史陳芳達(dá)，呂蓉蓉，李春煜，史文軍，朱子龍，劉 濤，吳靜怡，楊 光

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029；3.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129）

0 引言

隨著能源需求的不斷增加以及大氣中溫室氣體濃度的不斷升高，能源轉(zhuǎn)型和碳減排成為全球各國(guó)發(fā)展的共同追求。氫能憑借清潔、高效和可持續(xù)等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前最有前景的綠色能源選擇之一。液氫儲(chǔ)運(yùn)具有純度高、遠(yuǎn)距離輸運(yùn)成本低等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮螅鳛檫B接工廠和用戶的產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展直接影響氫能源的地域配置的優(yōu)化進(jìn)程。

在液氫的多種運(yùn)輸方式中，船運(yùn)的成本較低、運(yùn)載量大且可遠(yuǎn)距離投送[1]。液氫運(yùn)輸船裝載的儲(chǔ)氫容器容量可達(dá)1 000 m3以上[2]，且無(wú)需途經(jīng)人口密集區(qū)域，比鐵路或高速公路運(yùn)輸更加經(jīng)濟(jì)、安全。對(duì)于能源消耗巨大的船舶行業(yè)，利用氫能還可以有效推動(dòng)其節(jié)能減排。但液氫的物理性質(zhì)較為特殊，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)相關(guān)技術(shù)要求很高。如何更高效、更安全地儲(chǔ)存和運(yùn)輸液氫，是擴(kuò)大液氫的運(yùn)輸范圍和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問(wèn)題，也是目前研究的重點(diǎn)方向。同時(shí)，船運(yùn)面臨更長(zhǎng)的運(yùn)輸過(guò)程和更復(fù)雜的海況環(huán)境，核心技術(shù)難度較高，前期投入的成本也更大，目前全球多國(guó)都在積極推動(dòng)氫能船運(yùn)技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展。

本文綜合論述了液氫特性，梳理液氫儲(chǔ)運(yùn)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，包括液氫儲(chǔ)存、低溫絕熱技術(shù)、晃蕩抑制技術(shù)、安全性評(píng)估以及液氫海上運(yùn)輸項(xiàng)目的發(fā)展現(xiàn)狀，為我國(guó)液氫儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)、尤其是大規(guī)模液氫海運(yùn)提出了發(fā)展建議和展望。

1 液氫的儲(chǔ)存方式

儲(chǔ)存相同質(zhì)量的氫時(shí)，液氫所需容積和總質(zhì)量遠(yuǎn)低于氣態(tài)或固態(tài)的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，根據(jù)使用場(chǎng)景主要分為固定式液氫容器、移動(dòng)式液氫容器和罐式集裝箱[3]。

1）固定式液氫儲(chǔ)罐適用于大容積存儲(chǔ)場(chǎng)景，考慮到漏熱損失，球形是較為理想的設(shè)計(jì)型式，但加工難度大、造價(jià)較高。當(dāng)前液氫球罐的典型項(xiàng)目之一是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）設(shè)計(jì)建造的，直徑為25 m，容積達(dá)3 800 m3。

2）移動(dòng)式液氫儲(chǔ)存包括公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸及海上運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景，其中公路和鐵路運(yùn)輸以液氫槽罐車為主，海上運(yùn)輸以搭載液氫儲(chǔ)罐的輪船為主。受尺寸限制，移動(dòng)式液氫容器常采用臥式圓柱形設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)和功能與固定式儲(chǔ)罐無(wú)明顯差別，由于運(yùn)輸過(guò)程中存在晃蕩沖擊，移動(dòng)式儲(chǔ)罐對(duì)于強(qiáng)度的要求更高。

3）集裝箱式的獨(dú)立儲(chǔ)存單元適用性強(qiáng)，適用于陸上運(yùn)輸、海上運(yùn)輸及多式聯(lián)運(yùn)，運(yùn)輸方式靈活，可實(shí)現(xiàn)工廠到用戶直接儲(chǔ)供，具有自重輕、安裝相對(duì)簡(jiǎn)易、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)與液化天然氣（LNG）罐式集裝箱類似，空氣化工、林德和法國(guó)液空等公司已有成熟產(chǎn)品。

