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安新茹1，2，3，吴宗臻1，3，龚雨波1，3，王小锁1，3，米晓4，张宇翔1，2
(1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁科院(北京)工程咨询有限公司，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁科(北京)新能源科技有限公司，北京100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京100081；4.中国铁路武汉局集团有限公司计划统计部，湖北武汉430000)
摘要：为促进氢能发展，助力实现双碳目标，对铁路储运氢气进行探究。通过分析工业和交通运输等领域对氢气的需求，对比不同氢气储运方式的储运条件、储氢密度和储运规模等因素，探究现有氢气储运方式存在的问题，研究发现运输距离超过400km的陆地大规模氢气储运方式仍处于空白阶段，这极大限制了氢能产业发展；基于铁路运输特点和氢气储运现状，提出利用铁路进行陆地大规模、远距离储运氢气。针对铁路储运液氢，进行前瞻性分析，探究影响铁路储运液氢经济和安全的因素，研究提出运输距离超过400km时，铁路储运液氢比公路更具优势；运输距离超过1000km时，铁路储运液氢平准化成本为1.35元/kg。通过对铁路储运液氢前瞻性和可行性分析，研究提出需进一步健全液氢储运标准体系、攻克技术难题、完善基础设施建设，以更好推进我国建设清洁低碳、安全高效的新型能源体系。
0引言
氢气被认为是最清洁的能源，燃烧产物只有水，质量能量密度大，可长期储存[1]，已广泛应用于燃料电池[2]、冶金[3-5]、石油化工、煤化工、交通运输[6-8]、航天发射、芯片制造、供电供热[9]、建筑、机械等领域[10-12]。氢气具有广泛的应用场景，需求量巨大[13]。我国三北地区风能、太阳能、地热能等可再生能源丰富，可利用液氢、甲醇[3]、液氨[14]等高质量能量密度的储氢介质将这些新能源储存起来[5，15]。氢气的制备[1]与储运成本占总成本的50%以上，储运成本约占总成本的30%~40%[16]，降低氢气储运成本是促进氢能发展的关键[2，17-18]。氢气的储运可分为高压气态储运技术、低温液态储运技术、液体储运技术和固态储运技术等。管道和船舶被认为是未来大规模储运氢气的主要方式。长管拖车适合短距离、小规模氢气储运，灵活性好。管道适合短距离、大规模氢气储运，常见于石化行业，但管道运输建设、维护成本高，不适合长距离储运氢气。远洋船舶储运氢气成本低廉，适合具有良港的沿海地区，但受地理环境限制较大[17]。目前陆地大规模、长距离储运氢气则处于空白阶段。
铁路运输具有规模大、速度快、成本低等优点，对陆地大规模、长距离氢气储运具有重要意义。我国拥有完善发达的铁路网，铁路网密度与地区经济发展程度相适应。截至2024年9月底，我国铁路营业里程约16万km，其中高速铁路4.6万km。铁路可以实现铁水联运、公铁联运等不同运载场景的衔接。铁路站点还可以联通不同线路，灵活调配储运量，我国完善的铁路系统为解决大规模、长距离储运氢气提供了条件。铁路相比于公路储运氢气，有固定线路和更加严格的管理标准，安全性更好。
以液氢为例，当前铁路储运液氢主要服务于航天、军事等领域，储运规模相对较小，尚未形成适合民用液氢的标准体系。因此，通过梳理氢气应用现状及各种储运技术，分析对比各种氢气储运技术的特点与存在问题，结合铁路运输特点进行前瞻性和制约因素分析，探究铁路储运氢气的发展方向，为铁路氢能源发展提供启示与借鉴。
