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氢气基础设施

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输送氢气的管道

氢气基础设施（英语：hydrogen infrastructure）是氢气输送管道、氢气生产（英语：Hydrogen production）设施和用于分配以及销售氢燃料的加氢站共同组成的基础设施， [1]此基础设施是让氢气燃料电池技术能成功商业化的先决条件。[2]

一间位于斯洛文尼亚，以蒸汽重整法由天然气中萃取氢气，名为Belinka Perkemija的工厂（2015年）。

氢气基础设施中的管道及加氢站负责输送及分配氢气。不靠近氢气管道沿线的加氢站将透过氢气罐、氢气管式拖车（英语：compressed hydrogen tube trailer）、液氢拖车（英语：liquid hydrogen trailer）、公路液氢罐车、货柜式液氢罐（英语：Liquid hydrogen tanktainer）或是现场生产设备取得氢气。

管道是长距离运输氢气最便宜的方式。在大型炼油厂中必然有氢气管道存在，氢气被用于裂解原油，成为石油燃料。 国际能源署（IEA）建议利用现有工业港口进行氢气生产，经由现有天然气管道进行输送，以及进行国际合作和运输。[3]

截至2019年，缺乏国际性电网连结的韩国和日本[4]正进行氢经济投资。[5]日本福岛氢能研究厂（英语：Fukushima Hydrogen Energy Research Field）于2020年3月启用，号称是全球最大的氢气生产设施。[6]整个厂地大部分都布满太阳能光电阵列，所生产的电力，加上来自电网的电力，用于电解水来生产氢燃料。[7]

输送氢气网络

氢气公路

氢气公路是沿途配备有一系列加氢站和其他基础设施，让以氢气作为燃料的车辆得以顺利运行的道路或是高速公路。

加氢站

不靠近氢气管道沿线的加氢站将透过氢气罐、氢气管式拖车、液氢拖车、公路液氢罐车、货柜式液氢罐或是现场生产设备取得氢气。也有像ITM能源之类的公司提供一般家庭在家自制氢气（用于乘用车等用途）的解决方案。[8] 美国加利福尼亚州、欧盟一些成员国（其中德国尤为积极[2]），日本（也甚为积极），正透过政府支持的扩大氢燃料基础设施的活动。

管道运输

所谓氢气管道运输是透过管道运输氢气。此类管道将氢气生产点（或配送点）与需求点连结，管道运输成本与运输压缩天然气（CNG）类似，[9]是一种业经验证的技术，[10]然而，氢气的生产设施分布稀疏，目前是每隔50到100英里（80至161公里）会有一座工业生产设施。[11]截至2004年，美国建有有900英里（1,448公里）的低压氢气管道，欧洲建有有930英里（1,497公里）的低压氢气管道。

根据一份于2024年4月发表的报导，美国已有1,600英里(2,570公里) 的氢气管道，全球则有2,800英里 (4,500公里)的。[12]而根据一份由世界经济论坛于2023年12月发表的报告，欧洲已约略有1,600公里的氢气管道，而奥地利、德国和意大利正规划跨越三国，总计3,300公里的新管线。[13]

所谓氢脆（由于金属吸收氢而导致延展性降低）对于氢气管道来说不是个问题。只有"可扩散氢" ，也就是氢原子或氢离子才会引起氢脆。然而氢气是分子 (H2)，将氢分子分裂成原子需要非常大的活化能，通常不易发生。[14]

作为再生能源载体

美国国家再生能源实验室认为美国各郡县有潜力生产比该国于2002年消耗汽油更多的再生氢气，以供燃料电池车辆使用。[15]

透过水电解产生的氢气作为一种能量载体，与地下储氢或其他大规模储存技术相结合，在解决风能或太阳能发电所具的间歇性问题方面能发挥重要作用。[2]

氢气工厂

目前全球98%的氢气采蒸汽重整法生产，[16]也有少数使用水电解等方法生产。[17]据称目前全球最大的水电解氢燃料生产设施[18]是福岛氢能研究厂(FH2R)，这是一座10百万瓦级氢气生产工厂，于2020年3月7日在日本福岛县浪江町落成。[19]整个厂地大部分都布满太阳能光电阵列，所生产的电力，加上来自电网的电力，用于电解水来生产氢燃料。[18]

