中国氢能储运承压设备标准建设思考

中国氢能储运承压设备标准建设思考

靳海玉 ,刘涛

阿勒泰地区特种设备检验检测所  新疆阿勒泰市  836500

摘要：氢能来源多样、清洁环保，是重要的二次能源。氢能储运是实现氢能利用的重要环节。随着中国氢能产业的发展，逐渐暴露出氢能储运装备法规标准方面存在的问题。氢能储运装备的产品标准、检验标准、性能测试等方面的标准都存在不同程度的缺失或不足问题，已较为严重地阻碍了氢能产业的发展，当前急需建立或完善相关标准体系。由于固态储氢和液体吸附储氢等技术应用还相对较少，高压气氢和液氢形态储运仍是当前和未来一段时间的主流技术路径，本文主要从高压气氢和液氢储运设备方面进行阐述。

关键词：中国氢能；储运承压；标准建设

引言

作为重要的清洁能源，氢能近年来进入快速发展阶段。氢能发展离不开储运技术。液氢储运是氢能实现大规模和长距离储运的重要方式。随着近年来我国氢能储运技术快速发展，法规标准滞后带来的问题越来越显著，液氢储运技术标准的缺失一定程度上阻碍了液氢产业发展。本文在广泛查阅、调研、梳理国内外液氢储运技术标准的基础上，对我国液氢储运技术标准化进行思考和探讨，并提出标准建设的相关建议。

1氢能发展的意义

目前，石油、煤和天然气三大化石能源是全球能源供应的主要来源，且能源需求一直在不断增长。化石能源的不可再生性、储备有限性以及其引起的环境污染问题都迫切呼唤着新的可再生、清洁化能源的开发与利用。风能、光能作为在自然界中无限的清洁能源已经在发展和利用，如风力和光伏发电，然而，风能和光能不能轻易被控制，由此转化而得的电能是一种无形的能量媒介，电能的存储、运输相比化学燃料要困难得多。氢能具有来源广泛、清洁环保、灵活高效等特点，既是清洁能源，又是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生源大规模发展的理想互联媒介。此外，氢能产业涉及能源、化工、交通等多个行业，其发展必将带动上下游产业的发展，提供经济增长强劲动力。

2氢能储运关键技术的应用概述

氢能储运关键技术在全球范围内已经相当成熟，我国依然在发展进程中，近年来所推出的技术内容也逐渐丰富化。氢能能量相对较高，整体运行维护成本也相对偏高，能够实现长时间存储且存储过程不会产生任何污染。在储运过程中，如能匹配长时间供电能量储备技术方式，整体看来技术应用发展前景非常好。一般来说，目前的氢能储运关键技术中抽水储能更为商业化，储运效率最高达到80%左右；压缩空气储能则属于示范技术，储运效率最高达到70%；另外还有氢储能技术，它同样属于示范技术，储能效率最高达到50%。相比于其他可再生能源，氢能本身质量轻、能量密度相对较高，不过其体积能量密度相对偏低，仅为汽油的1/3000，所以构建氢能储能系统非常有必要。其构建前提就是在相对较高的体积能量密度下储运低密度氢能，衡量其质量密度情况。在这里，要参考氢能的燃烧值指标展开分析，结合氢燃烧10%比例进行储能理想状态分析，包括高压存储气态氢、低温储液态氢以及金属固态储氢。这些氢能储能方式都比较先进，其储能要求大同小异，即追求安全、大容量储存以及低成本取用。

3我国液氢储运技术发展现状

过去我国液氢储运技术主要应用于航空航天领域。2013年，国内有关企业研发了6台300m3液氢容器，在海南卫星发射基地成功应用，见图1。航天系统使用液氢容器较早，但制造成本高，较难推广和普及使用。

图1海南文昌发射基地300m3液氢容器

近年来，液氢工厂和液氢加氢站是氢能发展的重要方向。液氢容器是液氢工厂和加氢站中重要的储存装备，液氢工厂一般需要2个较大容积的液氢容器，主要工作参数：设计压力为0.6MPa、容积为100～500m3。加氢站中液氢容器工作参数：设计压力≤1.08MPa，容积为20～100m3。国内几家深冷压力容器制造企业正在开展固定式液氢容器产品研制工作，研制对象包括30～60m3加氢站用液氢罐以及液氢工厂用100m3以上的液氢储罐。2020年国家重点研发计划项目《液氢制取、储运与加注关键装备及安全性研究》正在开展300m3液氢球罐和液氢汽车罐车的研制。2022年国家重点研发计划项目指南“液氢转注、输运和长期高密度存储技术”中也在资助运输用液氢槽罐和固定式液氢加注站用液氢储罐研制。国内液氢罐车也主要集中在航天领域，随着液氢作为航天推进燃料的需求量增加，不断有新的液氢运输设备投入使用。当前国内航天领域液氢以铁路罐车运输为主，见图2。这主要是因为在军事领域内使用时可为液氢运输提供专门通道。但是，在民用领域，液氢罐车和相应标准几乎空白。

图2液氢铁路罐车应用

4加快氢能储运设备法规标准体系建设

建议由中国相关主管部门牵头开展氢能储运技术法规标准体系建设的顶层设计，组织专家建立和完善氢能储运设备的基本安全要求，及时制定、修订相关安全技术规范，推动相关标准化技术组织健全中国氢能储运技术标准体系，加快相关标准的制定、修订。建议进一步完善中国氢能储运设备法规标准体系建设，对规范氢能储运行业发展具有重要的作用。（1）材料临氢性能测试与安全评价标准体系建设国内已有部分金属材料氢脆敏感度评价、材料与氢的相容性测试标准，但在标准适用范围、测试方法选择、安全评价方法上仍需完善。该类标准建设包括以下几个方向：金属材料、非金属材料在高压临氢服役环境下的选材设计、力学性能测试与评价、安全准则确定；金属材料在液氢深冷环境中的强度、韧性测试与评价；绝热吸附材料及碳纤维复合材料等非金属材料在深冷环境中的功能稳定性、力学性能测试与评价；长输、城镇管道用金属材料、非金属材料的焊接方法、焊材选择、焊接工艺评定等。（2）产品设计制造及检验检测标准体系建设目前，中国在固定式储氢容器、移动式储氢容器、气瓶等方向已经有部分产品设计制造标准、检验检测方法，但未形成体系。建议在今后开展真空绝热液氢气瓶、罐车、罐箱等产品的设计方法、制造工艺、检验检测技术标准体系建设；开展纯氢或掺氢天然气长输管道、城镇地区含氢燃气管道设计制造、安装、检验检测技术标准体系建设；开展PE管、Ⅳ型瓶内胆、纤维缠绕复合层缺陷、损伤等无损检测技术、安全评价等标准体系建设。(3)　氢能储运特种设备运行维护及安全监管标准体系建设氢能储运特种设备的安全运行、维护与安全监管是设备长周期安全平稳服役的保障，建议开展涉氢特种设备安全操作与运行技术规范，以及基于大数据、物联网的特种设备风险管控与安全监管技术标准体系等的建设。

结束语

氢能与燃料电池是全球能源技术革命的重要方向，是应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的战略选择，氢燃料电池也是汽车产业未来发展的战略制高点。氢能储运是氢能源产业发展中的关键环节，储氢技术是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈。氢气的储存方式决定着其运输方式，上述四种储存方式各有优缺点，中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）》预测，氢能储运将按照“低压到高压”、“气态到多相态”的方向发展，逐步提高氢气储存和运输的能力。

参考文献

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