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公路运输 氢通过卡车和拖车进行公路运输，需要考虑运输的成本和能耗。由于卡车和拖车的载重和容积有限，有以下几个因素对运输的成本和能耗有显著影响： - 氢的能量密度，单位空间内能存储尽可能多的氢
- 氢在车的总载重中的占比，即容器的重量越轻越好
这两个因素都由储氢的方法决定。 如上期储氢安全介绍，当前氢的主要存储形式有压缩氢气存储(CGH2)和低温液化存储(LH2)两种形式。 压缩氢气 (CGH2) 运输 压缩氢气存储(CGH2)使用的I型或II型储罐，存储压力在300Bar以下。一辆40吨载重的拖车一次仅可以运载2000至6000Nm3，或者180至540kg的氢气。即运载氢气的重量不到拖车总载重的2%。 储罐按形状分为长储罐和短储罐（储氢瓶）。长储罐一般是4-6只横置于卡车或拖车上。储氢瓶通常会数支一起竖立着打包成捆束，固定在金属筐里，再整筐置于卡车或拖车上进行运输。  长管拖车（Tube Trailer） （图片来源：网络）  储氢瓶捆束（Cylinder Bundle) （图片来源：网络） 低温液化(LH2)运输低温液氢可以达到较高的能量密度，因此与压缩氢气拖车相比，低温液化拖车可以运载更多的氢（接近10倍）。一辆低温液化拖车一次可以运载50000-60000L，即4000kg的氢。因此低温液氢运输的成本远低于压缩氢气运输的成本。  低温液化氢气拖车（LH2 Trailer） （图片来源：网络） 不过虽然低温液化运输的成本远低于压缩氢气运输，但是由于将氢液化的过程需要消耗大量的能量，氢液化的成本远远高于氢气压缩的成本。此外对于压缩氢气，大型高压储罐的储罐成本非常高。因此，两种储氢运输方式的成本核算需要综合考虑氢气用量和运输距离。低温液化对于大容量长距离的运输更具成本优势。 
 (信息来源 inde) 管道输送相比于卡车/拖车运输，管道输送是输送大量氢气的相对低成本的选项。如果希望未来氢能能够成为化石能源的替代能源，大规模的氢能管道基础设施建设是必不可少的。  管道输送（图片来源：网络） 可能与大众的认知有所不同，氢气管道输送很早就已应用于工业领域。早在1938年德国就建设了世界上最早的氢气管道(240km，Rhine-Ruhr)。但是，直到目前，已有的氢气管道基本都是为炼油厂和化工厂供应氢气的专用工业管道，规模不大，主要由大型的商业制氢商运营。 欧洲的氢气管道在2004年大约有1500公里（数据来源:维基，我没有找到最新的数据，应该增长不多），北美目前大约有2500公里（数据来源:美国能源部）。相比世界范围内超过两百万公里的天然气管道系统，氢气管道的规模还非常小。因此如果能够利用现有天然气管道系统传输氢气，就可以快速的扩大氢能管道传输的规模。不过天然气管道系统不能直接传输纯氢，需要进行根本性的改造。相对来说，传输氢气占比15%左右的天然气氢气混合气体对天然气管道系统的改造要求会比较低。 2020年，欧洲的一些能源基础设施运营商发起成立了“欧洲氢能骨干网”项目（European Hydrogen Backbone/EHB），旨在促进和协调欧洲一体的氢气管道基础设施建设。至今已有28个欧洲国家（25个欧盟成员国加挪威，英国，瑞士）的31个欧洲能源网络运行商加入。  2022年的俄乌冲突大大激发了欧洲全面推进氢能转型的热情。而欧洲一体的氢气管道基础设施将大大增强欧洲能源供应网络的弹性。因此，2022年4月出版的修订版EHB愿景报告中将原计划至2030年5.6Mt(百万吨)的氢气供应量大幅增加15Mt至20.6Mt。增加的15Mt中有5Mt由欧洲本地生产，进口10Mt。相应的，氢气管道基础设施的规划也大大加强，至2030年的全欧洲的氢气联网传输管道将达到28000公里。其中大部分的管道将由现有天然气管道改造。  至2040年，将基本建起泛欧洲的基础氢能管道传输网络，管道总长度达到53000公里，其中60%将由天然气管道改造，40%为新建氢管道。预计可以满足欧洲届时1,640 TWh的年度氢需求量。  铁路运输高压氢气储氢瓶也可以使用集装箱装载，通过铁路运输以降低成本。  