第1章 氫氣存儲與運輸概述
1.1 概論
氫（H）是一種化學元素，在元素周期表中位列第一位。氫主要以化合態形式出現，而通常情況下，氫的單質形態為氫氣。氫氣是已知密度最小的氣體，由雙原子分子組成，無色、無味，具有還原性，可從水、化石燃料等含氫物質中制取，是重要的工業原料及能源載體。氫氣燃點低、爆炸區間廣且擴散系數大，見表1-1。因此，氫氣發生泄漏后容易消散，且不易形成可爆炸噴霧，在開放空間下較為安全可控。氫氣的熱值較高，是理想的二次能源載體。
表1-1 氫氣、汽油蒸氣、天然氣對比
氫能是指以氫氣作為原料、來源廣泛、清潔無碳、應用場景豐富的可再生能源。作為新型能源之一，氫能拓展程度相對較低，但環保效果極佳，具有熱值高、制取成本較低、零碳排放等多重優點，可用于儲能、發電、交通工具燃料驅動、家用燃料等。因此，氫能也成為支撐可再生能源大規模發展、推動傳統能源結構轉型的理想媒介，是實現我國“雙碳”目標的重要途徑，也是我國能源安全的一道重要保障，以及交通、工業、電力、建筑等多領域實現大規模深度脫碳的重要方式，有助于拉動產業鏈上下游多環節共同發展、協同多產業共同進步、提供經濟發展驅動力。
目前全球多個國家和地區已頒布了氫能產業發展路徑圖。例如，2020年4月，荷蘭正式發布國家級氫能政策，計劃到2025年，建設50座加氫站、投放15000輛燃料電池汽車和3000輛重型汽車；到2030年投放300000輛燃料電池汽車。2020年6月，德國政府正式通過了國家氫能源戰略，為清潔能源未來的生產、運輸、使用和相關創新、投資制定了行動框架。2020年6月，法國交通部長宣布支持一項在2035年實現綠色氫燃料飛機的計劃。2020年7月，歐盟發布了《歐盟氫能戰略》和《歐盟能源系統整合策略》，希望借此為歐盟設置新的清潔能源投資議程，以達成在2050年實現碳中和的目標，同時在相關領域創造就業機會，進一步刺激歐盟在后疫情時代的經濟復蘇。美國、日本、韓國也將在已推出的氫能發展路線圖基礎上繼續支持氫能產業的發展。2022年3月，國家發展改革委和能源局聯合發布了《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，明確了氫能的三大戰略定位：氫能是未來國家能源體系的重要組成部分；氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體；氫能產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。根據中國氫能聯盟的預計，2020—2025年間，中國氫能產業產值將達1萬億元，2026—2035年產值則將達到5萬億元。
氫能產業主要分為制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等環節，如圖1-1所示。氫能供應體系，以實現綠色經濟高效便捷的氫能供應體系為目標，中國將在氫的制儲運加各環節逐漸突破。
圖1-1 氫能產業的主要環節
1）制氫：化石能源制氫為目前主流，而電解水制氫是未來最具潛力的綠色制氫方式。
2）儲氫：目前高壓氣儲氫為主流，未來液氫、富氫液體、固體氫化物等先進儲氫技術待突破。
3）運氫：與儲氫方式緊密相關，氣態儲運、液態儲運、固態儲運等不同運氣方式適宜不同應用場景。
4）加氫：加氫站為重要基礎設施，到2025年我國加氫站建設目標為至少1000座。
5）用氫：氫氣作為燃料，主要通過燃料電池或氫內燃機的方式轉換成電能或動能，并用于氫燃料汽車、季節性儲能、分布式發電等領域；或作為原料，用于氫冶金或氫化工等領域。
在氫能產業環節中，氫氣的儲存與運輸是關鍵環節。根據儲氫方式的不同，氫氣的儲存和運輸可以分為高壓氣態儲運氫、液態儲運氫、固態儲運氫，如圖1-2所示。
圖1-2 氫氣儲存與運輸的主要方式
1）高壓氣態儲運氫是指氫氣以高壓氣態形式進行儲存與運輸的技術，氫氣的儲存密度與氫氣壓力直接相關。高壓氣態儲運氫主要分為高壓氣瓶和管道輸氫，前者將氫氣儲存在容器中進行運輸，而后者則通過管道進行連續性運輸。
2）液態儲運氫是指氫氣以液態氫或液態富氫化合物的形式進行運輸的技術。液態儲運氫主要分為液氫儲運和富氫化合物儲運，前者是將氫氣降溫至-253℃液化成液氫進行儲運，后者是將氫氣儲存在富氫化合物（如液氨、甲醇、甲苯、二甲基咔唑等）中進行儲運，并通過催化加氫/脫氫的方式進行氫氣儲存和釋放。
3）固態儲運氫是指絕大部分氫固定于固態儲氫材料中進行儲存和運輸的技術。固態儲氫材料的種類繁多，大體可分為儲氫合金及金屬氫化物（如稀土基、Ti基、Mg基、V基等）、配位氫化物（如LiAlH4、NaBH4等）、金屬氮氫化合物（如LiNH2、LiAl(NH2)4等）、氨硼烷及衍生物（如NH3BH3、LiNH2BH3等）、金屬有機框架材料（如ZIF-8等）、碳材料（如石墨烯、納米碳管等）等。
目前，在眾多儲運氫技術中，高壓氣瓶儲運是最為成熟的儲運氫技術；管道輸氫和液氫在國外已有較為成熟的應用，但是我國的工程應用相對缺乏；富氫化合物和固態儲運氫技術處于產業化發展初期，只有少量示范應用。根據《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，我國未來的儲運氫方式是高密度、輕量化、低成本、多元化的氫儲運體系，多種儲運氫方式應根據應用場景的不同進行合理選擇。