液氢海上运输关键技术发展

史陈芳达，吕蓉蓉，李春煜，史文军，朱子龙，刘 涛，吴静怡，杨 光

（1.上海交通大学，上海 200240；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029；3.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129）

0 引言

随着能源需求的不断增加以及大气中温室气体浓度的不断升高，能源转型和碳减排成为全球各国发展的共同追求。氢能凭借清洁、高效和可持续等优势，成为当前最有前景的绿色能源选择之一。液氢储运具有纯度高、远距离输运成本低等优势，发展潜力巨大，作为连接工厂和用户的产业链关键环节，其发展直接影响氢能源的地域配置的优化进程。

在液氢的多种运输方式中，船运的成本较低、运载量大且可远距离投送[1]。液氢运输船装载的储氢容器容量可达1 000 m3以上[2]，且无需途经人口密集区域，比铁路或高速公路运输更加经济、安全。对于能源消耗巨大的船舶行业，利用氢能还可以有效推动其节能减排。但液氢的物理性质较为特殊，对储运相关技术要求很高。如何更高效、更安全地储存和运输液氢，是扩大液氢的运输范围和实现产业化亟待解决的问题，也是目前研究的重点方向。同时，船运面临更长的运输过程和更复杂的海况环境，核心技术难度较高，前期投入的成本也更大，目前全球多国都在积极推动氢能船运技术研究和应用发展。

本文综合论述了液氢特性，梳理液氢储运各环节的关键技术，包括液氢储存、低温绝热技术、晃荡抑制技术、安全性评估以及液氢海上运输项目的发展现状，为我国液氢储运行业、尤其是大规模液氢海运提出了发展建议和展望。

1 液氢的储存方式

储存相同质量的氢时，液氢所需容积和总质量远低于气态或固态的储氢系统，根据使用场景主要分为固定式液氢容器、移动式液氢容器和罐式集装箱[3]。

1）固定式液氢储罐适用于大容积存储场景，考虑到漏热损失，球形是较为理想的设计型式，但加工难度大、造价较高。当前液氢球罐的典型项目之一是由美国国家航空航天局（NASA）设计建造的，直径为25 m，容积达3 800 m³。

2）移动式液氢储存包括公路运输、铁路运输及海上运输等场景，其中公路和铁路运输以液氢槽罐车为主，海上运输以搭载液氢储罐的轮船为主。受尺寸限制，移动式液氢容器常采用卧式圆柱形设计，其结构和功能与固定式储罐无明显差别，由于运输过程中存在晃荡冲击，移动式储罐对于强度的要求更高。

3）集装箱式的独立储存单元适用性强，适用于陆上运输、海上运输及多式联运，运输方式灵活，可实现工厂到用户直接储供，具有自重轻、安装相对简易、安全性高等优点。结构与液化天然气（LNG）罐式集装箱类似，空气化工、林德和法国液空等公司已有成熟产品。

除装罐储运之外，可行的液氢运输方式还有管道运输，但受到制造成本和维护成本限制，目前多应用于短距离传输场景。

2 液氢低温绝热技术

液氢常压下的沸点仅20 K，当容器外部发生火灾或绝热层损坏时，可能发生沸腾爆炸。低温液氢与空气接触会使其凝结并凝固，且氧的沸点和冰点比氮高，导致凝结物中氧浓度可能高达50%，同样存在爆炸危险。液氢在长时间的储存过程中易蒸发，储罐到达压力上限时必须进行排放，因此造成损失。此外，低温液氢还可能带来冻伤、窒息等危害，在使用和储运过程中需要格外注意。

因此，安全经济地储运液氢必须采取高效绝热措施，大型低温液体储罐的绝热设计需综合考虑效果、成本、技术难度、机械性能等因素。目前可用于液氢储罐的低温绝热材料有玻璃微珠、珍珠岩粉末、气凝胶、玻璃丝棉、聚氨酯等，以及真空多层绝热、多种绝热方式复合等形式[4]。

针对移动式液氢储罐和集装箱，真空绝热技术被认为是目前绝热效率较高的绝热方式。日本川崎重工设计的Suiso Frontier[5]号液氢运输船配备1 250 m³大尺寸液氢储罐，其双壳结构利用了真空绝热技术，绝热层内的真空度是影响高真空绝热技术性能的主要因素。刘汉鹏[6]等研制的超低温罐式集装箱，夹层采用高真空多层绝热结构，结合冷屏降温，可进一步降低辐射热流。