管道运输氢气

历史

  • 1938年 - 于莱茵-鲁尔都会区装设的第一条氢气管道（长度240公里（150英里））由普通钢管制成，压缩氢气压力为210–20巴（21,000–2,000千帕（kPa）。一巴接近一标准大气压力），直径250–300毫米（9.8–11.8英寸）。迄今仍在运作。[20][21]
  • 1973年 – 于法国伊斯贝格架设的氢气管道（长度30公里（19英里））。[22]
  • 1985年 – 将上述法国管道从伊斯贝格延伸至比利时泽布吕赫
  • 1997年 – 再从泽布吕赫连接到荷兰鹿特丹
  • 1997年至2000年：于美国有2氢气网络开发，一条位于德克萨斯州圣体市（位于墨西哥湾岸边）附近，另一条将弗里波特（也位于墨西哥湾岸边）和德克萨斯城（港口城市）连结。
  • 2009年 – 美国氢气生产商Air Products增建一条37英里的管道，将两端既有管道连结，产生一条从 普拉克明到查尔梅特（两地均位于路易斯安纳州），长度达到150英里（240公里）的氢气管道。[23]

经济学

表一：氢气管线口径估算，源压力为1,000psi，末端压力降为300psi。

氢气管道将氢气从氢气生产点（或配送点）运送到需求点。氢气管道运输已是成熟技术，[24][25]且成本与输送CNG相似，[26]大多数氢气是在需求发生的当地生产，通常每隔50至100英里就有一工业生产氢气设施。[27]

管道

对于压力高达7,000磅/平方英寸（psi，等于48百万帕（MPa））的金属管道，首选为由最大硬度为80洛氏硬度的高纯度不锈钢制成，这种材料的硬度相对较低，但韧性较好。[28]过高的硬度会导致材料变脆，容易产生裂纹，较不安全。

以下复合材料曾经过评估：

由碳纤维强化聚合物及玻璃或金属材料包覆的热塑性塑料制成的管材受到进一步的研究。[31][32][33][34]

通常透过钢管输送氢气不会导致氢脆。[35]氢气通常储存在钢瓶中，并未出现问题。煤气（也称为城市煤气）中含有50%的氢气，在过去半个世纪中一直经由铸铁管道输送，也没出现脆化问题。

已建成管道

表二：氢气管线口径估算，源压力为3,600psi，末端压力降为300psi。
  • 迄2004年 - 美国有900英哩（1,400公里）低压氢气管道[36][37]
  • 迄2004年 - 欧洲有1,500公里（930英里）低压氢气管道。[38]

而在2023年迄2024年初，全球已有4,500公里的管道，美国有近2,600公里，[12]欧洲有1,600公里，且欧洲有三国正规划兴建跨国性，长度达3,300公里的氢气管道。[13]

氢气公路

所谓氢气公路是沿路配备有一系列加氢站和其他基础设施，让以氢气作为燃料的车辆得以顺利运行的道路或是高速公路。[39]曾于2001年-2006年期间担任福特汽车董事长的小威廉·克莱·福特（英语：William Clay Ford Jr.）表示，基础设施不足是阻碍燃料电池汽车受到普遍使用的三个因素之一（另外两个是成本高和无法大量生产）。[3]

供应问题、成本与污染

加氢站通常有诸多的机会利用液氢载具（罐车、拖车等）从氢气供应商取得氢气。[40]万一氢气供应设施作业中断，就会导致多个加氢站暂停营业。[41]估计建造一座加氢站的成本在100万至400万美元之间。[42]

截至2019年，98%的氢气是将天然气经蒸气重整后而得，此过程中会排放大量的二氧化碳。[16]目前大部分的氢气也是透过车辆运送，过程中会使用石化燃料，因而增加温室气体的排放。[40]

加氢站

加氢机

加氢站既储存氢气，也为需要氢气燃料者提供氢气。[43]氢气销售按重量计价。[44][45]常用的加氢压力有两种：H70（700巴），以及旧标准H35（350巴）。[46]而截至2023年底，全球加氢站已增至921个，但分布甚不均匀：集中在东亚的中国、日本与韩国，中欧及美国的东西两岸。其他的地方甚少见。[47]

输送方式

加氢站有两种：离站式加氢站和在站式加氢站，前者的氢气由外部供应，例如透过卡车或管线运送而来。后者为在站内设置氢气生产设备，经压缩后提供给需要者。[48][49]

加氢站类型

家用加氢站

家用加氢站自行生产氢气。[50]有一款制氢机每天可生产12公斤氢气，售价为325,000美元。[51]

