2023中国氢液化、储运技术及应用发展研究报告

中国氢液化、储运技术及应用 中国制冷学会 发展研究报告（2023） 中国制冷学会组织编写 2023年9月 编写委员会 主编：罗二仓 副主编：厉彦忠、邱利民、公茂琼、杨思锋、沈全锋、王维民、林云珍、荆华乾 编者： 中国制冷学会 伍继浩、刘玉涛、李水华、胡忠军、谢秀娟、谭宏博、熊联友、江蓉、邹爱红、董学强、杨少柒、吕翠、李山峰、马军强、安刚、蒲亮、张财志、文键、王磊、蒋尚峰、雷刚、陈建业、杨燕梅、段志祥、潘勤彦、陈宇、谭海龙、肖赞山、程香、高婉丽、王遥、苏嘉南、黎迎晖、肖建伟、邱一男、邱小林、曹田田、邵双全、朱伟平、王昊成、王金阵、杜廷召、赵国君、王云鹏、张晓宁、苏谦、余海帅 序言 当前，世界进入百年未有之大变局，我们身处在一个全球气候变化和环境污染问题日益严重的时代，减少碳排放和寻找可持续的能源发展之路已成为当务之急。 中国制冷学会 2020年9月22日，习近平总书记代表中国政府在第75届联合国大会上正式向国际上提出了我国碳减排的“双碳目标”，即2030年之前实现碳达峰、2060年之前实现碳中和。为了实现这一宏伟目标，需要我们在能源生产、输运和利用方面进行全面的技术革新和改革。其中，构建基于风光-电-氢等为主的清洁能源供给体系已逐步形成共识。氢在常温下是一种无色无味的可燃气体，无论是直接燃烧产生热能还是通过电化学燃料电池发电，其产物都是人类所处大自然环境里最环保、最廉价的水。但是气态氢的能量密度较低，远低于当前的柴油、汽油等液态燃料，将其液化后将极大地增加其单位体积能量密度，因此，在构建电-氢能源供给以及使用系统中，氢的液化储存和储运技术将会是制氢-储氢-用氢技术链条中十分重要的技术途径。 在这个背景下，中国制冷学会于2022年成立了“氢液化、储运及应用技术工作组”，旨在搭建学术交流和产业发展交流平台，推动我国在相关领域的学科、技术以及产业发展。作为工作组的任务之一，将不定期组织业界专家编辑梳理此领域内的技术进展、产业发展以及国家地方政策、法律法规等，以供各界参考使用。在本次编著中，我们邀请了众多在该领域的知名专家，他们为此付出了艰辛的努力，将他们的专业知识和经验汇聚在这本书中，以飨读者。他们的贡献不仅有助于我们深入了解国内外氢液化、储运技术的最新研究成果和国内外发展规划、政策等信息，也将为该领域的发展提供了强大的动力。在此，我代表编写组向所有参编专家表示最诚挚的感谢，他们的努力和奉献使得这本书得以顺利出版。 同时，我们也欢迎广大读者对本书提出宝贵的批评和建议，希望通过大家的共同努力，推动氢液化、储运技术及其应用领域的研究和应用不断向前发展，希望本书能为实现国家的双碳目标提供有益的参考和启示。由于编写时间仓促，书中肯定存在不准确、不完善之处，敬请读者批评指正。 目录 1引言1 2术语和符号3 3氢能发展趋势与中国低碳能源体系建设5 3.1国内外氢能发展进程5 3.1.1国外氢能发展现状5 3.1.2中国氢能发展现状15 3.2氢能是构建低碳能源体系的重要方向28 3.2.1氢能在低碳能源生产转化体系的重要作用29 3.2.2氢能是低碳能源输送体系的重要组成31 3.2.3氢能是低碳能源消费体系的重要渠道34 3.3中国发展氢能产业的优势38 3.3.1绿氢生产的规模化发展道路38 3.3.2氢能转化贮存输运产业的基础雄厚39 中国制冷学会 3.3.3“双碳”目标驱动氢能应用产业的崛起40 3.3.4政府、资本、科技联动促进氢能繁荣42 4氢液化、储运技术及应用产业发展与相关政策45 4.1产业发展现格局及方向45 4.1.1国外液氢产业格局及方向45 4.1.2国内液氢产业格局及方向51 4.2产业政策现状与趋势62 4.2.1国外产业政策现状与趋势62 4.2.2国内产业政策现状与趋势70 5氢液化、储运技术的发展83 5.1基本原理83 5.1.1氢液化与储运系统的工作原理83 5.1.2关键技术与主要指标91 5.2大型氢液化技术与装备97 5.2.1大型氢液化技术及发展97 5.2.2大型氢液化系统的关键设备100 