水制氢后，通过“氢-氨-氢”流程完成“绿氢”储存运输液氨储氢：H2+N2→NH3局限性局限性运输运输•国际以天然气作为主要原料•国内以煤炭作为主要原料出里•国际以天然气作为主要原料•国内以煤炭作为主要原料出里如氢同理，根据主要制取原料的碳足迹，合成氨也被定义分为了灰氨、蓝氨和绿氨正如根据不同的原料和制取方法对氢进行了不同的分类一样，根据主要原料氢气的碳足迹，合成氨也分为了灰氨、蓝氨和绿氨：NH3如氢同理，根据主要制取原料的碳足迹，合成氨也被定义分为了灰氨、蓝氨和绿氨灰氨(传统制氨)灰氨(传统制氨)“灰氨”主要由天然气蒸汽重整氢气及空气分离的氮气，再通过传统哈伯法(Haber-Bosch)进行合成，传统的Haber-Bosch合成氨工艺包括使用蒸汽甲烷重整(SMR)生产氢气，其占全球每年能耗的(1-2)%，导致每年约2.35亿吨CO2排放，这些CO2排放中约80%源自氢的生产(通过能源密集型SMR工艺与空气中的N2反应生成氨)。传统的Haber-Bosch工艺已经沿用上百年了，已经对环境的温室效应造成了很大的影响。传统制氨法，国际上主要以天然气为合成氨的主要生产原料。但中国的天然气价格高昂且产量匮乏，对外依赖度较高，中国的合成氨工业主要以煤炭为主要生产原料，大概77%的合成氨来自于煤炭。而从碳排放的角度来讲，每吨煤制氨释放的碳排放也要高出每吨天然气合成氨释放的碳排放。煤气化反应会形成一氧化碳和氢气为主的粗合成气。合成氨行业做原料的氢气几乎都是化石原料生产的灰氢，一部分来自于煤气化过程，另一部分来自于变换反应。合成氨主要是用氢气和氮气作为合成原料，变蓝氨蓝氨工艺与灰氨基本相似，但会对工艺流程进行碳捕集与封存(CCS)。如果天然气转化过程中排放的二氧化碳能够被捕集进而储存住，那么生产的氨通常称为“蓝氨”绿氨绿氨以可再生能源为动力进行电解水制氢，再与氮通过热催化或电催化等技术合成，即“以绿氢制备绿氨”。如目前绿氨主要有5条生产路径，成熟路径都是以绿氢为起点再配以哈伯-博施合成工艺路径1-3将可再生氢生产技术与哈伯-博施合成工路径4将可再生氢技术与创新性合成工艺(非热等路径5(电化学合成氨)不需要分在哈伯-博施合成工艺之外，新出现了“非热等离子体合成氨法”、“电化学合成氨”法路径路径1为了将灰氨工厂转变为绿氨工厂，可以用3种电解器取代SMR装置，从而使氨生产的二氧化碳排放量减少78%(这取决于电力行业的二氧化碳排放强度)。此外，使用当前的电解技术将导致氢生产过程中的能量损失较大，但氨合成过程中的能量损失较小。与使用蒸汽甲烷转化天然气生产灰路径2路径2通过“太阳能直接制氢”(也称为光电化学制氢)，这是一种不使用电解装置直接从水中生产氢的工艺。这项技术利用光电化学裂解氧化还原反应。太阳能制氢过程中，使用聚光太阳能热发电(使用反射镜或透镜汇聚阳光)(IEA，2017)、光伏(PV)电池(Bellini，2021)或光敏路径路径3分解生物质中的碳氢化合物分子这种方法可通过不同的技术过程实现。暗发酵是一个厌氧过程(缺乏或不存在氧)，在此过程中使用细菌将生物质分解为氢、二氧化碳和其他副产物。一个研究领域着眼于通过将暗发酵工艺与其他工艺和技术，如光发酵、产甲烷、微生物电解池和微生物燃料电池耦合来提高氢产量。通过生物质热气化技术，木质生物质能够被分解成氢、一氧化碳和二氧化碳，然后可以用膜分离等方法将氢从气体混合物中分离出来。通过超临界水气化技术，高湿生物质原料，如有机废弃物和污水污泥可以被“气化”，形成氢和甲烷。其中甲烷可以在接下来的重整步骤中转化为氢。热气化已经投入商用，但规模不大。