氢储存运输环节深度研究报告

前言：氢储运环节在氢能产业中的意义与难点氢的储存-运输环节，处于氢能源产业链的中游，连接着制氢和用氢两端氢储运环节的研究意义与研究难点，主要鉴于以下2点：“贵”

氢储运环节的成本约占终端用氢总成本的(30-40)%，储运环节就成为了降低终端用氢总成本的关键“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(-253°C)、稳定性差等固有属性，使得氢的储运天然存在难度目录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固态储氢路线固态储运主要会涉及到的关键设备固态运输情况目录氢的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氢以气态储运仍为气态氢以气态储运高压气氢的概况—制氢端多输出氢气，经压缩后以气态储运顺理成章，最为简易成熟灰氢蓝氢绿氢气态为主气态为主气态为主压缩进一步加压气态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制氢

端高压气氢瓶©2023.7Sixsigma

Research氢以气态储运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①氢气压缩机长管拖车③各类氢阀门②高压气氢储瓶为管道输氢提供动力用于加氢站压缩非氢领域作气体增压气氢储运加注系统车载储供氢系统燃料电池动力系统用于制氢端压缩 运输过程用储氢瓶车载储氢瓶加氢站用储氢瓶©2023.7Sixsigma

Research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基

础

构

造

和

原

理分

类

型

的

具

体

构

造

和

原

理氢以气态储运氢气压缩机—构造和原理简介©2023.7Sixsigma

Research氢以气态储运氢气压缩机—下游应用倒逼氢气压缩机提升压缩比、排量，“液驱+隔膜式”惊喜出现传统隔膜式压缩机液驱式活塞压缩机最新型液驱隔膜式压缩机特性用膜片将油气完全隔离，可保证气体纯度、密封性好、单级压缩比大结构原理简单，多级串、并联压缩，布局灵活液压泵直驱+高频换向阀代替传统的曲柄连杆+活塞、皮带传动整机模块化，适应变工况、频繁启停优势无污染，确保了氢气压缩过程的洁净密封性好，适合易燃易爆等危险气体的压缩压缩比大，容易实现低进气、高排气等温压缩结合一体化冷却，排气温度低结构紧凑操作简单控制简单综合成本较低创新性的技术方案，关键部件全自主研发，开发设计难度大，需要企业有强大的自主研发能力，只有极少数国内公司实现兼具隔膜压缩机的优点：无污染，确保了氢气压缩机过程的洁净兼具液驱压缩机的优点：结构紧凑，占地小，能适应频繁启停、冷态开车、带载启停的加氢站工况，模块化设计，灵活升级切换膜头的穹形表面为特殊型面，加工比较困难难适用于频繁启停工况尚需改进

价格高于一般活塞式压缩机密封性要求高，氢气受污染可能性较大膜片比较容易损坏，膜片安装过程对工人经验要求较高

单级压缩比较低排气量由于受到高的压比和气腔容积的限制而相对较小

活塞结构，噪声较大液压泵和换向阀是液驱隔膜式压缩机的关键核心零部件：液压泵的负载特点是高频脉动负载，液压泵既能承受高密封圈易损坏和老化，更换周期短，维修费用较高

压，又能够适应高频脉动的特性，对液压泵内部零件的疲劳寿命要求高换向阀既要满足膜片动作的高频率，又要减小流阻降低能量损失下游应用倒逼：压缩比排量©2023.7Sixsigma

Research氢以气态储运氢气压缩机—国内公司的研发突破进展迅速上海羿弓氢能科技首创了“液驱+隔膜”技术设备方案，取消了曲轴连杆传动机构，整机布局紧凑，体积仅为同类传统隔膜式压缩机的50%左右液驱方案可适应“频繁启停、冷态开车、带载启停”的加氢站特殊工况，通过驱动、增压单元多级串并联，实现超大排量、超大压比液驱、隔膜压缩机目前仍有较多部件依赖进口，下游对压缩机性价比及产品售后维修要求也会不断提高，技术突破性国产团队具备国产化市场机会，如：青岛康普锐斯、海德利森、东德实业等20%70%80%29%1%国外国内最新型液驱隔膜式液驱活塞式隔膜式©2023.7Sixsigma

