LNG冷能作为冷链物流业新冷源的回顾与展望

郭风军，刘方然，于怀智，张长峰,*，刘玉岭，孙崇德

（1.山东省农产品贮运保鲜技术重点实验室，国家农产品现代物流工程技术研究中心，山东 济南 250103；2.烟台睿加节能科技有限公司，山东 烟台 264002；3.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；4.浙江大学园艺产品冷链物流工艺与装备国家地方联合工程实验室，浙江 杭州 310058）

随着我国经济的发展，冷链物流市场快速成长，对冷能需求量不断增大。现有终端能源品种中，电力可实现冷能转换，而管道天然气、汽柴油、煤炭、生物质燃料等只能提供热能，太阳能、风能等新能源亦远不能支撑冷链物流所需冷能。作为天然气的一种产品形态，液化天然气（Liquefied Natural Gas,LNG）是气态天然气经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成的低温（-162℃）液体混合物，同时蕴含热能和冷能。LNG主要成分是甲烷，无色、无味、无毒且无腐蚀性，被全球公认为最干净的能源之一，并可规模化配送到终端，成为世界各国重要的战略储备能源[1]。

1 国内外LNG冷能利用的基本情况

世界上许多国家开发LNG冷能利用技术，在空气分离、冷能发电、深冷粉碎、冷冻仓库、空调制冷、制取干冰、低温蓄冷等方面达到了实用化程度[2-3]。日本是较早开展LNG冷能利用的国家之一，利用LNG冷能发电至今已经超过40年[3]。日本东京煤气公司在神奈川县根岸建成基于LNG冷能技术的低温冷库，用于存储-50～-35℃的冷冻食品，这为LNG冷能应用于冷库建设提供了优秀范例。目前，我国LNG接收站和大型水产冷库基本设在港口附近，这方便远洋捕获鱼类的冷冻加工，同时回收LNG冷能为冷库提供冷源也更易实现[4]。2017年以来，国家鼓励发展LNG罐式集装箱多式联运，推动建立从境内外液源地直达终端“一罐到底”液态供应系统。LNG罐式集装箱宜运宜储，市场配置不受管网限制，可达任何区域，在快速形成供热能力的同时，可将其蕴含冷能直供终端，从根本上消除了冷链物流利用LNG冷能的地理空间限制。在提供热能使用时，LNG必须进行气化操作，而重新升温转换为气态过程中吸收热量（包括LNG气化潜热和气态天然气从存储温度复温到环境温度的显热），即释放冷量[5]。通常这部分冷量在天然气气化器中随海水或空气而被舍弃，造成能源的浪费[6]。另外，LNG在运输、存储等环节产生的大量蒸发气需要放空以保证槽车上路安全。目前，尚无有效的槽车放空气回收技术，使得LNG携带的冷能白白地浪费掉，而且对环境造成冷污染和安全隐患。为此，研发回收技术利用LNG冷量，以达到节省能源、提高经济效益的目的。同时，通过跨行业融合集成创新LNG冷能利用高新技术并产业化应用，对于农产品冷链物流行业整体技术进步具有引领带动意义。

2 我国LNG冷能在冷链物流业应用中存在的问题

我国冷链物流利用LNG冷能现处在探索发展阶段，对LNG冷能利用认知度较低。由于缺乏实际落地项目的示范效应，许多冷链企业对LNG冷能利用还存在认知盲点。合理的工艺技术方案是LNG冷能利用竞争力的核心因素[6-7]。利用LNG冷能作为农产品冷链物流业新冷源，在我国属于开拓性的新型产业。尽管在一定程度上可以借鉴国外的发展模式，但是我国的能源消费结构、消费市场和工艺技术水平与其他国家仍存在较大的差异。因此，我国LNG冷能利用要立足国情，开发相应的新型工艺技术或改良现有工艺技术。在市场配套条件较为完备的地区首先建设工艺技术成熟度高的LNG冷能利用示范项目，逐步探索我国LNG冷能利用的建设和运营模式。在示范工程的成功经验的基础上，有计划、有步骤地科学落实LNG冷能利用项目建设，逐步形成我国农产品冷链物流LNG冷能利用的循环经济产业。