绝热材料及金属材料向真空夹层内释放氢气可能导致真空失效，通过抑制材料释放氢气和提高吸氢剂的性能等方式可保持真空度，延长容器寿命[7]。如在卜庆选[8]的液氢罐式集装箱设计中，壳体夹层设有吸附装置，配合抽真空以及真空检测装置共同保证多层绝热结构的真空度。

当前LNG储运技术已经较为成熟，推广到液氢应用中最关键的问题是提高绝热性能。可通过降低热传导和热辐射设计优化策略：如提升密闭性能和设置抽真空设备以维持高真空度，减小气体热传导和热对流；研究开发绝热支撑结构以减小固体导热量；通过表面处理减小金属壳体表面发射率以降低热辐射等。

在对液氢研究较多的航天领域，被动绝热技术已达到一定瓶颈。对此，航天领域开展了低温推进剂的空间零蒸发储存技术研究，通过被动绝热技术与主动制冷设备相结合来实现。NASA提出无损贮存方案，设计的制冷储存综合储罐（Integrated Refrigeration and Storage，IRAS）如图1[9]所示，结合制冷机、冷屏或循环气泵等设备系统进行冷却控压，实现“零蒸发”效果。NASA在建的4 732 m³大容积液氢储罐，也采用了玻璃微珠与低温制冷机相结合的绝热技术。对于液氢海上运输项目，还需考虑外接设备的强度要求、冷却管路等结构的密封要求以及与海上环境的适应性等问题。

图1 传统储罐与制冷储存综合储罐实现零蒸发系统机理示意图[9]

3 晃荡抑制技术

晃荡现象广泛存在于各类半充满的液舱中，相比于地面和管道运输，船用储罐面临更加颠簸的运输环境，晃荡现象可能更加剧烈，由此带来的局部应力对整体结构和材料都提出了更高的强度要求。对于液氢，晃荡可能增强其与壁面的传热，加速蒸发，造成损耗和安全威胁。

针对晃荡现象的研究多采用数值模拟的研究方法，配合实验和理论分析对模拟结果进行验证。黄硕[10]等提出了针对天然气生产储卸装置的液舱晃荡数值模拟研究方法，及其与船舶耦合运动的研究方法；蔡忠华[11]分析了装载率，激励频率对晃荡冲击力的影响，并且用实验验证了数值模拟结果；王硕[12]探究了晃荡产生的水动力对舱壁载荷的影响；丁仕风[13]通过数值模型分析了液化天然气船在冰区运动的耦合影响，并提出设计建议；李师[14]等研究了不同装载率下液舱内气液两相分布与动压力分布；罗鑫[15]等建立了数值液舱，模拟对比了单一隔板和组合隔板抑制晃荡的能力。

4 安全防护技术

液氢的安全性问题是提高氢实用性和氢能产业发展的关键问题。

4.1 液氢泄露特性

氢易燃、易爆炸，且燃烧速度非常快，泄漏危险是液氢处理面临的重要挑战之一。液氢蒸发所需的热量很低，当发生泄漏时，密度低的氢气在空气环境会迅速上升并扩散，且液氢泄漏扩散的危险距离比压缩气体的更长，可能产生爆炸。当液氢连续泄漏时，泄漏源附近的低温场还可能引起人员冻伤、运输设备脆性断裂等低温伤害。

针对液氢泄漏扩散行为的研究包括实验和数值模拟两个方面。由于液氢实验风险大、成本高，液氢典型泄漏实验主要由NASA、BAM和HSL等实验室开展。利用流体动力学对扩散过程进行数值模拟是更常见的研究方式：Sklavounos[16]等利用CFX软件对NASA实验进行模拟，发现液氢在低温泄漏时表现为重气扩散，加重了对近地面的伤害程度；Giannissi[17]等分析了环境湿度和速度滑移对液氢扩散的影响；ShaoX[18]等建立三维瞬态CFD模型分析了不同环境条件对可燃云团运动距离的影响；唐鑫[19]等探究了液氢连续泄漏时，不同出口状态对可燃云团与低温云团扩散范围的影响。

综上所述，在液氢海上运输项目中防范和抑制泄漏扩散行为，可以通过提高系统气密性设计、控制液舱内空气流速和环境温度、利用合适的CFD模型预测实际工程中的泄漏问题，基于分析结果在可能发生泄漏的位置设置探测和吸氢装置，及时处理泄漏。