1氢气应用场景
1.1工业用氢
作为我国实现“双碳”目标的重要路径，绿氢在化工、冶金[5]等领域的需求量将不断增加。2023年氢能产量约3550万t，氢气需求总量约为3300万t，占全球氢能需求的1/3。据预测，2030年我国将逐步构建起涵盖交通运输、工业和电力等领域的多元氢能应用环境。2060年国内氢气需求将达到83.0Mt，占终端能源消费总量的10%以上[13]。
2023年我国超过95%的氢气用于石化、合成氨、合成甲醇和煤化工等产业，工业用氢规模大、长期稳定。当前工业用氢多为就地制取或短距离输送的灰氢，利用管道、长管拖车或液氢槽车等储运。预计到2060年绿氢能够占工业用氢总需求的70%以上，工业绿氢需求将达到9100万t。
1.2交通运输用氢
交通运输领域是全球碳排放的第二大排放源，约占总量的25%。交通运输领域同样可以利用氢能脱碳，实现双碳目标。预计到2050年，交通运输领域用氢可达2458万t，约占总需求量的40%。交通运输领域用氢按照空间划分，可以分为地面交通用氢、水面交通用氢和空中交通用氢3大类[19]。
地面交通用氢主要包括氢燃料机车[20]和氢燃料汽车，水面交通用氢包括大型运输船、舰艇和潜艇等场景，空中交通用氢主要包括航天、航空和无人机等场景。在氢燃料汽车方面，截至2022年，全球主要国家氢燃料电池汽车保有量为67488辆，我国占18.2%，保有量约为12306辆，《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》中提到，到2025年燃料电池汽车保有量将达到5万辆，部署建设一批加氢站，健全绿色低碳标准体系。在氢燃料机车方面，其市场潜力巨大，世界各国已纷纷布局研究，氢燃料列车的大规模使用，势必会引起氢气需求的大量增加。
1.3其他用氢
供热、建筑[21]、储能[22]、电力等领域也有巨大的用氢潜能。英国、德国和荷兰等国在天然气掺氢发电、供热方面已有相关研究与应用。氢气还可以作为储能物资，利用未消纳的绿电制取氢气，在电力不足时通过氢燃料电池发电。宁波慈溪氢电耦合直流微网示范工程年产氢60万m³，助力消纳新能源超过400万kW·h[23]。制氢是电力领域解决新能源消纳的重要途径，氢气还可以用来实现电网调峰和储能[13，24]，优化电网结构，提高电力安全。
2氢气储运技术
2.1高压气态储氢
最常见的高压气态储运技术为管道储运氢气技术和长管拖车储运氢气技术。另外，也有研究人员致力于地下储氢研究，通常选择盐穴、枯竭油藏、天然气储层等空间[10，25]，这些空间已经在地质和时间尺度上证明了其储气能力，但该储氢方式受地理环境的制约[26]。
2.1.1管道储运氢气
管道储运氢气具有运输量大和能耗小的优势，但存在建设成本和维护成本高的困境。管道运输介质单一，适合“单点对单点”的用氢场景，常见于石化行业。氢分子很小，具有很高的流动性，容易造成管道“氢脆”，严重制约着输氢管道的发展[27-29]。尽管将氢气与天然气混合运输可带来许多益处，但这些较高比例的混合物对管道材料、安全和最终用途改造等方面提出了许多挑战[30-31]。我国主要运营或在建输氢管道项目如表1所示。