Research有无内胆/有有有无内胆材料/钢铝/铝合金塑料目前国外正在研究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型瓶工作压力可达

70~100MPa

、

无氢脆、无腐蚀性、使用寿命可达30年以上、成本中等等优点，亦可用于航天及车载领域瓶壁的厚度比Ⅱ型减薄比Ⅱ型减薄有无瓶身包裹物无有部分包裹物瓶身全包裹瓶身全包裹包裹缠绕方式/环向缠绕全缠绕全缠绕压力压强（兆帕）17.5~2026~3030~7030~70储氢质量密度（wt/%）≈1%≈1.5%≈2.4%

(50L瓶)≈4.1%

(50L瓶)规格型号主要为35MPa、70MPa两种主要为35MPa、70MPa两种应用场景加氢站等固定场景国内车载国际车载I型气瓶II型气瓶III型气瓶IV型气瓶V型气瓶氢以气态储运高压气氢储瓶—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©2023.7Sixsigma

Research氢以气态储运高压气氢储瓶—内衬材料、纤维缠绕方式及成型工艺是进一步迭代方向从内衬材料入手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好。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，是迭代入手的方向之一从纤维缠绕方式、成型工艺入手纤维缠绕方式开始时有环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕(测地线缠绕)，最新采用了几种相结合的方式—使得纤维均匀地缠满芯模表面，构成双层纤维层，保证缠绕后的气瓶满足使用的压力要求纤维缠绕成型工艺开始时有湿法缠绕、

干法缠绕2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泡含量以及孔隙©2023.7Sixsigma

Research氢以气态储运氢阀作为氢气/液氢开闭流动的重要“关节”十分重要，核工业、航天等流体机械背景的团队降维跨界而来氢分子H2②易融入金属的原子晶格并在有缺陷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”①分子小，易逃逸扩散，易渗透，一旦泄露可能引发燃烧和爆炸阀门作为氢气、液氢开闭流动的重要“关节处”其性能和安全可靠性十分重要是我国长期依赖进口“被卡脖子”的关键部件国内进展1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，具有产品全生命周期成本优势©2023.7Sixsigma

Research氢以气态储运我国输氢管网仍将由国家主导，是全国性跨区域、长距离、大规模集中运氢终极目标通辽纯氢示范，管道全长7.8km，年输氢量达10万吨辽宁朝阳天然气管道掺氢示范，掺氢比例10%，安全运行1年有余河北定州至高碑店氢气常输管道，管道全长约145km，输量量10万吨一年济原-洛阳输氢管道，总长度25km，年输氢量达10.04万吨金陵-扬子氢气管道，氢气纯度99.9%，全场32km巴陵-长岭氢气输送管道，总长度42km，4MPa宁夏天然气掺氢降碳示范，国内首个燃气管网掺氢试验玉门油田输氢管道，

长度

5.77km、输氢能力1万标方/小时达茂工业区氢气管道工程

，计划2022

年7

月开工，

一期年输送能力10万吨，二期30万吨陕煤干线掺氢，全长97km，掺氢比例5%广东掺氢海底管道，线路全长55km，掺氢比20%，设计输量40亿方/年宁夏能源化工基地输氢管道，长1.2km，输氢能力为200万标方/年张家口天然气掺氢应用示范，输氢量为440立方米/年纯氢管道天然气掺氢管道©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运氢的液态储运，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、化学法两种氢以液态储运氢以液态储运的概况—按照技术原理的不同，可分为物理法、化学法两种物理法化学法低温液化氢：

