基于液氢和氨的氢运输链能效和碳排放分析_刘洪茹.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期基于液氢和氨的氢运输链能效和碳排放分析刘洪茹，林文胜（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）摘要：近年来，氢能利用越来越受到重视。由于“碳中和”目标的提出，中国未来对氢能源的需求将会更大，而挪威拥有丰富的天然气资源和可再生能源，可通过天然气制氢结合碳捕集与封存技术大量供应蓝氢。然而，如何克服长途、大规模运输的困难是一个迫切的问题。本研究以从挪威到中国和欧洲两条路线为例，以能量效率和碳排放强度为研究参数，以液氢和氨两种氢能储运方式为研究对象，选取合理的数据进行理论计算并搭建运输链，绘制出各条运输链的能流图，对两种运输方式进行了比较。结果表明，氨（不裂解）运输链运输到欧洲和中国的能量效率分别是41.6%和33.6%，高于液氢运输链的37.65%和33.38%，而氨（裂解）运输链的能量效率最低，为30.39%和24.83%。在碳排放强度方面，与液氢运输链241.27kg/(MWh)和214.8kg/(MWh)和氨（裂解）运输链216.94kg/(MWh)和183.33kg/(MWh)相比，氨（不裂解）运输链135.87kg/(MWh)和110.76kg/(MWh)的碳排放强度最低。关键词：氢运输链；液氢；氨；能效分析；碳排放中图分类号：TQ116.2 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1291-08Energy efficiency and carbon emission analysis of hydrogen transport chains based on liquid hydrogen and ammoniaLIU Hongru，LIN Wensheng(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract:In recent years,more and more attentions are paid to hydrogen utilization.China will have a greater demand for hydrogen energy due to“carbon neutrality”,while Norway has rich natural gas resources and renewable energy,which can supply a large amount of blue hydrogen through natural gas hydrogen production combined with carbon capture and storage technology.However,how to overcome the difficulties of long-distance and large-scale transport is an urgent problem.Taking Norway to China and to Europe as examples,energy efficiency and carbon emission intensity as research parameters,and liquid hydrogen and ammonia as research objects,this study compared the two transport modes by selecting reasonable data for theoretical calculation,building the transport chain and drawing the energy flow diagram of each transport chain.The results showed that the energy efficiency of ammonia(no cracking)transport chain to Europe and China was 41.6%and 33.6%,respectively,which was higher than that of liquid hydrogen transport chain(37.65%and 33.38%)and ammonia(cracking)transport chain(30.39%and 24.83%).In terms of carbon emissions,ammonia(no cracking)transport chain had lower carbon emissions 135.87kg/(MWh)and 110.76kg/(MWh)than liquid hydrogen transport chain 241.27kg/(MWh)and 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0934收稿日期：2022-05-20；修改稿日期：2022-09-12。第一作者：刘洪茹（1997），男，硕士研究生，研究方向为氢能储运。E-mail：。通信作者：林文胜，博士，副教授，博士生导师，研究方向为液化天然气/液氢。E-mail：。引用本文：刘洪茹,林文胜.基于液氢和氨的氢运输链能效和碳排放分析J.