4.2 安全性评估

目前液氢海运的安全性评估没有统一规则，只能通过其他燃料运输系统对比相似的安全条件评估安全性：如模糊集比较法。而实际工程中许多指标无法量化描述，可数字化的指标，通常也不能将数值作为唯一判据，且并非所有指标在系统安全中都发挥同等重要的作用。考虑到以上问题，Depken[20]提出一种基于模糊集合理论的评估方法，由相关领域的专家参与执行，对不同因素与安全性的相关度成对比较和加权，使得两个系统更容易进行比较；Verfondern[21]等提出了一种具体的与LNG的类比方法，包括液氢的基本特性到其实际应用和安全方面，根据已制定的液化天然气相关海洋法规，将二者进行比较。

当前液氢还没有作为商品真正实现海上大规模运输，其配套设施开发仍是一项挑战。由于储罐中液氢可能发生晃动，导致船舶稳定性出现问题。此外，开发新的基础设施和合适的监测系统也是确保安全运行的重要方面。

总结来看，液氢和LNG的物理和燃烧特性存在一定的相似性，安全风险类似。对于液氢船舶，需采取预防措施以避免泄漏，尽量减少热源，尽量减少密闭空间，为所需的密闭空间提供充足的通风和必要的监测。

5 液氢船蒸发气利用技术

低温液体在储运过程中容易产生蒸发气体，配合氢燃料电池，运输船可以直接利用蒸发气体（BOG）作为燃料动力。在实际工程中，MAN Cryo公司在2020年宣布研究船运液氢供应系统，该系统安装有双壳储罐、双壁管道、氢气检测和自动控制装置，设计符合IGF规范且具有可推广性[22]，并于2021年交付。在理论研究方面，李欣[23]等对双燃料LNG货船提出了四种BOG处理方式：提高设计压力、蒸汽供给锅炉燃烧、BOG再冷凝和配合压缩机压缩。其中直接烧掉BOG的处理方案是最简单便捷的，但会带来部分损耗；再冷凝技术更适用于严格控制损耗的项目，可从根本上解决BOG过量的问题，随着冷凝设备的不断发展和成本的不断下降，有可能成为未来最经济可靠的BOG解决方案。

由此可见，“运氢”与“用氢”相结合是液氢船运发展的一个重要方向。

6 液氢运输船与氢动力船舶

我国《水运“十四五”发展规划》提到要“鼓励LNG、电动、氢能等新能源和清洁能源船舶研发应用”，与此同时，世界各地都在进行各种与氢能海上运输相关的研究项目。表1列出了部分典型的液氢运输船和氢动力船舶项目[20]。

表1 海上液氢船项目概述

相比于发展较为成熟的LNG储运项目，液氢海上运输项目屈指可数，我国针对液氢运输船和氢动力船舶的研究仍处于起步阶段，但氢能船舶产业化发展步伐正在加快是毋庸置疑的。“Suiso Frontier”是液氢大规模船运的一个成功尝试，“Energy Observer”和“C-Job”等项目为绿色能源自给自足的零排放新型船运愿景提供了现实可行性证明。此外，氢燃料电池在船舶动力系统中的应用逐年增多，其配备的储氢系统为氢能船运提供了参考设计思路。“Hydra”、“Viking”号、“Topeka”和“AQUA”都实现了直接使用液氢直接作为燃料。

7 我国液氢海上运输发展的建议及展望

如今氢能产业进入快速发展阶段，液氢作为储氢密度高、远距离运输成本低的深冷储供方式，其储运技术的发展对氢能产业至关重要。

针对液氢海上运输场景，大型LNG船和液氢陆上储运项目提供了技术参考，但液氢海运仍面临许多挑战：如更多的蒸发损失、更严格的绝热要求、更长的任务周期、缺乏规模化设计、低温实验数据有限等，对系统的结构设计和绝热设计都提出了更严格的要求。

为促进全球规模的液氢商业化海上运输早日实现，综合上述内容，提出以下建议：1）在液氢温区条件下进行充足的实验测试和仿真建模分析，以探究相关技术和理论模型在更低温度环境的适用性；2）研究具有便捷装卸功能的模块化液氢储存方式，降低对加氢基础设施的需求并提高便利性；3）从系统、设备、部件和材料多个层面出发，综合分析液氢输送全过程涉及的安全性问题，加速安全性评估体系形成；4）深入研究更适用于液氢大规模海上运输场景的低成本、高效的绝热技术、零蒸发技术、晃荡抑制技术、安全防护技术等关键核心技术；5）探究将氢能作为运输动力补充的技术途径，实现“运氢”和“用氢”相结合；6）加速建立完善的氢能储运标准体系，加强液氢生产质量管理，全方位为促进氢能产业高质量发展提供政策和法规支撑。