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液氨储氢：3H2+N2=2NH3(反应条件：高温500℃、高压40-60Mpa、催化剂铁触媒)甲醇储氢：3H2+CO2＝CH3OH+H2O

(反应条件：一定的温度和催化剂)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氢以液态储运©2023.7Sixsigma

Research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(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，液氢还可应用在高端制造、冶金、电子等产业领域。对于大规模、远距离的氢能储运，低温液态储氢运氢有较大优势氢以液态储运物理法—深冷低温液态的概况定义优点局限性运输情况©2023.7Sixsigma

Research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膨胀进一步冷却并液化。尽管原理简单和可靠，但是效率不高，整个流程处理复杂氢以液态储运氢液化使用的主流循环Hampson–Linde

循环Claude

循环Collins

循环Helium

Brayton

循环MagneticRefrigeration/Liquefaction

SystemCarnot

循环最基本也是最简单的氢气液化方法由Claude

循环衍变而来的氢气液化方法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(Carnot

cycle)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(Expansion

machine)可以在J-T膨胀（与Hampson–Linde

Process第二阶段相同）之前获得更低的温度，从而提高转换效率Collins

Process最初应用于氦气液化，由Claude

Process变化而来，采用了两级不同工作温度的绝热膨胀机是一种热力学循环，是喷气发动机和电厂的燃气轮机的工作原理。通过使用氦气作为制冷剂，由于氦气的液化温度要低于氢气，可以先将氦气冷却至低于氢气的液化温度，再通过换热器将氢气冷却并液化。氢气可以通过液氮预冷以减少压缩机做功磁制冷系统的原理是利用磁制冷材料在施加或移除磁场时的熵差(entropy

difference)和绝热温度变化。目前应用于氢气液化还处于研发阶段，核心的问题是找到合适的磁制冷材料衍变而来©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运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氢的液化临界温度常温①以温度更低的气体或液体作为制冷剂通过热交换冷却②通过膨胀机做功的绝热膨胀冷却③通过正系数的J-T膨胀冷却压缩环节预冷环节低温冷却环节催化正-仲氢转化环节J-T膨胀环节压缩机Compressor热交换器Heat

Exchanger膨胀机Expander正仲氢转化器CatalyzedO-P

HydrogenConversionerJ-T膨胀阀/节流阀Throttling

valve©2023.7Sixsigma

Research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Air

Liquide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氢以液态储运液氢关键设备—膨胀机©2023.7Sixsigma

Research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Normal

Hydrogen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氢以液态储运液氢关键设备—正仲氢转化器©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运液氢关键设备—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，以满足运输过程中的速度要求；3）罐式集装箱：液氢罐式集装箱与液化天然气罐式集装箱类似，可实现液氢工厂到液氢用户的直接储供，减少了液氢转注过程的蒸发损失，且运输方式灵活。大容积、低蒸发率的液氢储罐是液氢容器的重要研发方向按照绝热原理，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液氢储罐©2023.7Sixsigma

Research降温液化<

132,417管道输氢气氢拖车液氢储运液化机-液化能耗（90）液氢罐+液氢罐车+油费+人力费+保险费+过路费损耗气化还原待进一步提高材料的绝热隔温性损耗压缩机-压缩能耗高压瓶+气氢车+油费+人力费+保险费+过路费加压压缩管道的初始投资(勘查-设计-施工建造)运行维护费损耗待解决“氢脆”难题33.6(注：1

MJ=0.28KWh)待进一步提高材料的高度承压性气氢71>34液氢kg/m³KWh/m³KWh/kg密度单位体积能量密度单位质量能量密度kg/m³KWh/m³KWh/kg液氢制取是产业链最核心制取的关键在降本降本的关键在于【大型液化装置的国产化】综合考虑：

路径环节的多寡、技术难度、所需时间氢以液态储运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©2023.7Sixsigma