超临界水气化还没路径4路径4哈伯-博施法的替代方法是非热等离子体合成。这种合成工艺也处于研究和开发阶段，在低温(约50℃)和低压(约1bar)下运行，不使用化石燃料，资金成本低，适用于小规模氨生产。然而开发这项技术面临3个方面挑战：氮的固定、逆反应和提高转换和能源效率。弗吉尼亚大学研究公司开发的一项等离子体技术可以通过等离子体激发的方式将可再生能源电力、水和空气转化为氨。这一技术利用微波等离子体工艺激活氮和氢，产路径路径5电化学合成氨是一种不需要分离工艺的绿氨生产路径。这项技术仍处于研究和开电化学合成氨是一种不需要分离工艺的绿氨生产路径。这项技术仍处于研究和开发阶段，利用电化学电池从氮气、水和电力中生产氨。将电压施加到电池的电极上，释放出的离子通过分离膜和电解质到达带相反电荷的电极。化学反应产生，水被分解成氧气和氢气，氢气与氮气反应形成氨；或者氢离子(H+)被转移到氮气中形成氨，而无需先形成氢分子(H2)与哈伯-博施法相比，电化学合成氨有以下优势：能源效率(LHV)较高；选择率较高(减少了净化需求)；温度和压力较低；以及模块化。不过电化可再生能源电力电量的波动性，难以适配传统合成氨生产过程对平稳性的要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需在①合成氨工艺柔性优化与调控、②大规模电解水制氢平稳运行、③制氢负荷参与电网调控和全系统技术经济性等方面展开研究，以突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。大规模可再生能源电解水制可再生能源波动条件下的合成氨工艺流程优化和柔性调控技术“电–热–质”耦合的大规模电解水制氢系统的模块化集成和集群动态控制技术可再生能源波动性与化工多稳态特性的全系统协同控制技术等甲醇储氢技术，是指将氢气H甲醇储氢技术，是指将氢气H2与二氧化碳CO2/一氧化碳CO在特定的反应条件下反应生成液态甲醇，甲醇就作为了氢的载体进行储运。液氨有直接下游使用方向—燃料、化工原料，液氨也可以在到达特定使用地点之后再分解出氢气，供给使用。如上节“氨储氢”所述，液氨具有腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，不适合对接用于燃料电池，为了解决这一点，甲醇方法也被产业开始采用1个CH3OH分子中含有4个H，CH3OH是含氢量最高的碳氢化合物，1kg甲醇可产生0.125kg氢气。甲醇储氢密度高，理论质量储氢密度高达12.5wt%。甲醇分子没有C-C键，在反应过程中催化剂上会产生较少的焦炭。甲醇的储存条件为常温常压，且没有刺激性气味，存储条件进一步缓和于液氨。甲醇在常温常压下即为液态，储运无需低温或加压，同等体积下携带能量是35MPa高压储氢的4倍甲醇需突破点在于二氧化碳CO2单程转化率和甲醇产率较低，导致目前的经济性较低开发同时满足二氧化碳CO2单程高转化率(>20%)和高甲醇选择性(>90%)的催化剂，改善催化剂寿命全球范围来看，CO2加氢合成甲醇已有不少成功案例：•欧洲2012年已经建成了当时全球最大的CO2基甲醇制造厂(年产4000吨甲醇/消耗5600吨CO2/利用地热电厂电解水制氢)•日本2021年建成日产20吨的碳回收甲醇合成装置甲醇储氢：H2+CO2/CO→CH3OH运输运输伴随甲醇储氢的发展，甲醇制备行业也正在快速从“传统甲醇”向“绿色甲醇”进化 “液态阳光” “液态阳光”最早由中国科学院液态阳光研究组提出，并于最早由中国科学院液态阳光研究组提出，并于2018年9月在国际杂志《焦耳》上公开发表，得到了国煤制甲醇现状是甲醇的制取正从第二代向第三代过渡。