欧美管道运输氢气的历史较早。截至2023年，全球范围氢气输送管道已超过5500km，美国输氢管道超过2600km，欧洲输氢管线超过1600km。并且，欧美的氢气管线仍在进行大规模扩建，欧洲氢气主干计划(European Hydrogen Backbone，EHB)提出到2040年，欧盟氢气管线将达约4万km，2040年欧洲氢骨干网如图1所示。欧美的输氢管线一部分为专门的输氢管线，另一部分为原来的天然气管线升级改造为输氢管线。可以看出，欧洲各国都非常重视氢气管道的建设。欧美的管道建设起步较早，管线较长，布局建设也较快，规模较大。然而，我国管道建设起步较晚，体量较小，进行大规模建设的成本非常高[32]。
2.1.2长管拖车储运氢气
长管拖车储运氢气是常见的高压气态储运技术。长管拖车适合短距离、小规模的氢气储运，灵活性好，但不适合长距离、大规模运输，运输距离越长，成本越高[10，25，28]。长管拖车气瓶压力一般为20Mpa，35MPa或70MPa[11]。当压力在20~70MPa时，压力增大50%，气瓶储氢量可以翻倍，压力越大，储氢量也越大。但当压力达到70MPa后，继续增大压力，储氢量则增大不再显著，而能耗大幅度增加。
2.2低温液氢储运
在25℃标准大气压下，液氢的密度为该条件下气态氢的845倍，这意味着液氢的体积能量密度远远高于气态氢气。Faye等[30]对氢气液化过程进行了详尽的描述，展示了氢气液化的特点和细节，提出了液氢相比于气态氢的优势，液氢储运还需要解决液化成本及安全等问题。低温液氢储运可以有效解决氢气体积密度低的问题，但氢气液化需要消耗大量的能量，氢气液化耗能能够达到自身热值的30%以上。液氢还存在同分异构现象，液氢吸热会引起氢沸腾，导致氢气损失，还可能使储氢容器失稳[17]。
2.2.1氢气液化技术
根据液化原理不同，氢气液化技术可以分为：焦耳-汤姆逊膨胀、克劳德膨胀、布雷顿循环、磁制冷、热声制冷和两级混合制冷剂循环制冷等[30，33]。Aasadnia等[34]对氢气液化的历程进行了详细回顾，分析对比了常见几种氢气液化方法及其经济性差异。Zhang等[17]对液氢进行了详细回顾，从氢气制取、液化、储运和应用等整个供应链进行研究。Cardella等[35]通过对比传统日产5t的液化氢和日产100t的液化氢工厂，发现规模增大20倍后，平均能耗降低约67%。氢气液化的规模越大，液化耗能就越低，节能效果显著[11]。还可利用混合制冷剂进行制冷，混合制冷剂更适合氢气液化过程[36]。各种氢气液化技术比较[17，25，27，33，35-37]如表2所示。
2.2.2氢气液化装备
低温液氢槽车是短距离储运液氢的主要方法，远洋船舶储运液氢是海上长距离运氢的主要方法[10，38]。汽车储氢罐每天的排气率约为1%~2%。液氢从储罐转移到低温槽车，这些槽车配备有隔热罐[27]和降压系统，可在运输过程中保持低温和低压。液氢在储运过程中通常会因为热分层和液压变化等，导致液氢气化损耗，保持液氢低温槽车压力在合理区间直接关系到液氢储运的安全性[35]以及运输成本[39]。氢气液化成本则占总成本的30%~40%，压缩氢气的能量损失约为10%[10，18，33]，氢气液化所需的能量是天然气的10倍[36]。实际上通过液氮冷却和压缩氢气的耗能在10~15kW·h/kg，氢气液化需要的能耗相当于自身热值的1/3[34]。
因此，要实现液氢的大规模储运，必须解决液化能耗高和储运安全问题。开发安全系数高、能耗低的氢气液化技术和装备非常关键，应充分利用液氢再气化的高品位冷能，增大液化规模和选择合适制冷剂，从而降低综合成本。
2.3有机液体储氢