图片：通过铁路运输的高压氢气储氢瓶集装箱（来源：NPROXX）  图片：高压储氢瓶集装箱内部结构 海运（运氢船）氢气要想成为国际能源市场的主流，海运自然是必不可少的。 由川崎重工（Kawasaki）建造的全球第一艘液氢船Suiso Frontier已经在2021年底入级，确认满足国际航海组织的标准。并于2022年2月完成了首次载氢试航（由日本神户液氢接收基地前往澳大利亚，在澳大利亚装载液氢后返航）。  图片: 建设中的世界上第一艘液氢运氢船Suiso Frontier (图片来源:川崎重工）  图片：Suiso Frontier在澳大利亚装载液氢（图片来源:HYSTRA） Suiso Frontier的排水量为8000吨，长116米，设计储氢能力（1250立米）。 此外神户液氢接收基地也是全球第一个此类设施，设计接受能力为2500立米。 拖车运输安全氢气拖车运输安全与氢存储安全相关联。储罐的安全性在上期储氢安全的文章中已有部分分析。在这一期里我们讨论储罐在车载运输时及氢加载/卸载时的安全问题。 特别申明这个系列的文章并不是严谨的安全培训课程，仅仅列举了一些典型的安全问题，并不是严谨的风险分析或完整的FMEA清单。 接地监控无论是压缩氢气还是低温液氢的存储运输，车载储罐在加载/卸载氢气(液氢)时都要防止静电点火引发火灾或爆炸，一般是通过接地钳和接地监控装置来实现。在进行加载/卸载作业时作业人员必须严格遵守操作规范，先用接地钳将拖车与地面站场的固定设施做等电位连接，以确保车辆（通过站场有接地保护的固定设施）实现可靠接地，再进行加载/卸载作业。  图片来源：Newson 泄压装置(Pressure Relief Device/PRD)对于压缩氢气储罐，无论是用于拖车运输的储罐（I型, II型），还是燃料电池车的车载储氢瓶(III型，IV型)，泄压装置PRD都是最主要的安全装置。PRD可以在过热或过压（或两者同时出现）的危险状况下通过泄压（可控的释放高压存储氢气）来防止储罐破裂时不可控的剧烈释放出大量危险能量（包括氢气的化学能/爆炸风险，和压缩的机械能/机械冲击），以保护储罐，车辆及车辆乘员。具有过热保护功能的PRD又被称作TPRD (Thermally Activated Pressure Relief Device )，可以在储罐遇火的情况下进行泄压保护。 
 图片来源：ROTAREX 液氢储罐液氢储罐需要绝热，以确保液氢温度维持在沸点以下。所以储罐都是双层外壳，中间有真空隔层。除了储罐的液氢容器，隔层也需要PRD泄压装置。 由于液氢在罐体内蒸发(Boil-off)会增大罐内压力并导致温度上升，温度上升进一步加剧氢气蒸发并增大压力。因此，一方面液氢储罐严禁过充(1)，另一方面，蒸发的氢气需要及时除去(2)。相应的安全措施是: 1. 加氢管路应有自动切断装置， 2. 除蒸发气系统 (Boil-off system)。  图片来源：网络 氢气管道输送安全氢气管道的主要安全问题是 目前的氢气管道都是工业管道，输送的氢气量不大，运行压力一般不超过100Bar（通常是40-70Bar）。管道直径通常从10-300mm不等。  （图片来源:网络） 对于能源行业，氢气的输送量要远远大于工业氢气的需求，管道直径更大(典型的天然气管道直径有20-48Inch/50cm-1.2m)，且传输距离更远，能源管道的运行压力可能会超过100Bar。此外工业管道的压力基本是恒定的，而能源管道的压力会有变化。因此氢脆现象造成的材料疲劳问题会更加严重。关于氢脆现象后面会开专题讨论。 为了减少氢脆的风险，目前管道的材料主要是低碳，低合金和低强度钢材（例如API X42）。出于安全考虑，大部分的管道被埋于地下，通过涂层或者阴极保护以防止腐蚀。 由于管道需要大量的焊接连接，管道的建设需要有资质的第三方机构的安全检查和验收才可以投入运行。运行后也需要运营方和第三方例行的安全检查。 此外，氢气的输送需要加压，而压缩气站的防爆安全（包括撬装的设计，防爆设备的选型与安装）及其场地安全检查都非常重要。 
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发表于 2024-5-22 06:57:37