除裝罐儲(chǔ)運(yùn)之外，可行的液氫運(yùn)輸方式還有管道運(yùn)輸，但受到制造成本和維護(hù)成本限制，目前多應(yīng)用于短距離傳輸場(chǎng)景。

2 液氫低溫絕熱技術(shù)

液氫常壓下的沸點(diǎn)僅20 K，當(dāng)容器外部發(fā)生火災(zāi)或絕熱層損壞時(shí)，可能發(fā)生沸騰爆炸。低溫液氫與空氣接觸會(huì)使其凝結(jié)并凝固，且氧的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)比氮高，導(dǎo)致凝結(jié)物中氧濃度可能高達(dá)50%，同樣存在爆炸危險(xiǎn)。液氫在長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存過(guò)程中易蒸發(fā)，儲(chǔ)罐到達(dá)壓力上限時(shí)必須進(jìn)行排放，因此造成損失。此外，低溫液氫還可能帶來(lái)凍傷、窒息等危害，在使用和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中需要格外注意。

因此，安全經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)運(yùn)液氫必須采取高效絕熱措施，大型低溫液體儲(chǔ)罐的絕熱設(shè)計(jì)需綜合考慮效果、成本、技術(shù)難度、機(jī)械性能等因素。目前可用于液氫儲(chǔ)罐的低溫絕熱材料有玻璃微珠、珍珠巖粉末、氣凝膠、玻璃絲棉、聚氨酯等，以及真空多層絕熱、多種絕熱方式復(fù)合等形式[4]。

針對(duì)移動(dòng)式液氫儲(chǔ)罐和集裝箱，真空絕熱技術(shù)被認(rèn)為是目前絕熱效率較高的絕熱方式。日本川崎重工設(shè)計(jì)的Suiso Frontier[5]號(hào)液氫運(yùn)輸船配備1 250 m3大尺寸液氫儲(chǔ)罐，其雙殼結(jié)構(gòu)利用了真空絕熱技術(shù)，絕熱層內(nèi)的真空度是影響高真空絕熱技術(shù)性能的主要因素。劉漢鵬[6]等研制的超低溫罐式集裝箱，夾層采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，結(jié)合冷屏降溫，可進(jìn)一步降低輻射熱流。

絕熱材料及金屬材料向真空夾層內(nèi)釋放氫氣可能導(dǎo)致真空失效，通過(guò)抑制材料釋放氫氣和提高吸氫劑的性能等方式可保持真空度，延長(zhǎng)容器壽命[7]。如在卜慶選[8]的液氫罐式集裝箱設(shè)計(jì)中，殼體夾層設(shè)有吸附裝置，配合抽真空以及真空檢測(cè)裝置共同保證多層絕熱結(jié)構(gòu)的真空度。

當(dāng)前LNG儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，推廣到液氫應(yīng)用中最關(guān)鍵的問(wèn)題是提高絕熱性能?？赏ㄟ^(guò)降低熱傳導(dǎo)和熱輻射設(shè)計(jì)優(yōu)化策略：如提升密閉性能和設(shè)置抽真空設(shè)備以維持高真空度，減小氣體熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流；研究開發(fā)絕熱支撐結(jié)構(gòu)以減小固體導(dǎo)熱量；通過(guò)表面處理減小金屬殼體表面發(fā)射率以降低熱輻射等。

