氢又轻又易燃，新能源产业中有氢的位置吗？

做氢能源的大多数都知道，制氢既不困难也不昂贵，但把氢运输到该去的地方，却是困难重重。

目前常用的氢运输方法有高压气态氢运输，液氢运输，深冷态高压运输，每一种方法都很难操作– 要么效率低，要么非常困难，要么既贵又困难。

1. 1. 高压气态运输 – 效率极低
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氢是元素周期表中最轻的元素，密度极低，这意味着少量的氢需要大量的空间。在一个标准大气压（1 atm，或 1.013 bar，或 0.1Mpa）下，一立方米氢气重 0.09KG -- 作为对比，1立方米空气重量为1.29公斤– 所以氢气球才可以在大气中浮起来。

在 350 个大气压下，每立方米氢才重23 公斤；在 700 个大气压下（当前使用的最大压力）下，每立方米35KG。也就是说，即使在标准大气压的700倍压力下，氢气的密度也只有水的1/30左右。

加压气态氢通常由长管卡车运输。为了安全起见，大多数国家限制通过普通高速道路运输的高压容器的最大压力– 国内目前最大管压限制在 20Mpa（200个大企业）。在此压力下，氢的密度为每立方米 14 公斤。

低密度意味着公路运输的效率极低——通常，如上图所示，一辆35 吨的半挂卡车只能运载 250-300 KG 的氢气，装载量仅为总吨位的1%车辆重量（GVW）。相比之下，这样一辆重卡，如果运输普通货物的话，起码可以轻松运载20 吨货物。拿可以运20吨货物的车只拉300公斤货物，可想而知这个运输效率有多低、成本有多高。

另外，国内700个大气压的高压四类瓶（复合材料内胆、复合材料缠绕外壳）还在开发、生产早期，所用的阀门等关键件仍然依靠进口，使得氢瓶成本居高不下，目前单个700大气压氢瓶价格在5万以上，且价格下降空间有限。如果一辆燃料电池重卡需要8个氢瓶储氢，仅储氢瓶成本就在40万元以上。

1. 2. 液氢运输
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通过将氢气冷却到极低的温度（液氢为-252.8 C），密度会更高一些 – 70.85公斤/立方米，是气态氢密度的800倍。

这么一来，一辆卡车可以运输4000公斤液氢，效率总算高了不少；而且，液氢在常压下就可以保存，而无需高压设备 – 压力设备属于特种设备，要专门的管理证、操作证的，十分麻烦。

问题还是出在氢本身– 氢分子太轻太小太活跃，其液化温度太低，只有-253 ，这使得氢的液化极为耗费能量 – 大概要11度电才能液化1公斤氢，而1公斤氢的能量不过33度电，也就是1/3的能量拿来液化氢，这个实在是有点挥霍能量。

另外，液氢储存必须要高等级的隔热瓶（想象一个非常高级的保温瓶），以减少挥发（boil off）。即使如此，也挡不住液氢会不断减少 –而挥发出来的氢必须妥善处理，避免发生爆燃。

液氢处理是如此的困难，美国NASA的Artemis火箭可以出面作证 – 该火箭从3月份就被各种液氢泄漏所困扰，最近一次发射不成功（8/29），火箭又被拉回去修理了。

对于国内而言，还有一个严重问题：目前液氢技术比较成熟的是美国，其产量产能都处于绝对优势。由于液氢在航天工业上的重要用途，美国对中国在液氢技术（包括罐体、阀门、深冷技术等）都严防死守，严格禁止相关技术对华出口，甚至连技术交流都很难。

在这种情况下，短期内液氢在国内车用市场发展难度很大。虽然航天工业也在努力扩展液氢在车用范围，仍然需要相当长时间。

3. 深冷低温压缩氢 (Cryo-compressed hydrogen)。在高压下冷却氢气（通常 <300 大气压，低于气态储存）并将氢气保持在临界点（大约-240 C），从而实现最高密度(约为73公斤)、更长的休眠寿命和更少的蒸发损失。

问题是深冷压缩虽然具有最高的能量密度，却也继承了压力存储，和低温存储与生俱来的问题– 既需要压力容器，也需要深冷技术。

在上述常规技术遇到巨大困难的情况下，有人就会问，既然氢单质的储运如此困难，可不可以把氢通过其他媒质，用更便利的方法来运输？

还真有。

研究比较多的主要是两种，金属储氢材料和有机液体储氢材料。这两种方法，都是通过物理、化学结合的方式，使用中间媒介，以可逆的方式吸收、放出氢，来规避氢单质储运的难题。

4. 金属储氢材料

有些金属材料，如稀土类、铁钛、镁合金等，可以在常温下与单个氢原子形成某种化合物，并放出热量；在被加热的时候，这种氢化物又可以分解，重新释放出氢原子出来。这种可逆反应，有潜力成为储氢系统。

一般来说，目前储氢合金可以储存相当于自身重量2-5%左右的氢，远景希望能达到5-7%之间，也就是说，每100公斤储氢合金可以储存5公斤以上的氢，相当于一个220升（35MPa，350大气压）或者一个140升（70MPa，700大气压）储氢罐。