在天然气暂时还无法被完全替代的实际情况下，大幅降低生产甲煤制甲醇煤气或页岩气制甲醇醇带来的碳排放，成为现今以极低排放或零排放技术用煤或气制甲醇生物质制甲醇不断寻找液储介质过程，本身就是在密度效率、安全性、反应条件宽泛性之间不断优化气氢液氢液氨甲醇含氢质量分数优势0.089kg/m³40kg/m³70.6kg/m³617kg/m³108kg/m³792kg/m³含氢量最高的碳氢化合物99kg/m³•大大提高氢气的纯度，在液态•温度下，氢中的大部分有害杂质被去除净化，可得到纯度•>99.9999%的超纯氢气，即可满足下游氢燃料电池的应用要求标准••液氢体积密度更高，储罐更轻，在航天/航海/航空/轨道等交通领域比压缩氢气都更有优势和液氢相比，液化条件进一步放氨与丙烷类似，可直接利用丙烷的技术基础设施，大大降低了设备投入总成本对运输距离不敏感，所以非常适合氢的长距离、大规模运输•和液氨相比，甲醇没有刺激性气味，使用范围进一步放•甲醇分子没有C-C键，在反应过程中催化剂上会产生较少的焦炭•总成本对运输距离不敏感，所以非常适合氢的长距离、大规模运输局限性•由于氢气的液化临界温度极低(-253°C)、沸点低(20.3K)、潜热低、易蒸发，与常温环境温差极大，这就对液氢储存容器的隔温绝热性要求很高氨气/液氨主要存在腐蚀性、有强烈气味、有毒性，易挥发，不宜布署于住宅等人员密集区对燃料电池也有毒性，部分未被分解的液氨混入氢气中会造成燃料电池的严重恶化•甲醇高度易燃，不宜距离人员密集区过近•需要进行多次的能源形态转化耗能，故而总成本对电价敏感未来技术突破方向/•开发同时满足CO2单程高转化(>90%)的催化剂，改善催化剂寿命液氨可运至在加氢站内进行裂解合计合计这两种载氢方式均需要进行多次的能源形态转化耗能，故而总成本对电价敏感，但总成本对运输距离不敏感，所以均适合我国同时是氨和甲醇的世界最大生产国和消耗国，已经开始大力提升绿氨、绿醇的比重中国作为氨、甲醇的世界最大生产消耗国，在“氢氨醇联动”方面正在积极发力，力争在国际能源产业创新前沿占据一席之地。2022年，国家能源局提出，积极探索绿氢、甲醇、氨能等替代化石能源的新方式、新途径。已有国内企业深度投身于“氢氨醇联动”的项目建设，截至目前我国规划在建的绿氨/绿醇项目已接近50个，其中有国家能源集团、国电投、中国能建等国家队的身影，也有中国天楹、远景科技集团等民企加入鉴于西部、东北部分地区优越的风、光、水资源禀赋，秉持贯彻“绿氢消纳绿电，绿氨/绿醇消纳绿氢”，打通“绿电—绿氢—绿氨/绿醇”一体化产业链风力资源禀赋─—光照资源禀赋─—水力资源禀赋─→─→─→─→耦合电解─→─→─→耦合电解柔性世界最大的我国是氨、甲醇绿电绿氢绿氨/绿醇消耗国我国已在风光资源丰沛地区投建布局“绿电-绿氢-绿氨绿醇”项目，2-3年后陆续投产地点投资公司规模绿电绿氢绿氨绿醇√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√有机液体储氢技术LOHC有机液体储氢技术LOHC(LiquidOrganicHydrogencarriers)，是指对不饱和液体有机物(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)在催化剂作用下进行加氢反应，形成分子内结合有氢的甲基环乙烷MCH等饱和环状化合物，生成稳定化合物，从而可在常温常压下液态储运，当需要氢气时再在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气液态有机物储氢有望成为氢储运环节最有希望取得大规模应用的技术之一，这是因为加氢后的有机氢化物的稳定性、安全性大大提高。