另有家用太阳能发电水电解制氢机，由太阳能光电面板、电力转换器、净水器、电解槽、管道、氢气净化器、[52]氧气净化器、压缩机、[53]压力容器[54]和氢气输出装置组成。[55]

氢气燃料缺点

不稳定

氢燃料因为燃点低，燃烧能量高，而且很容易从储槽泄漏，具危险性。[56]有加氢站发生爆炸的报导。[57]

供应

加氢站通常利用液氢载具（罐车、拖车等）从氢气供应商运送氢气。若是氢气供应设施作业中断会导致多个加氢站暂停营业。[58]

成本

参见：氢经济 § 用途

全球的加氢站数量远比加油站为少，光是美国于2004年就有168,000个加油站。[59]在美国建设氢燃料基础设施以取代石油基础设施估计将花费5,000亿美元。[60]建造一座加氢站的成本在100万至400万美元之间。[61]相较之下，纯电动汽车可利用家中或公共充电器充电。截至2023年，美国有超过6万个公共充电器，超过16万个家用充电器。公共2级充电器（美国大多数公共充电器均为此类型）的成本约为2,000美元，而直流快速充电器（美国有超过30,000座）[62]的成本通常在100,000至250,000美元之间，[63]特斯拉超级充电器的成本估计约为43,000美元。[64]

加气枪冻结问题

加氢的时候，超冷的氢气会让加气枪上出现一层霜，严重的话还会把加气枪冻结在车辆进气口上。[65]

加氢站全球分布

德国永续能源及替代能源顾问公司Ludwig-Bölkow-Systemtechnik追踪全球加氢站的建置，并为此发布分布图供大众参考。[66]

亚洲

全球迄2019年底共有330座公共加氢站投入营运（加氢站总数为432座）。[67]

位于日本东京都江东区有明的一座加氢站。

日本在2012年有17个加氢站，[68]到2021年已有有137个公共加氢站。[46]截至2023年5月，日本有167个营运的公共加氢站。[69][70]

截至2020年底，中国已建成118座加氢站。[71]到2023年底，中国运作中加氢站的数目已增至354座。[72]

韩国于2019年共有33座公共加氢站。[67]然而到2023年11月，由于氢气供应问题和加氢站设备破损，该国大多数加氢站已不再供应氢气。[73]于该国的159座加氢站中，有41座列为开放运作，其中一些以配给方式供应氢气。[74]

欧洲

欧洲在2019年共有177座加氢站，[67][75][76]到2023年底已增至265座，其中德国拥有105座。[47]同一时间内，全球的加氢站总数已达921座。[47]

截至2020年6月，德国有84座公共加氢站，[75]法国有5座，[75]冰岛有3座，[75]意大利有1座、[75]荷兰有4座、[75]比利时有2座、[75]瑞典4座、[75]瑞士有3座[75]以及丹麦有6座。丹麦唯一的加氢站营运商Everfuel于2023年宣布将该国所有公共加氢站关闭。[77][78]

截至2021年6月，挪威有2座公共加氢站，皆位于首都奥斯陆。[79]自2019年6月桑维卡加氢站（位于该国东南部，距离奥斯陆约15公里）发生爆炸以来，氢气汽车在挪威的销售已经停止。 [80]Everfuel于2023年宣布关闭在挪威的两座公共加氢站，并停止开放使用第三座。[77]

截至2020年6月，英国共有11个公共加氢站，[75]但截至2023年，数量已减少至5座。[81]壳牌于2022年将位于英国的三个加氢站关闭。[82]

北美

加拿大

截至2023年7月，加拿大共有10座加氢站，其中9座对外开放：

美国

截至2024年7月，美国共有54座公共加氢站，其中53座位于加州，[62]1座位于夏威夷州。[62]

  • 加州：目前尚不确定州政府是否对加氢站持续提供资助。[85]壳牌于2023年9月宣布关闭位于该州的加氢站，并停止增建加氢站的计划。 [86]于2024年，据报因氢气短缺和加氢站性能不可靠，"南加州大部分的加氢站处于关闭或缩短营业时间的状态"。[87]
  • 夏威夷州于2009年在希卡姆（当地有美军珍珠港-希卡姆联合基地）开设第一座加氢站。[88][89]Aloha汽车公司于2012年在檀香山开设一座加氢站。[90]然而截至2023年4月，夏威夷仅有一座公共加氢站在运作。[62]
  • 密歇根州：福特汽车和空气产品公司于2000年在密歇根州迪尔伯恩开设北美第一座加氢站。[91]但截至2023年11月，密歇根州并无运作中的公共加氢站。[62]