Research北美：欧洲：亚洲：市值1460亿美元市值665亿欧元市值527亿美元（已与林德合并）数据来源：雅虎财经市值160亿美元氢以液态储运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©2023.7Sixsigma

Research液氢罐是液氢车运的关键设备，常用水平放置的圆筒形低温绝热槽罐。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，大储氢罐的储氢效果要比小储氢罐好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、规模效应的发挥、技术对液化能耗的进一步降低氢以液态储运液氢的运输情况—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本潜力将成决定性因素单罐容积量0120-200m³100m³>1000m³跨国海运公路铁路液氢驳船：适用于跨国海洋运氢液氢罐车：多走公路，超大容量辅以铁路©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运氢以液态储运的主要运输工具、运输方式—液氢罐车(公路、铁路)、液氢驳船(海洋运输)⚫

公路(液氢罐车)：⚫

铁路(液氢罐车)：⚫

海洋(液氢驳船)：川崎重工建造的世界上第一艘液氢运氢船Suiso

Frontier日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船于2021年12月开启首航，从日本驶往澳大利亚提取第一批货物，船上搭载了川崎重工播磨工厂制造的液氢储罐—长25米高16米的椭圆形储罐能够储存1250m3的液氢。川崎重工还将斥资5.78亿美元建造全球首艘大型液化氢运输船，将配备4个可分别储存4万m3液化氢的储罐，预计2026年完工©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运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戴姆勒梅赛德斯奔驰GenH2燃料电池重卡氢动力船舶空客氢动力飞机国家长征系列运载火箭©2023.7Sixsigma

Research+不饱和液体有机物加氢反应脱氢合成化合物(储运载体)NH3CH3OH饱和环状化合物(如：甲烷TOL等芳香族有机化合物)

(如：甲基环乙烷MCH)+N2+CO2/CO直接利用直接利用化肥农药原料燃料火箭导弹的推进剂化工中间原料农药日化脱氢脱氢氢以液态储运化学法—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©2023.7Sixsigma

Research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，100

km内液氨的储运成本为150元/吨，500

km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”储存运输氢以液态储运液氨储氢：H2

+

N2

→

NH3定义优点局限性运输情况技术突破重点方向©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运如氢同理，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：灰氨(传统制氨)蓝氨绿氨3 H2 + N2 = 2 NH3蓝氢绿氢灰氢定义定义定义以可再生能源为动力进行电解水制氢在灰氢的基础上对工艺流程进行碳捕集与封存(CCS)以化石能源作为主要原料国际以天然气作为主要原料国内以煤炭作为主要原料©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运如氢同理，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，每吨煤制合成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，变换反应仍然是碳排放的主要源头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”蓝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”。如果中国目前所有的合成氨都采用绿氢生产，每年碳排放量可以减少一亿吨以上绿氨©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运目前绿氨主要有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(注：Air

空气用于生产氨合成工艺所需的氮气)路径1-3 将可再生氢生产技术与哈伯-博施合成工艺相结合路径4 将可再生氢技术与创新性合成工艺(非热等离子体合成)相结合路径5 (电化学合成氨)

不需要分离氢生产步骤©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运在哈伯-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氨相比，生产绿氨需要更多的能量，但这些能量是可再生的路径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电池，可以驱动水裂解氧化还原反应。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)或光敏材料(Radowitz，2021)产生电能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。超临界水气化还没有经过市场检验路径3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，产生离子和自由基，催化反应后形成氨。该工艺也可以在低温和低压下进行，并且操作灵活路径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。不过电化学合成法也存在氨生产率低和膜不稳定的问题电解水制氢→哈伯-博施合成工艺太阳能直接制氢→哈伯-博施合成工艺生物质制氢→哈伯-博施合成工艺非热等离子体合成氨电化学合成氨©2023.7Sixsigma