LOHC储氢方法可能是诸多储氢方式中稳定性最高、日常维护量最小、长周期储存成本最低的一种方式，也能够实现可再生能源、电网、大型发电和分布式发电、氢气加注市场等不同领域的交互应用，更适合大规模、长时间的储存，更为灵活氢气纯度不高，可能发生副反应产生杂质气体；反应温度较高、脱氢效率较低、催化剂易被中间产物毒化；液氢储存压缩能耗过大，需配备相应的加氢、脱氢设备有效改善脱氢技术复杂、脱氢能耗大和脱氢催化剂技术，提高低温下有机液体储氢介质的脱氢速率与效率、催化剂反应性能，改善反应条件、降低脱氢成本及操作难度液态有机物储氢可以直接实现常温常压液态储存及运输，过程中安全高效，安全监管部门和公众对液态有机物储氢LOHC方法的忧虑相比低温液氢和高压气氢要小得多。液体有机氢(LOHC)运输，可依托已有的油品储运设施，例如：输油管道、储罐、接卸设施、槽车、火车罐车、油船等油品储运设施。LOHC输氢，是除了利用管道运输的另一实现大宗氢储运的方式。LOHC可以走输油管道、火车铁路、罐车公路以及船运有机液态储氢技术LOHC—安全性高、成本较低难以被忽视，未来较具潜力运输运输传统介质新型介质传统介质新型介质有机液态储氢技术LOHC的主流储氢介质种类—德、日、国内分别选择了其一发展/%/(kg*m3)C6H12苯C7H14C10H18反式萘C10H8C12H21NC12H9NC14H25NC14H13NC21H19N260-310C10H19N国内武汉氢阳能源二苄基甲苯N-乙基咔唑、二甲基吲哚等二苄基甲苯LOHC技术在日本研究了约LOHC技术在日本研究了约20年时间，在日本也有一定的示研制MCH脱氢反应膜催化反应器，以解决脱氢催化剂失活2017年在日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)的指导下，千代田、三菱商事、三井物产、日本邮船4家公司联合成立了先进氢能源产业链开发协会(AHEAD)，利用甲基环己烷储氢，于2020年实现了全球首次远洋氢运输，于20现了有机液态储氢示范，从文莱海运至日本川崎德、日两国走在有机液态储氢LOHC路线规模化生产的前沿德国HT公司欧洲已经开始了使用欧洲已经开始了使用LOHC的氢能示范工程，包括使用LOHC作为氢源的加氢站，装载LOHC作为氢源的氢能船舶和铁路机车。在移动设备上装载LOHC而不是氢气罐，大大HT公司成立于2013年，一直致力于LOHC技术的研发推广。在德国Dormagen化学园区建有世界上最大的LOHC工厂。HT公司主要研究方向为二苄基甲苯，该介质具有不易燃不易爆性。公司总部用PEM电解槽制氢后，可用标准油罐车进行氢气运输。LOHC技术的阻燃和非爆炸特性，液体载体的安全优势加上高能量密度，可在人口稠密的城市地区为加氢站轻松且安全的供应氢气。H2Sektor项目为大型加氢站奠定了基础。埃朗根加氢站成为了绿氢跨区域供应链的一部分。