有机液体储氢是利用氢气与化学物质结合，进行储存、运输和释放的方法。烯烃、炔烃、芳烃等不饱和液态有机物均可作为储氢介质进行氢气储存[40-41]。有机液体储氢安全稳定、储氢能力大、循环介质可多次使用，但该方法也存在脱氢温度高、能耗大、储氢效率低等问题[30，42]。
2.4固态储氢
固态储氢是利用物理或化学吸附将氢气储存在固体材料中的方法，根据结合方式可以分为化学吸附储氢和物理吸附储氢。物理吸附储氢材料主要有金属氢化物、金属有机骨架化合物(Metal Organic Framework，MOFs)、碳纳米管、沸石等比表面积较大的多孔材料[27]，利用多孔材料吸附性储氢。化学储氢是将氢气转化为化合物进行储存。固态储氢具有体积储氢密度高、安全性好、储存时间长等优势，但氢气吸附或脱附过程的能耗较高，动力学和热力学性能差[43]。目前固态储氢仍处于研究阶段，尚未实现商业化。
2.5氢气储运方式对比
氢气的储运方式应当结合制氢方式、储运规模和应用场景等因素进行分析选择。各种氢气储运方式都有各自的适应范围和优缺点，各种储运氢气方式对比[30]如表3所示。
长管拖车的储运距离不超过400km时，比液态氢储运更具经济优势。当储运距离超过400km时，液态氢的储运成本比高压气体氢气储运更低，且随着距离的增加，液态氢储运成本的优势更加显著。但结合国内管道建设实际情况，我国尚无成熟的氢气管网，难以满足陆地大规模、长距离氢气储运需求。
3铁路运输氢气可行性分析
3.1铁路储运氢气的前瞻性分析
3.1.1经济及社会效益潜力
氢气成本是氢能大规模应用的关键因素之一，储运成本占氢气总成本的30%~40%，储运成本降低能够助力实现双碳目标，还可以带动相关产业发展，推动科技创新和技术进步。发展氢能对铁路行业意义重大。一方面，双碳背景下化石能源消费占比将逐渐下降，新能源需求不断增加，煤炭、原油等化石燃料运载量对我国铁路货运收入有较大影响，需要提前布局，寻找新货源；另一方面，推动铁路储运氢气相关研究，能够带动氢能相关产业发展，促进铁路氢能储运装备研发及应用，加快完善铁路储运氢气相关标准及制度体系。
3.1.2铁路储运氢气技术创新
铁路储运氢气技术是氢能基础设施的一个重要组成部分，主要包括液氢储罐、液氢列车、装卸设施、无损储运、安全体系等。
液氢储罐按照使用形式可分为固定式和移动式。铁路采用移动式液氢储罐进行储运，相比于固定式液氢储罐具备一定的抗冲击强度。储运过程中，铁路液氢储罐需要满足强度高和绝热性好的要求，确保氢气不发生沸腾和泄漏。液氢和液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)性质类似，液氢列车可以仿照LNG列车进行设计制造。液氢列车需要满足铁路安全运输要求和危化品管理要求，在储运和装卸过程中规范操作，保证运输安全。液氢储罐还需要满足无损储运的要求，主要通过液氢储罐的绝热性能和催化剂实现。正仲氢的高效催化剂能够减少正仲氢转化，优良的绝热材料能够减少液氢跟外界的热量交换，降低沸腾率，减少液氢损失。此外，运输过程中可以依靠智能监控与安全系统，对氢气罐车进行实时监控，密切关注储罐压力变化，预警潜在风险。针对液氢失压、泄漏、极端碰撞等异常情况，建立相关安全预案与应急处置办法，确保储运安全。
3.2影响铁路储运氢气因素
制约铁路储运氢气发展的因素主要包括国家政策、行业标准、技术难题和基础设施建设等。
3.2.1国家政策
氢能产业尚处于起步阶段，难以实现“制取—储运—应用”全链条自主盈利，需要国家政策鼓励氢能产业全链条发展。化石燃料来源的氢气可以实现正向经济收益，但会带来严重的生态问题。可再生能源产生的绿氢成本与用氢价格产生倒挂，这严重阻碍了氢能产业发展。