5.3液氢储运技术及装备127 5.3.1液氢储运技术的发展127 5.3.2液氢储运关键装备133 5.4液氢加氢技术与基础设施138 5.4.1液氢加氢关键技术138 5.4.2液氢加氢基础设施142 6氢安全风险评估与预防技术148 6.1低温氢储运的安全风险148 6.2低温氢加注过程的安全风险152 6.3低温氢的安全风险及评估方法154 6.3.1低温氢的安全风险155 6.3.2安全风险评估方法158 6.3.3小结162 6.4液氢的生产过程安全操作规程163 6.4.1液氢生产系统的设置163 6.4.2氢液化装置164 6.4.3液氢转运加注及贮存165 6.4.4辅助设施安全规程165 6.4.5液氢生产过程的系统安全及技术要求169 6.5低温氢主动安全预防及防护技术172 6.6低温氢被动安全预防及防护技术179 中国制冷学会 7氢液化、储运技术应用典型案例188 7.1氢液化应用案例188 7.1.1氢液化技术应用案例188 7.1.2案例总结202 7.2液氢储运技术应用案例203 7.2.1液氢储存技术应用案例203 7.2.2液氢运输技术应用案例210 7.2.3液氢输配技术应用案例214 7.3液氢加氢技术应用案例215 7.3.1北京航天试验技术研究所内液氢加氢示范站215 7.3.2浙江石油虹光(樱花)综合供能服务站218 7.3.3液氢高压泵典型案例219 8中国氢液化、储运产业及应用发展路线图223 8.1总体发展目标223 8.1.1氢液化、储运产业近期发展目标223 8.1.2氢液化、储运产业中期发展目标223 8.1.3氢液化、储运产业远期发展目标224 8.2中国氢液化产业发展路线图224 8.2.1氢液化产业发展简况224 8.2.2氢液化产业发展目标225 8.2.3氢液化产业发展关键技术探索226 8.3中国液氢储运产业发展路线图227 8.3.1液氢储运产业发展简况227 8.3.2液氢储运产业发展目标229 8.3.3液氢储运产业发展关键技术探索229 8.4中国低温高压储氢产业发展路线图230 8.4.1低温高压储氢产业发展简况230 8.4.2低温高压储氢产业发展目标231 8.4.3低温高压储氢产业发展关键技术探索231 8.5氢应用产业发展路线图232 8.5.1全球液氢应用产业发展总体现状及趋势232 8.5.2高纯氢消费产业233 8.5.3储能介质消费产业235 8.5.4终端能源消费产业237 8.6政策与标准体系保障241 8.6.1氢液化、储运及应用标准化现状241 8.6.2氢液化、储运及应用标准化发展目标243 中国制冷学会 8.6.3氢液化、储运及应用标准化发展重点246 9中国氢液化、储运产业发展行动倡议248 9.1把握氢能发展方向，引领未来液氢重点发展领域248 9.2突破液氢关键技术问题，实现液氢技术及装备国产化249 9.3建立建全液氢储运标准体系，助力液氢产业健康、快速发展251 9.4结束语251 1引言 1.1编制目的和适用范围 1.1.1编制目的 在“双碳”目标背景下，中国能源结构将由化石能源为主转变为可再生能源为主，由于可再生能源具有能量密度低、间歇性和不稳定性等缺点，因此对能量储存的需求很高。氢的来源广泛，且具有清洁、高效、能量密度高、能源形态易于转换等特点，是一种储能的重要形式和载体。因此，氢能为实现“双碳”目标提供了一条重要的技术路径，已被纳入国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要，是未来国家能源体系的重要组成部分，是战略性新兴产业的重点方向。 中国制冷学会 本蓝皮书结合国内外氢能发展现状，着重阐述氢液化、储运技术及应用的发展进程，通过分析氢液化、液氢储运、液氢加氢的多个案例，总结出氢液化、储运技术的特点及优势，旨在为中国氢能产业的发展提供技术参考。 1.1.2适用范围 行业内相关的管理人员、科研人员、研发人员、工程技术人员、产品制造商等。 