Research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氢合成氨的设计、控制与运营涉及电气工程、化学工程、能源动力等学科之间的交叉柔性制氨，未来需主要突破的技术包括：氢以液态储运可再生能源电力电量的波动性，呼唤“柔性制氨”技术的进一步发展和细化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“源—网—氢—氨”的全系统协同控制技术等©2023.7Sixsigma

Research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2开发同时满足二氧化碳CO

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氢以液态储运甲醇储氢：H2

+

CO2/CO

→

CH3OH定义优点局限性运输情况技术突破重点方向©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运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”进化传统甲醇灰氢

蓝氢绿氢CH3OHCH3OH绿色甲醇“液态阳光”第一代第二代第三代第四代第五代煤制甲醇煤气或页岩气制甲醇以极低排放或零排放技术用煤或气制甲醇生物质制甲醇以空气中的CO2和水通过人工光合作用合成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，大幅降低生产甲醇带来的碳排放，成为现今退而求其次的研究方向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，得到了国际学术界和同行的一致认可水经太阳光光解制氢空气中的二氧化碳再加氢合成得到“液态阳光”绿色甲醇©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运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液氢液氨甲醇深冷降温

(-253℃)常温加压

(0.86MPa)常压降温(-33.34℃)无需加压或降温常温常压，即为液态自身密度气氢标准情况/常温常压 常温加压

(70MPa)0.089kg/m³ 40kg/m³70.6kg/m³617kg/m³富氢物质792kg/m³含氢量最高的碳氢化合物体积储氢密度含氢质量分数优势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•••108kg/m³17.7%和液氢相比，液化条件进一步放宽氨与丙烷类似，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•••99kg/m³12.5%和液氨相比，甲醇没有刺激性气味，使用范围进一步放宽甲醇分子没有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氨气/液氨主要存在腐蚀性、有强

•烈气味、有毒性，易挥发，不宜甲醇高度易燃，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/IV型、V型瓶液化技术设备隔温绝热储罐提升液氨的后续脱氢纯度开发同时满足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©2023.7Sixsigma

Research液氨载氢【液氨槽车】甲醇载氢【甲醇罐车】异：步骤成本占比步骤成本占比液氨可运至在加氢站内进行裂解制氢与液氨载氢不同的是甲醇载氢的甲醇裂解环节所需设备占地面积较大，不适宜加氢站内裂解，因此甲醇载氢场景设定为在甲醇长距离运输至用氢地的甲醇裂解工厂（母站）进行统一制氢，再由气氢拖车运输至周边各个加氢站（短距离运输气氢拖车更为经济(1)氢合成液氨33%(1)氢合成甲醇13%(2)液氨运输5%(2)甲醇运输10%(3)至加氢站内，液氨裂解还原出氢62%(3)在配套工厂，甲醇裂解还原出氢34%(4)气氢提纯18%(5)高纯度气氢压缩8%(6)气氢运输至各加氢站17%合计100%合计100%同：因氨有强烈刺激性气味/有毒性/易挥发、甲醇则高度易燃，同属于危化品，都并不适合距离人群密集区太近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，所以均适合氢的长距离大规模运输氢以液态储运液氨/甲醇载氢均需裂解脱氢，经过多次状态转换耗能，均可直接用于化工原料等用途©2023.7Sixsigma

Research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”一体化产业链氢以液态储运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、绿醇的比重风力资源禀赋水力资源禀赋光照资源禀赋绿电绿氢绿氨/绿醇柔性电解耦合绿氢消纳绿电，