国家需要加强氢能产业发展顶层设计，有序发展，对氢气“制取—储运—应用”全链条中的薄弱环节给予政策扶持，促进氢能产业逐步实现自主盈利。例如，对用氢终端进行价格补贴，氢能源汽车免高速费，氢能源汽车免税等。当前商用车已经能够实现全生命周期成本低于燃油车。在制取氢气方面，出台相关政策，给予相关企业财政补贴或税收优惠，降低制氢成本。在储运氢气方面，积极推动铁路储运氢气研究，实现陆地长距离、大规模氢气储运。随着国家政策对氢能产业的扶持，铁路储运氢气安全性和经济性的进步，铁路储运氢气必将成为氢能源产业链条上重要的一环。
3.2.2行业标准
氢能相关标准是氢能产业发展的基础，世界各国都重视氢能标准建设工作。国内外关于液氢储运相关标准如表4所示。
表4可知，美国、德国、韩国、日本等发达国家液氢标准较为完善，并且其国家标准与国际标准接轨，标准大多与车辆、储氢罐、阀门等设备及器件密切相关[44]，上游制氢和下游用氢的衔接较好，体系相对完善[45]。我国液氢标准现行液氢储运标准较少，难以满足日益增长的民用液氢需求，这使得制定与时俱进的液氢储运相关标准成为现实需要[44]。因此，要破解制氢与用氢之间的储运壁垒，必须尽快完善氢气储运标准体系，并做好国际标准接轨工作，努力增强铁路液氢储运标准领域的话语权与影响力。
3.2.3技术难题
铁路储运液氢的技术难题主要包括储氢容器、液氢列车、基础设施建设及安全运输管理办法等。安全是铁路运输的重中之重，是铁路运输的前提与基础。铁路储运氢气的安全性由储氢容器、液氢列车和装卸装置等基础设施和安全运输管理办法共同保障。
储氢容器是铁路储运液氢中最重要的设备，要求绝热、密封和高强度。国内外液氢公路运输已较为成熟，查特中汽深冷特种车(常州)有限公司、川崎重工业株式会社等公司均有成熟的液氢公路罐车产品[46]。我国液氢储罐制造技术也取得了长足进步，查特中汽深冷特种车(常州)有限公司研发的卧式液氢储罐如图2所示，中集安瑞科控股有限公司研发的液氢罐箱如图3所示。
铁路液氢储运与公路液氢储运存在较大差异，液氢储罐、运载工具、装卸设施及液氢泵、阀门等设备均需要进行适应化改造。液氢储罐设计方面，需从形状、结构、材料等多方面进行考虑[47]，铁路储罐容积和形状较为固定，通常为100m³左右，扁圆柱体型式，容易装卸，安全高效便捷，最常见的罐体材料为奥氏体不锈钢等合金，但合金材料容易产生氢脆现象，需进行改性或涂层减少氢脆现象，定期进行质检，确保储运安全；碳纤维复合材料罐体具有质量轻、强度高、抗冲击性好且不存在氢脆的优点，也是铁路液氢储罐的研究方向。液氢列车设计方面，液氢与液化天然气性质类似，可参考液化天然气列车设计液氢列车，液氢列车需要在常规列车的基础上增加压力监测系统、安全排放系统、吹扫系统和装卸系统等；还应与装卸设施兼容，便于液氢储罐转运，可采用液氢储罐式集装箱提高装卸效率，实现多式联运；氢气的液化温度需达到-253℃，且氢分子较小，容易对金属结构产生显著影响，故液氢泵、阀门、管件等设备及部件也是制约液氢储运的技术难题。安全性方面，需要针对液氢特点和可能出现的突发情况制定相关措施，如应保证液氢储罐装卸安全，消除掉落、泄漏和松动等安全隐患，建造装卸设施和建立安全操作规范；液氢运输过程中应防止泄漏、罐体失稳、绝热失效以及猛烈撞击等异常情况，建立相关安全预案。
3.2.4用氢成本