Hydrogen氢储运storage&Transportation配位氢化物氢气水合物金属有机框架MOFs无机多孔材料碳基多孔材料金属基储氢合金稀土系占比高达90%配位氢化物氢气水合物金属有机框架MOFs无机多孔材料碳基多孔材料金属基储氢合金稀土系占比高达90%氢以固态储存按照原理、材料分类 优势：优势：在特定条件下对氢气具有良好的、可逆的热力学吸附缺陷：缺陷：优势:优势:缺陷：缺陷：金属氢化物基储氢合金是目前固态储氢材料中研究最集中、最有实用化前景的 化学反应吸附材料，目前以金属氢化物及其储氢合金金属储氢材料通过金属氢化物的形式来将氢气储存在(金属氢化物基储氢合金)为主，其机制原理为：氢分合金中子物理吸附在金属或合金表面；氢气分子解离为氢原吸氢过程中，合金储氢材料在一定的温度和氢气压力子；材料表面的氢原子扩散至金属或合金内部，形成下,发生放热反应吸收氢气生成金属氢化物；放氢过程固溶体（“相）；材料内部的氢原子与金属原子发生中，金属氢化物在加热的情况下发生吸热反应释放所化学吸附生成氢化物(β相）吸收的氢气金属氢化物基储氢合金中，镁系和稀土系值得重点关注，适逢我国镁、稀土资源丰富储氢合金种类繁多，包括镁/钛/钒/稀土/锆系等。目前储氢合金的研究热点方向主要包括储存容量高、综合性能好、轻质储氢合金的开发和性能研究等当前以MgH2为代表的镁基材料研究较多，产业化前景良好。镁元素具有较高的储氢能力，储氢质量密度为7.6%，体积密度为110kg/m³,同时还具备性能稳定、释放速度可控性好等优势。但其脱氢温度达到280℃,导致成本上升，同时表面易生成氧化膜导致反应速度下降。通过固态储氢的方式给钢厂供氢，钢厂有很多的废热可以给镁基固态储氢系统提供放氢所需的热量，形成镁由于其丰富的储量，较高的理论储氢量（7.6wt%）和体积储氢密度（110kg/m3H2低廉的成本价格，且单质镁可以在高温条件下与氢气反应生成MgH2，故MgH2/Mg体系被认为是最有潜力的储氢体系之一。但由于MgH2高热力学稳定性(ΔH=76kJ/mol）和较差的动力学性质，MgH2只能在高温下(≥300℃)才有优异的吸附氢性能，且在吸放氢循环中MgH2/Mg颗粒的团聚和长大导致循环稳定性差。因此，为了使MgH2在储氢应用中得到广泛应用，必须调整其热力学和动力La稀土系：我国稀土资源同样丰富，在2022年土耳其发现大规模的稀土资源之前，我国是世界第一大稀土储量国稀土储氢是利用稀土元素与其他金属形成合金，在一定温度条件下可大量吸氢和放氢、可逆性优良、反应快。稀土储氢材料主要分为LaNi5型储氢合金（AB5型）和La-Mg-Ni系储氢合金（AB3型和A2B7型）两类。AB5型储氢合金指将稀土元素与过渡金属元素按照1：5的原子比，组成新型稀土储氢材料是一种具有更高储氢容量和特殊晶体结构的稀土储氢材料，比性价比。稀土储氢材料通过化学反应可以把氢气变成金属氢化物固体储存起来，储氢体积密度可达到液态氢密度，具有低压、无泄漏、安全等 碳基多孔材料 碳基多孔材料储氢合金储氢合金 MgH2高热力学稳定性(ΔH=76kJ/mol)和较差的动力学性能，且在吸放氢循环中，MgH2/Mg颗粒的团聚和长大导致循环稳定性差。因此必须调整其热力学和动力放氢吸热放氢吸热携氢储氢放热室温、常压一MgH2水解产氢Mg(OH)2逐渐包裹在MgH2表面，阻隔了MgH2与水的接触，从而抑制了水解反应的继续，导致不经干预的MgH2水获得了美国能源部170万美元资助开发HY2MEGA固态氢化物储氢罐，该项目为期三年，可以储存500kg氢气，项目于2022年底启动开发的自给型能源供应系统H2One已在日本国内医院、旅馆、铁路站台及紧急避难场所等多个场景得到应用应用于HyNorLillestrøm加氢站的HYMEHC-10的金属氢化物压缩机组（10Nm3/h）可将氢气压力从1MPa增至20MPa，该氢气压缩机的三个HySA系统能力中心Lavo公司Hydrexia公司和ZenithEnergyTerminals将建造世界上第一家储氢固体粉末制造工厂在2010年前后开发了以Mg基合金为储氢介质的Mc-Store储氢系统，单罐储氢量可达5开发了名为“氢行者”的“太阳能发电-电解水制氢-Mg基固态储/供氢我国稀土资源丰富，目前固态材料中稀土系占比达90%，多家院所已有阶段性成果稀土系碳纳米管等稀土系稀土系燕山大学韩树民教授团队长期致力于新型稀土储氢金超晶格结构、储氢机理、生成条件和构效关系等基础理论研究中取得重要成果。