在對(duì)液氫研究較多的航天領(lǐng)域，被動(dòng)絕熱技術(shù)已達(dá)到一定瓶頸。對(duì)此，航天領(lǐng)域開展了低溫推進(jìn)劑的空間零蒸發(fā)儲(chǔ)存技術(shù)研究，通過(guò)被動(dòng)絕熱技術(shù)與主動(dòng)制冷設(shè)備相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。NASA提出無(wú)損貯存方案，設(shè)計(jì)的制冷儲(chǔ)存綜合儲(chǔ)罐（Integrated Refrigeration and Storage，IRAS）如圖1[9]所示，結(jié)合制冷機(jī)、冷屏或循環(huán)氣泵等設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行冷卻控壓，實(shí)現(xiàn)“零蒸發(fā)”效果。NASA在建的4 732 m3大容積液氫儲(chǔ)罐，也采用了玻璃微珠與低溫制冷機(jī)相結(jié)合的絕熱技術(shù)。對(duì)于液氫海上運(yùn)輸項(xiàng)目，還需考慮外接設(shè)備的強(qiáng)度要求、冷卻管路等結(jié)構(gòu)的密封要求以及與海上環(huán)境的適應(yīng)性等問(wèn)題。

圖1 傳統(tǒng)儲(chǔ)罐與制冷儲(chǔ)存綜合儲(chǔ)罐實(shí)現(xiàn)零蒸發(fā)系統(tǒng)機(jī)理示意圖[9]

3 晃蕩抑制技術(shù)

晃蕩現(xiàn)象廣泛存在于各類半充滿的液艙中，相比于地面和管道運(yùn)輸，船用儲(chǔ)罐面臨更加顛簸的運(yùn)輸環(huán)境，晃蕩現(xiàn)象可能更加劇烈，由此帶來(lái)的局部應(yīng)力對(duì)整體結(jié)構(gòu)和材料都提出了更高的強(qiáng)度要求。對(duì)于液氫，晃蕩可能增強(qiáng)其與壁面的傳熱，加速蒸發(fā)，造成損耗和安全威脅。

針對(duì)晃蕩現(xiàn)象的研究多采用數(shù)值模擬的研究方法，配合實(shí)驗(yàn)和理論分析對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。黃碩[10]等提出了針對(duì)天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置的液艙晃蕩數(shù)值模擬研究方法，及其與船舶耦合運(yùn)動(dòng)的研究方法；蔡忠華[11]分析了裝載率，激勵(lì)頻率對(duì)晃蕩沖擊力的影響，并且用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果；王碩[12]探究了晃蕩產(chǎn)生的水動(dòng)力對(duì)艙壁載荷的影響；丁仕風(fēng)[13]通過(guò)數(shù)值模型分析了液化天然氣船在冰區(qū)運(yùn)動(dòng)的耦合影響，并提出設(shè)計(jì)建議；李師[14]等研究了不同裝載率下液艙內(nèi)氣液兩相分布與動(dòng)壓力分布；羅鑫[15]等建立了數(shù)值液艙，模擬對(duì)比了單一隔板和組合隔板抑制晃蕩的能力。

4 安全防護(hù)技術(shù)

液氫的安全性問(wèn)題是提高氫實(shí)用性和氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

4.1 液氫泄露特性

氫易燃、易爆炸，且燃燒速度非?？?，泄漏危險(xiǎn)是液氫處理面臨的重要挑戰(zhàn)之一。液氫蒸發(fā)所需的熱量很低，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，密度低的氫氣在空氣環(huán)境會(huì)迅速上升并擴(kuò)散，且液氫泄漏擴(kuò)散的危險(xiǎn)距離比壓縮氣體的更長(zhǎng)，可能產(chǎn)生爆炸。當(dāng)液氫連續(xù)泄漏時(shí)，泄漏源附近的低溫場(chǎng)還可能引起人員凍傷、運(yùn)輸設(shè)備脆性斷裂等低溫傷害。