1.2主要编制依据 [1]发改委、国家能源局，《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》，2016 [2]财政部、工业和信息化部、科技部发展改革委等，《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，2020 [3]国务院，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，2021 [4]国务院，《2030前碳达峰行动方案》，2021 [5]国家发改委、国家能源局，《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，2022 [6]国家发展改革委、国家能源局等9部门，《“十四五”可再生能源发展规划》2022 [7]GB/T40045-2021《氢能汽车用燃料液氢》 [8]GB/T40060-2021《液氢贮存和运输技术要求》 [9]GB/T40061-2021《液氢生产系统技术规范》 [10]GB/T34584-2017《加氢站安全技术规范》 [11]GB/T34583-2017《加氢站用储氢装置安全技术要求》 [12]GB/T30719-2014《液氢车辆燃料加注系统接口》 [13]GB/T29729-2013《氢系统安全的基本要求》 [14]GB50516-2010《加氢站技术规范》 [15]GJB2645A-2019《液氢包装贮存运输要求》 [16]GJB5405-2005《液氢安全应用准则》 1.3编制原则 中国制冷学会 本蓝皮书的编写注重内容、文字的准确性和完整性，以客观数据为依据，本蓝皮书以氢液化、储运技术及应用为视角，编者首先梳理当前国内外氢能发展趋势与中国低碳能源体系建设的关系，继而研究氢液化、储运技术及应用产业发展与相关政策，通过分析典型案例，探索我国氢液化、储运产业及应用的发展路线，最后提出本行业发展的行动倡议。蓝皮书的编写力求客观、专业、公正，同时结合国际化视野与本土化实践，并拓展技术的覆盖面和代表性。 2术语和符号 LH2：液态氢 CNG：CompressedNaturalGas，压缩天然气； M-H：活性络化物；O-H2：正氢； P-H2：仲氢；y：液化率，液化部分的气体质量与循环总质量流量之比；hs：绝热效率，%； 中国制冷学会 L：膨胀机做功能力，kW；h1：膨胀机进口焓，kJ/kg；h2：膨胀机出口焓，kJ/kg；C1：膨胀机进口速度，m/s；C2：膨胀机出口速度，m/s；Db：圆筒内经，mm；C：壁厚附加量，mm；St：圆筒壳体计算壁厚，mm；DN：公称直径，或者使用管道外径，mm； ∆L：管系总变形量，mm； U：管系两固定点之间直线距离，mm；K：催化剂反应速度常数，kmol/l·s；G：待处理的氢流量，kmol/s；Vc：催化剂的体积，L；x0：反应前正氢的摩尔百分数，%；x：反应后正氢的摩尔百分数，%；xe：反应温度下平衡氢中正氢的摩尔百分数，%；V0：反应条件下气体的体积流量，m3/h；ε：催化剂孔隙度，%；VR：催化剂的体积，m3； Sv：空速，次/秒；T：温度，K； p：工作压力，Pa； p0：大气压力，101325Pa；Q：反应条件下转化热，kW；m：催化剂孔质量，kg；CP：催化剂比热，kJ/kg•K；ΔT：催化剂温度升高，K；m0：转化部分的正氢质量流量，kg/s； 𝑞𝐶o𝑛𝑣：单位质量的正仲氢转化热，kJ/kg； 中国制冷学会 n：转速，转/分钟；H：扬程，m；Q：流量，m3/s；ω：角速度，1/s；r2：出口叶轮半径，m；b2：出口叶轮宽度，m； 素 ， 3氢能发展趋势与中国低碳能源体系建设 氢是宇宙中含量最丰富的元 。两个氢原子构成氢气分子 常温常压下无 燃 、 色无味极易 烧且难溶于水，是 界上已知的密度最小的气体 氢气是重要的 在 世 。 化工原料， 合成氨、石油化工 冶金工业、玻璃制造、电子工业等领域有广 会 年 ： 泛的应用，同时，它也是重要的二次清洁能源。2020 9月22 ，国家主席习 第 日