目前累计发表SCI论余篇，出版学术专著1部，获国内外发明专利30余项2017年成立中科轩达，依托团队的研究成果，迅速启动了新型稀土储氢合金电极生产线建设于2019年12月顺利完成，是中国第一条具有自主知识产权的新型稀镁基心，专注氢科学领域的前瞻性基础研究，目前丁文江院士在SCI/EI源期刊上发200余项，研究成果获国家科技进步二等奖、国家氢以固态储存适合于固定式和对重量不敏感小型移动式场景，可为垂直领域提供方案随着各界对氢能应用的关注度加大，固态储固定式应用：固定式应用：对重量不敏感，但对安全性、寿命、初始成本要求高制氢现场缓存分布式氢热电联供家用氢能存储产品电力调峰电站固态储氢多采用金属氢化物和铝合金氢罐，致使固态储氢罐较重，其终端应用大多在固定式储氢和对重量不敏感的小型移动式场景。固定场景方面，可用作移动基站的备用电源、建筑热电联供电源和微网电源等，实现长期存储和调峰等等欧美在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展，固态储氢材料已经在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到了应用氢以固态储存后，使“携带氢移动”“家用户储氢”“为移动设备供氢”成为可能随着各界对氢能应用的关注度加大，固态储移动式应用：移动式应用：对重量敏感，往往空间有限，需要高密度提高空间利用率氢能叉车氢能重卡工程货用车氢能轿车氢能二轮车氢能轿车乘用车军工人身携带应急电源固氢输送仍处研究阶段，未来有望丰富短距离运氢途径和为交通车辆供氢等但由于储氢合金价格高(通常几十万元/吨)，放氢速度慢，还需要加热，并且储氢合金本身很重，长距离运输不具备经济性。国外已经将固态储氢系统在燃料电池潜艇中实现了商业应用。固态储氢在燃料电池汽车上的应用优点明显，未来潜力较大。国内相继出现了以固态储氢为能源供应的大巴车、卡车、冷藏车、备用电源等为随车输氢容器使用：•加热介质和装置固定放置于充氢和用氢现场，可以实现氢的快速充装及其高密度高安全输运•进一步提高单车轻质储氢材料(如镁基储氢材料)、低压高密度固态储罐的体积储氢密度和重量储氢率，作为运氢装置具有较大潜力Hydrogen氢储运storage&Transportation纯氢管道储箱/贮箱储罐、槽车等输油管道储罐、槽车等输油管道金属氢化物直接售卖/补能替换低跨地区/大规模/长距离运氢需国家主导管道输氢--管道输氢--≥500低温液态液氢槽车4000-7000≥200有机液态槽车5-840-65-≥200金属氢化物物理吸附长管拖车运输压力(Mpa)装载量(kg/车)质量储氢密度(wt%)体积储氢密度(kg/m3)能耗(kwh/kg)<3≤15020-70300-400≤200高存在国外巨头；国内以前用于航天军事领域；现正加速国产化研发落地氢气量(t/d)0.05-0.060.06-0.190.19-1.44<2.000氢气量(t/d)0.05-0.060.06-0.190.19-1.44<2.000——不同①运距和②运量要求条件下的决策矩阵0.06-2.000.05-0.090