針對(duì)液氫泄漏擴(kuò)散行為的研究包括實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面。由于液氫實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高，液氫典型泄漏實(shí)驗(yàn)主要由NASA、BAM和HSL等實(shí)驗(yàn)室開展。利用流體動(dòng)力學(xué)對(duì)擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬是更常見的研究方式：Sklavounos[16]等利用CFX軟件對(duì)NASA實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)液氫在低溫泄漏時(shí)表現(xiàn)為重氣擴(kuò)散，加重了對(duì)近地面的傷害程度；Giannissi[17]等分析了環(huán)境濕度和速度滑移對(duì)液氫擴(kuò)散的影響；ShaoX[18]等建立三維瞬態(tài)CFD模型分析了不同環(huán)境條件對(duì)可燃云團(tuán)運(yùn)動(dòng)距離的影響；唐鑫[19]等探究了液氫連續(xù)泄漏時(shí)，不同出口狀態(tài)對(duì)可燃云團(tuán)與低溫云團(tuán)擴(kuò)散范圍的影響。

綜上所述，在液氫海上運(yùn)輸項(xiàng)目中防范和抑制泄漏擴(kuò)散行為，可以通過(guò)提高系統(tǒng)氣密性設(shè)計(jì)、控制液艙內(nèi)空氣流速和環(huán)境溫度、利用合適的CFD模型預(yù)測(cè)實(shí)際工程中的泄漏問(wèn)題，基于分析結(jié)果在可能發(fā)生泄漏的位置設(shè)置探測(cè)和吸氫裝置，及時(shí)處理泄漏。

4.2 安全性評(píng)估

目前液氫海運(yùn)的安全性評(píng)估沒有統(tǒng)一規(guī)則，只能通過(guò)其他燃料運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)比相似的安全條件評(píng)估安全性：如模糊集比較法。而實(shí)際工程中許多指標(biāo)無(wú)法量化描述，可數(shù)字化的指標(biāo)，通常也不能將數(shù)值作為唯一判據(jù)，且并非所有指標(biāo)在系統(tǒng)安全中都發(fā)揮同等重要的作用。考慮到以上問(wèn)題，Depken[20]提出一種基于模糊集合理論的評(píng)估方法，由相關(guān)領(lǐng)域的專家參與執(zhí)行，對(duì)不同因素與安全性的相關(guān)度成對(duì)比較和加權(quán)，使得兩個(gè)系統(tǒng)更容易進(jìn)行比較；Verfondern[21]等提出了一種具體的與LNG的類比方法，包括液氫的基本特性到其實(shí)際應(yīng)用和安全方面，根據(jù)已制定的液化天然氣相關(guān)海洋法規(guī)，將二者進(jìn)行比較。

當(dāng)前液氫還沒有作為商品真正實(shí)現(xiàn)海上大規(guī)模運(yùn)輸，其配套設(shè)施開發(fā)仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于儲(chǔ)罐中液氫可能發(fā)生晃動(dòng)，導(dǎo)致船舶穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題。此外，開發(fā)新的基礎(chǔ)設(shè)施和合適的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是確保安全運(yùn)行的重要方面。

總結(jié)來(lái)看，液氫和LNG的物理和燃燒特性存在一定的相似性，安全風(fēng)險(xiǎn)類似。對(duì)于液氫船舶，需采取預(yù)防措施以避免泄漏，盡量減少熱源，盡量減少密閉空間，為所需的密閉空間提供充足的通風(fēng)和必要的監(jiān)測(cè)。

5 液氫船蒸發(fā)氣利用技術(shù)

低溫液體在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中容易產(chǎn)生蒸發(fā)氣體，配合氫燃料電池，運(yùn)輸船可以直接利用蒸發(fā)氣體（BOG）作為燃料動(dòng)力。在實(shí)際工程中，MAN Cryo公司在2020年宣布研究船運(yùn)液氫供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝有雙殼儲(chǔ)罐、雙壁管道、氫氣檢測(cè)和自動(dòng)控制裝置，設(shè)計(jì)符合IGF規(guī)范且具有可推廣性[22]，并于2021年交付。在理論研究方面，李欣[23]等對(duì)雙燃料LNG貨船提出了四種BOG處理方式：提高設(shè)計(jì)壓力、蒸汽供給鍋爐燃燒、BOG再冷凝和配合壓縮機(jī)壓縮。其中直接燒掉BOG的處理方案是最簡(jiǎn)單便捷的，但會(huì)帶來(lái)部分損耗；再冷凝技術(shù)更適用于嚴(yán)格控制損耗的項(xiàng)目，可從根本上解決BOG過(guò)量的問(wèn)題，隨著冷凝設(shè)備的不斷發(fā)展和成本的不斷下降，有可能成為未來(lái)最經(jīng)濟(jì)可靠的BOG解決方案。