国内如厦门钨业、北京浩运金能等都是储氢合金主要生产集团，从年报来看，厦门钨业2021年储氢合金销量为3885吨；浩运金能自报在千吨左右。

金属储氢的主要问题还是仍处于发展早期，技术不成熟，资源量比较小 – 特别是使用稀土的某些储氢金属，难以大规模应用。

另外，储氢金属泄氢需要加热，在车载环境下颇为不便；而在反复充放的过程中，因为氢原子反复结合、脱出，会导致金属晶体结构坍塌、粉末化，影响其使用寿命。

5. 液态有机储氢材料（Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC）

除了金属储氢材料之外，另外一个正在被关注的是有机材料储氢– 环状（苯）、长链分子结构高分子有机材料（常常是液体），可以在催化剂的作用下，可以吸收、释放氢原子，这是一个可逆过程。

同时，这些高分子有机材料在吸氢之后仍然保持液态，且无需加压，便于运输、储存，可以作为介质反复充放氢。目前储存密度可达50-60公斤氢/立方米。

对于车用系统而言，理论上可以直接携带这些有机储氢材料，在车上使用催化剂、并加热至300 C泄氢，之后到加氢站卸下已释放完氢气的液态储氢材料、加注全新液体，然后即可继续行驶。但在车载环境完成300 C加热、催化是个较为复杂的过程，需要的热源难以取得，目前尚未有实际应用报道。

目前这个技术还是处于早期，国内主要是武汉的氢阳科技，海外也有不少相关企业。下图为氢阳科技有机储氢的示范项目

6. 常用高氢含量气、液体（氨、甲醇等）

除了上述高分子有机材料之外，还有其他低分子有机物质，如氨、甲醇等，这些气体、液体同样富含氢元素，且产业成熟、运输方便，可替代难运、危险的氢。

以氨为例，其分子式为NH3，一个氮原子对三个氢原子。氨的能量密度很高，按体积计算为12.7MJ/升，比液氢都要高（8.5MJ/升）。

氨的储存、运输，尽管也不太方便，但作为常用的化学产品和肥料，其-33 C的液化温度比起氢的-253 C可是要容易处理多。目前全球氨主要用作肥料及肥料原材料，每年的产量约在1.7-1.8亿吨左右。

与氢类似，氨的生产根据其原料氢的碳足迹，也可以分为灰氨、蓝氨和绿氨：

灰氨就是传统制氨工艺，需要使用天然气重整技术来产生氢，进而与空气中的氮经过复杂的化学反应产生氨；

蓝氨是把灰氨排放的碳加以捕捉。但目前这一技术尚有争议– 如同前段时间康奈尔大学一份研究指出来的，蓝氢的碳足迹甚至高于灰氢。

绿氨使用的氢，是使用可再生能源如光电、风电电解水来制备，其本地碳足迹为零，目前已有多个中小规模的项目在投建。

沙特在2020年6月开始投建了一个年产达120万吨绿氨的大型项目，该项目投资高达50亿美元，依赖于一个高达4GW的光伏发电项目。该项目预计于2025年投产。该项目由Air Products负责。

甲醇Methanol，也是一种被考虑的代氢燃料，其分子式是CH3OH，一看就知道氢含量不低。关于甲醇，必须要表扬一下吉利汽车的李书福李总 – 这么多年来如一日，坚定地支持甲醇汽车的开发、生产与研究。

与氨的生产类似， 传统甲醇生产工艺需要使用煤炭或其他化石燃料作为输入，存在着巨大的碳足迹。

另一方面，美国从2008年开始大力推广玉米制甲醇燃料，但美国农业是典型的高碳排放农业—大量使用农用机械，使得玉米甲醇的碳足迹比传统的汽油还要高 – 根据University of Wisconsin在2022年2月份发表一项研究，所谓的生物燃料，其全周期碳排放量比传统汽油车还要高24%

第三就是绿色低碳甲醇制备。类似于绿氨，绿色低碳甲醇制备需要使用绿电，加上二氧化碳捕捉或其他方式提供的碳源化合而成。其净碳排放量的理论为零。

与氨类似，甲醇由于其生理毒性，其使用受到一定限制。目前而言，国家对甲醇的推广尚未表示出明显兴趣。

7. 合成燃料(e-Fuel)

合成燃料e-Fuel是欧洲若干大企业，包括西门子等都在大力发展的能源形式。

其原理类似于绿氨、绿色甲醇，都是通过可再生能源，加CO2捕捉（或其他现有碳排放而来的碳源），通过Fischer-Tropsch反应，来生成长链碳氢化合物，如C10H20等。

这种烃经过常规炼化，可以成为常规汽油供汽车直接使用。这样理论上，其整体的净碳足迹(Well-to-wheel)为零。

欧洲若干公司，由Siemens Energy带头，目前在智利建设的绿色eFuel工厂，预计2022年开始13万升合成燃料；2024年达到年产5500万升；最终在2025年达到5.5亿升设计产能。

eFuel的鼓吹者认为，目前的很多应用，如航空、海运、重型卡车、矿山机械等难以电动化，为此，需要使用绿色能源，通过碳捕捉等方法，从已有碳源中获取碳，与电解水获得的绿氢化合，生成长链烃燃料。

关于eFuel的讨论很多，我们会在以后进一步研究。其鼓吹者的论据并非没有道理，值得深入研究。