绿氨/

绿醇消纳绿氢我国是世界最大的氨、甲醇消耗国©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运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内蒙古巴彦淖尔国家能源集团年产约30万吨绿氨√√√内蒙古鄂尔多斯中国氢能、盈德年产约5万吨绿氨√√内蒙古锡林郭勒盟北京能源国际控股年产约60万吨绿氨√√内蒙古包头年产约10万吨绿氨√√内蒙古赤峰内蒙古深丰绿氨化工有限公司年产约15万吨绿氢合成绿氨√√√内蒙古巴彦淖尔巴彦淖尔市乌拉特后旗绿氨技术有限公司年产约30万吨绿氢合成氨√√宁夏宁夏宝丰能源集团股份有限公司年产约10万吨合成氨√√√甘肃玉门(酒泉卫星发射基地)中能建√√吉林松原中能建年产约60万吨绿氨/绿醇√√√吉林大安国家电投年产约18万吨合成氨√√√内蒙古兴安盟年产约50万吨绿醇√√√巴西国富氢能√√√内蒙古通辽年产约30万吨绿氨√√√内蒙古赤峰远景能源、赤峰国资委√√摩洛哥南部大区中国能建年产约140万吨绿氨√√√©2023.7Sixsigma

Research有机液体储氢技术LOHC

(Liquid

Organic

Hydrogen

carriers)，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、罐车公路以及船运氢以液态储运有机液态储氢技术LOHC—安全性高、成本较低难以被忽视，未来较具潜力定义优点局限性运输情况技术突破重点方向©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运有机液态储氢技术LOHC的主流储氢介质种类

—

德、日、国内分别选择了其一发展储氢介质化学组成常温状态熔点/°C /°C /% /(kg*m3) /°C脱氢产物化学组成常温状态环己烷C6H12液态6.580.747.255.9300-320苯C6H6液态甲基环己烷C7H14液态-126.6100.96.247.4300-350甲苯C7H8液态沸点质量储氢体积储氢脱氢温度产物产物十氢(化)萘C10H18液态-30.4反式185.57.365.4320-340萘C10H8固态十二氢咔唑C12H21N固态766.7150-170咔唑C12H9N固态十二氢乙基咔唑C14H25N液态-84.5TG5.8170-200乙基咔唑C14H13N固态十八氢二苄基甲苯C21H19N液态-343956.257260-310二苄基甲苯C21H11N液态八氢1，2-二甲基吲哚C10H19N液态<-15>260.55.76170-2001，2-二甲基吲哚C10H11N固态传统介质新型介质国内武汉氢阳能源N-乙基咔唑、二甲基吲哚等甲基环己烷二苄基甲苯©2023.7Sixsigma

Research氢以液态储运德、日两国走在有机液态储氢LOHC路线规模化生产的前沿日本千代田化工德国HT公司图源：德国HT公司官网图源：日本千代田化工官网LOHC技术在日本研究了约20年时间，在日本也有一定的示范应用。日本考虑应用该储氢技术作为海上运氢的有效方法，研制MCH脱氢反应膜催化反应器，以解决脱氢催化剂失活和低温转化率低的问题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2022年初实现了有机液态储氢示范，从文莱海运至日本川崎，年供给规模将达到210吨。自2019年12月启动以来，项目进展顺利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，大大提高了移动设备的安全性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。该项目已获巴伐利亚州的补贴©2023.7Sixsigma

Research氢以固态储运氢以固态储运氢以固态储存按照原理、材料分类物理吸附化学反应吸收优势：材料本身密度低在特定条件下对氢气具有良好的、可逆的热力学吸附、脱附能力低温下，储氢性能好固态储氢材料(稳定安全性优于气态液态)(不涉及化学反应，氢被吸附在材料的微孔、骨架或管结构上，依靠氢分子与储氢材料间较弱的范德华力进行储氢)(有化学反应的发生，氢被存储在金属氢化物等固态储氢材料的合金晶格中)缺陷：常温或高温下，储氢性能较差优势:储氢体积密度(体积储氢率)

高可逆循环性好能效高，成本低缺陷：放氢温度高，放氢需要消耗大量热，对热交换的要求高质量效率尚低，尚不能满足在氢燃料电池汽车上的应用沸石金属有机框架MOFs无机多孔材料碳基多孔材料配位氢化物氢气水合物金属基储氢合金稀土系占比高达90%©2023.6Sixsigma