化工进展,2023,42(3):1291-1298.Citation：LIU Hongru,LIN Wensheng.Energy efficiency and carbon emission analysis of hydrogen transport chains based on liquid hydrogen and ammoniaJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1291-化工进展，2023，42（3）214.8kg/(MWh)and ammonia(cracking)transport chain 216.94kg/(MWh)and 183.33kg/(MWh).Keywords:hydrogen transportation chain;liquid hydrogen;ammonia;energy efficiency;carbon emission氢的低热值约为相同质量标准煤的4倍，且燃烧后的产物没有污染和碳排放，是一种高效清洁的二次能源。此外，氢还拥有可储存可运输、应用形式多样等优点，有望成为未来能源的重要组成部分。因此，美国、日本、德国等许多国家已经将氢能上升为国家战略高度1。随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，中国也在进一步推动氢能产业的发展。根据中国氢能联盟的预测2，预计在2060年碳中和情景下可再生能源制氢规模有望达到1亿吨，并在终端能源消费占比中达到20%。注重环保的挪威近年来加大了对碳捕集和封存（CCS）技术的研究，利用天然气产量丰富的优势，挪威可以通过天然气重整制氢结合CCS技术，生产出来的蓝氢只产生很少的碳排放3。除此之外，挪威还在大力发展可再生能源，利用其可再生资源丰富的优势，挪威可以在未来通过可再生能源发电结合电解水的方式生产出零碳排放的绿氢。然而，挪威距离全球和欧洲大陆市场较远，如何克服长距离以及大规模运输氢能的困难成为一个亟待解决的问题。因此，有必要分析几种可用于长距离跨洋运输氢能的方式以及其运输链的能效及碳排放，以便了解技术上需要改进的地方，并在运输时挑选最合适的方式。根据氢气的储存形式可将其储运方式分为高压储氢、低温液氢、液态有机氢载体（LOHC）、氨和固态储氢等方式。虽然氢能储存技术近年来得到了快速的发展，但面对需要长距离和大规模运输氢能的情况，由于储氢密度和成本的限制，并不是所有技术都适用。在上述技术中，高压储氢方式显然不允许用于大型储运设施，而固态储氢方式能量密度太低。液态有机氢载体是利用氢气与有机介质的化学反应，进行储存、运输和释放的一种方式，可以作为氢能载体。标准沸点饱和液氢的密度为常温、常压下气态氢的845倍，其体积能量密度比高压储氢要高出好几倍，从质量密度和体积密度上来看，液氢储存非常适合作为长距离和大规模运输的方式。而氨具有易液化（33）、体积能量密度大、运输储存技术成熟、本身可作为无碳燃料等优点，因而也是一种可用于长距离运输的氢能载体，同时氨本身也可以在大型燃气轮机中直接燃烧，这也是当前大型发电的研究热点方向之一。此前已有学者对氢能的储运进行过研究4-7，而对于适合长距离大规模运输的液氢和氨两种方式，也有很多文献8-13进行了讨论。邹才能等14讨论了氢工业、人工制氢和储氢技术。WE-NET项目15研究了利用水力发电生产可再生氢，并以液氢、氨和甲醇作为能量载体进行运输。Miura等9研究了氨作为能量载体并估计了能量效率、碳排放以及成本。Wijayanta等16对比了液氢、甲基环己烷（MCH）以及氨三者长距离运输的优缺点，并估算了能量效率和成本。Ishimoto等3研究了液氢和氨从挪威到日本的运输链，并对比了能量效率、碳排放以及成本，但其氨运输船并未使用氨作为燃料。在氨利用方面，日本制造商IHI公司通过改造现有的10MW燃烧器10，成功演示了氨和煤的低氮氧化物燃烧。在战略性创新创造项目（SIP）项目17中，还研究了使用燃气轮机实现了氨的低NOx燃烧。Kim等18针对运输船，提出了使用氨作为燃料的动力系统。综上所述，文献研究了不同能量载体并重点关注了能量效率、碳排放以及成本，目前仍有部分局限：首先是大多数研究没有明确供应国和接收国，不同国家可获得的资源和经济水平不同会影响运输链的数据；其次很少有研究是分析大规模运输。因此，本研究以从挪威到中国和欧洲两条路线为例，以能量效率和碳排放强度为研究参数，以液氢和氨两种氢能储运方式为研究对象，选取合理的数据进行理论计算并搭建运输链，绘制出各条运输链的能流图，对两种运输方式进行了比较。1 氢运输链对于长距离大规模氢能运输，本文只讨论基于液氢和氨的运输链，同时以能量效率和碳排放强度为研究参数，其中氨运输链又分为裂解和不裂解（直接用作燃料）两种情况。表1对两种储氢载体的物理性质进行了比较，其中氢质量比指可用氢的质量与载体加氢后的总质量的比值。下面将进一步描述以这两种方式为核心的运输链的细节，主要包括制氢、生产、储存、装卸和运输，选取合理的数据进行计算比较，从而为选择合适的运输方式提供参考。本文建立的模型假设基于对未来氢能发展乐观 12922023年3月刘洪茹等：基于液氢和氨的氢运输链能效和碳排放分析的预测，考虑从挪威（哈默菲斯特）分别运送到欧洲市场（荷兰鹿特丹）和中国市场（浙江宁波），距离分别为2539km和21903km，采用船舶作为运输工具。1.1 液氢液氢运输链包括制氢、液化、储存、装船、海运以及卸船，流程如图1所示。1.1.1 制氢根据制氢工艺原理分类有热化学方法、电化学方法、生物法和光化学法等。目前主要的制氢技术是化石能源制氢，天然气制氢是其中最为经济与合理的。然而即使是天然气制氢，不可避免还是会产生大量碳排放，因此结合CCS技术可以有效减少碳排放。而随着可再生能源发电技术的快速发展，通过电解水制氢和清洁一次电力相结合，可以实现氢能的零碳排放。结合挪威富含天然气资源和可再生能源的实际情况，本文假设氢源的氢气部分是通过天然气与CCS（90%）结合的重整产生的，部分是通过可再生能源（10%）的电解产生的，两者总产量为500t/d，其中CCS的碳捕集率为93%3。其中天然气制氢单耗为0.29kg/m37，可再生能源制氢电耗为4.6kWh/m37，天然气制氢过程中碳捕集消耗的热量为2.9MJ/kg19。1.1.2 液化液氢储运技术的发