长管拖车储运成本主要包括设备购置费、设备折旧费、燃料费、人工费、保险费和维修等费用。长管拖车储运氢气成本对距离非常敏感，这是因为长管拖车的燃料费和人工费占比较高，距离越长，燃料消耗越大，运输成本越高。管道储运氢气成本主要为征地、管道建设、维护费用、设备购置等费用。长管拖车运输距离在400km以内，压强20MPa以上时，储运成本在2~10元/kg。当运输距离超过400km时，管道氢气储运成本迅速增加。液氢储运对距离不敏感，液氢槽车的储运成本构成与长管拖车类似，但液氢的体积能量密度是长管拖车的数倍至数十倍，储氢能力更强，平准化储运成本更低。以液氨介质计算为例，运输距离为1000km时，氢气的平准化储运成本仅为1.35元/kg。利用铁路进行长距离、大规模氢气储运具有较强经济优势。
不同氢气储运方式在不同场景下经济效益差异显著。当运输距离在400km以内，小规模氢气储运更适合长管拖车，大规模短距离的氢气储运更适合管道。当运输距离在400km以上时，利用铁路进行大规模氢气储运经济性更好。
3.2.5基础设施建设
按照储运阶段划分，铁路液氢储运的基础设施包括储存设施、液氢装卸设施、储运配套设施和应急安全设施等。
储存设施是指液氢在装车前和卸车后进行储存的基础设施。液氢储罐存放需要满足安全要求，应该科学设计液氢等危化品存放地点及管理办法，确保储存安全。
液氢装卸设施是指利用铁路列车装载液氢储罐的基础设施。列车发车前及到站后，利用液氢装卸设施将液氢储罐装卸，可以利用液氢罐箱实现公铁联运。企业也可以自备专用液氢列车在制氢工厂装载氢气，安全检查后通过铁路专用线接入干线铁路[48]。
储运配套设施是指液氢储运过程中列车配备的压力检测系统、安全排放系统和吹扫系统等基础设施。这些系统可以借鉴铁路储运液化天然气或公路液氢储运的相关经验，但应结合铁路特点进行适应性改造。
此外，还需要建设相关安全应急设施，建立安全运输规范和标准等，充分考虑各种可能的异常和突发状况，如液氢储罐发生泄漏、着火和罐体失稳等，以及改造线路以满足铁路储运液氢要求。
4研究结论与展望
通过梳理氢气应用场景及各种储运技术的储运规模、储氢密度和储运距离等因素，可以看出陆地大规模、长距离(大于400km)的氢气储运方式处于空白，这极大地制约了氢气储运的发展，故研究提出可利用我国发达的铁路网储运氢气，并对铁路储运氢气做了前瞻性和可行性分析，探究铁路储运氢气的发展方向及制约因素，提出具体研究结论如下。
（1）氢气主要应用于工业领域和交通运输等领域，氢气需求不断增加，潜力巨大。但陆地大规模、长距离氢气储运方式处于空白阶段。铁路运输具有规模大、距离远、成本低和速度快等优势。铁路运输具有固定线路和严格的安全制度，安全性更高。铁路储运氢气还可以灵活调配储运规模，经济效益良好。
（2）当运输距离在400km以内，长管拖车适合小规模氢气储运，管道适合大规模“单点对单点”的氢气储运，这两种方式的平准化储运成本均不超过10元/kg。相同运输条件下，铁路液氢储运成本更低，经济优势显著。当运输距离在1000km以上时，铁路储运液氢成本进一步降低，平准化储运成本仅为1.35元/kg。
（3）铁路储运液氢需要国家政策的大力支持，建立相关标准体系。液氢储罐需要满足强度高、绝热性好和防氢脆等要求，合金类储罐和碳纤维储罐的防氢脆、防泄漏、抗冲击、防燃爆性质是研究重点。液氢列车可以借鉴液化天然气列车设计，但要进行适应性改造。铁路储运液氢还需要完善基础设施建设与安全运输规范。液氢储存、装卸及配套设施是液氢安全储运的重要保障。应充分考虑各种可能的异常情况，建立安全预案，满足铁路储运液氢需要。
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