由此可見，“運(yùn)氫”與“用氫”相結(jié)合是液氫船運(yùn)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

6 液氫運(yùn)輸船與氫動(dòng)力船舶

我國(guó)《水運(yùn)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》提到要“鼓勵(lì)LNG、電動(dòng)、氫能等新能源和清潔能源船舶研發(fā)應(yīng)用”，與此同時(shí)，世界各地都在進(jìn)行各種與氫能海上運(yùn)輸相關(guān)的研究項(xiàng)目。表1列出了部分典型的液氫運(yùn)輸船和氫動(dòng)力船舶項(xiàng)目[20]。

表1 海上液氫船項(xiàng)目概述

相比于發(fā)展較為成熟的LNG儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目，液氫海上運(yùn)輸項(xiàng)目屈指可數(shù)，我國(guó)針對(duì)液氫運(yùn)輸船和氫動(dòng)力船舶的研究仍處于起步階段，但氫能船舶產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐正在加快是毋庸置疑的?！癝uiso Frontier”是液氫大規(guī)模船運(yùn)的一個(gè)成功嘗試，“Energy Observer”和“C-Job”等項(xiàng)目為綠色能源自給自足的零排放新型船運(yùn)愿景提供了現(xiàn)實(shí)可行性證明。此外，氫燃料電池在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用逐年增多，其配備的儲(chǔ)氫系統(tǒng)為氫能船運(yùn)提供了參考設(shè)計(jì)思路?！癏ydra”、“Viking”號(hào)、“Topeka”和“AQUA”都實(shí)現(xiàn)了直接使用液氫直接作為燃料。

7 我國(guó)液氫海上運(yùn)輸發(fā)展的建議及展望

如今氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，液氫作為儲(chǔ)氫密度高、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本低的深冷儲(chǔ)供方式，其儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要。

針對(duì)液氫海上運(yùn)輸場(chǎng)景，大型LNG船和液氫陸上儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目提供了技術(shù)參考，但液氫海運(yùn)仍面臨許多挑戰(zhàn)：如更多的蒸發(fā)損失、更嚴(yán)格的絕熱要求、更長(zhǎng)的任務(wù)周期、缺乏規(guī)?；O(shè)計(jì)、低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限等，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕熱設(shè)計(jì)都提出了更嚴(yán)格的要求。

為促進(jìn)全球規(guī)模的液氫商業(yè)化海上運(yùn)輸早日實(shí)現(xiàn)，綜合上述內(nèi)容，提出以下建議：1）在液氫溫區(qū)條件下進(jìn)行充足的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真建模分析，以探究相關(guān)技術(shù)和理論模型在更低溫度環(huán)境的適用性；2）研究具有便捷裝卸功能的模塊化液氫儲(chǔ)存方式，降低對(duì)加氫基礎(chǔ)設(shè)施的需求并提高便利性；3）從系統(tǒng)、設(shè)備、部件和材料多個(gè)層面出發(fā)，綜合分析液氫輸送全過(guò)程涉及的安全性問(wèn)題，加速安全性評(píng)估體系形成；4）深入研究更適用于液氫大規(guī)模海上運(yùn)輸場(chǎng)景的低成本、高效的絕熱技術(shù)、零蒸發(fā)技術(shù)、晃蕩抑制技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)；5）探究將氫能作為運(yùn)輸動(dòng)力補(bǔ)充的技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)“運(yùn)氫”和“用氫”相結(jié)合；6）加速建立完善的氫能儲(chǔ)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)體系，加強(qiáng)液氫生產(chǎn)質(zhì)量管理，全方位為促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供政策和法規(guī)支撐。