大洋洲

澳大利亚第一座公共加氢站于2021年在堪培拉开业，由公用事业公司ActewAGL（英语：ActewAGL）营运。[92]

氢气罐

一辆本田FCX燃料电池车上的氢气储存罐。

氢气罐（hydrogen tank，其他英文名称有hydrogen cartridge，或hydrogen canister）用于储存氢气。[93][94][95]第一个用于充填700巴（70百万帕，或10,000磅/平方英寸）压缩氢气的IV型氢气罐于2001年上市，第一批配备IV型氢气罐的燃料电池汽车款式有丰田FCHV（英语：Toyota FCHV）、梅赛德斯-奔驰F-Cell（英语：Mercedes-Benz F-Cell）和通用HydroGen4（英语：GM HydroGen4）三种。

低压罐

针对不同的应用会开发不同的氢气储存容器。最近，Hy-Can[[96]联盟推出小型，容量为1升、10巴（1.0百万帕，或150磅/平方英寸）规格的容器。 新加坡氢燃料电池制造商Horizo​​n Fuel Cells Technologies（英语：Horizo​​n Fuel Cells Technologies）现正销售一款名为HydroStik，可重复填充的金属氢化物储氢罐（3百万帕（30巴，或440磅/平方英寸）），针对的是消费者市场。[97]

I型

  • 金属罐（钢或铝材质）
  • 约略最大压力：铝罐 - 175巴（17.5百万帕，或2,540磅/平方英寸），钢罐 - 200巴（20百万帕，或2,900磅/平方英寸）。

II型

III型

  • 由复合材料制成，外层为玻璃纤维/芳香聚酰胺纤维或碳纤维，内衬金属（铝或钢）。
  • 约略最大压力：铝罐/玻璃纤维 - 305巴（30.5百万帕，或4,420磅/平方英寸），铝罐/芳香聚酰胺纤维 - 438巴（43.8百万帕或6,350磅/平方英寸），铝罐/碳纤维 - 700巴（70百万帕，或10,000磅/平方英寸）。

IV型

丰田Mirai氢燃料车的氢气储存罐。Mirai的日文汉字为"未来"。

V型

  • 全复合材料,且无内衬储罐。 美国科罗拉多州的Composites Technology Development公司于2010年为一卫星应用建造一原型罐，其工作压力仅为200磅/平方英寸，且用于储存氩气（而非氢气）。
  • 约略最大压力：1,000巴（100百万帕，或15,000磅/平方英寸）。

储罐测试和安全考虑因素

主条目：氢气安全（英语：Hydrogen safety）

根据气态氢和氢混合物陆用车燃料箱标准 - ISO/TS 15869（修订版）：

  • 爆破测试：储槽爆裂的压力通常大于工作压力的2倍。
  • 耐压：执行测试的压力，通常高于工作压力。
  • 泄漏测试或渗透测试，[99]以NmL/hr/L为单位 (标准氢气升/小时/储罐体积)。
  • 材料疲劳测试（英语：Fatigue testing），通常是数千次充填/排放循环。
  • 篝火测试，将储罐暴露于明火中。
  • 枪弹射击测试，向储罐发射实弹。

上述规范已被ISO 13985:2006 取代，仅适用于液氢罐。

欧盟的规范 - 实际标准EC 79/2009（Actual Standard EC 79/2009）列有关于储罐检测与安全的规定，而实际标准EC 79/2009已于2022年7月被废除，目前适用的法规有Reg. (EC) 79/2009、Reg. (EU) 2021/535与UN Regulation No 134三项，但似乎不算完备。咨询、测试与认证组织TUV南德意志集团敦请业者在欧盟完善法规出台前，对于自己的产品除依循前述三项法规之外，还得参考业界自身的常态及标准。[100]

美国能源部设有一氢气安全最佳实践网站，其中列有关于储罐和管道的大量资讯。[101]资料简洁指出"氢是一种非常小的分子，黏度低，因此容易泄漏。"[102]

金属氢化物储氢

参见：储氢 § 化学储氢

氢化镁

基于镁[103]的氢储存系统（氢化镁）是一种可逆的储氢技术，具有较高的安全性。系统工作压力通常限制在10巴（1.0百万帕，或150磅/平方英寸 ），吸附氢分子过程为放热反应，释放过程为吸热反应，且需用到较高的活化能。[104] [105] [106]

其他氢化物

参见：氢化铝钠

参见

参考文献

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外部链接

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