2.1 冷能利用效率低

我国在LNG冷能利用方面起步较晚，当前在该领域仍未有成熟先进的技术[8-9]。即使有少数投入实际生产的单元冷能利用工艺，仍存在冷能利用效率低损大的现象，这致使LNG所携带的大部分冷能没有得到合理利用[6-7,10]。作为我国第一个LNG卫星站冷能利用示范工程，杏坛LNG卫星站冷库冷能利用项目采用双氨制冷循环系统回收LNG冷能，但双氨制冷循环系统协同性差，使得制冷剂易冻结阻塞，冷能供给不足[6]。

梯级冷能利用工艺虽然已经被提出，但未对其进行深入的理论分析与合理的工艺设计，其仍然未能够从根本上解决LNG冷能利用效率不高等问题。如深海捕捞的金枪鱼必须储存在-55～-50℃的冷库，传统的冷库采用多级压缩机和螺杆式制冷装置维持冷库的低温，电耗很大；但采用LNG冷量作为冷库的冷源，将载冷剂冷却到-65℃，然后通过载冷剂制冷循环冷却冷库，不用冷冻机，可以很容易地将冷库温度维持在-55～-50℃，电耗降低了65%，并减少建设费用10%[3]。为有效利用LNG冷能，将-60℃左右的低温冻结库、-35℃左右的冷冻库、0℃以下的冷藏库以及0～10℃果蔬预冷库等按温度梯度串联，可使LNG冷能得到系统化应用。尽管目前利用技术研发有一定成果，但在LNG冷量采集方式与采集地点、热交换方式与装备最优设计、制冷剂与载冷剂优化选配、LNG冷能利用与冷库设备对接以及试验测试条件等方面，亟待形成有利于产业化应用的技术路线和标准规范[11]。产业化技术路线尚未形成。不同领域利用LNG冷能有不同技术路线，冷链物流领域的技术路线主要是集成融合天然气与制冷两个行业的技术装备。由于缺乏跨行业集成创新平台，研发企业分别在各自专业领域开展工作，很难及时把握相关行业最新科技成果，亦难以形成统一技术路线和装备标准。

2.2 经济效益前景不明确

经济上可产生效益是利用LNG冷能的市场推广基础。与电力制冷成本相比，LNG冷能利用成本是否具有优势，冷能利用设备及改造投入回收期是否经济合理，冷能利用替代量的经济平衡点是多少等成为研究的重要方向[6,12-14]。Yang等[6]认为LNG冷能冷库具有技术和经济可行性，500冷吨（USRT）的冷库投资回收周期预计小于3.5年。Messineo等[13]评估了西西里岛某LNG气化厂为附近食品加工厂提供冷能的可能性，认为冷能销售价格低于3欧元/kWh具有市场价值，且有着极强的节能和环保意义。La Rocca[14]从概念设计出发，通过热力学和经济性分析，认为通过合理的技术路线具有一定的可行性和经济效益，但当冷能价格高于0.20欧元/kWh时，投资回收周期超过10年。

冷链物流企业更多看重冷能利用的装备投入承受力和实际经济效益。如果无法取得与电力制冷的成本比较优势，LNG冷能利用将难以产业化推进。

2.3 资源整合度不高

目前，我国LNG冷能利用项目大部分是接收站以外的其他公司投资建设，与LNG接收站投资主体不同。这导致接收站和冷能利用项目运行不衔接、不协调。同时，国内当前天然气的定价机制为：LNG气化后的售价是按成本加利润上报国家发改委审批而定，接收站不用冷能不影响其经济效益。所以LNG接收站业主把注意力集中在保障上百亿投资项目的稳定和安全运行上，担心冷能利用“副业”对主业（气化供应）有干扰，这极大地限制了大部分LNG冷能的利用。解决上述难题，有赖于我国现有投资管理体制的改革。可将接收站与冷能利用结合为有机整体，使冷能利用项目作为接收站的子公司，或者与接收站为同一个母公司，为发展冷能利用创造条件。

在研发资源方面，现阶段LNG冷能利用未形成市场化需求，导致相关研发资源总量偏少。在研发重点方面，不同研发机构侧重点各不相同，天然气行业主要围绕接收站研发利用技术，制冷行业主要面向冷库研发利用技术。在市场上下游方面，研发机构苦于找不到科研成果应用场景，冷链物流企业则难以找到降低能源成本新技术的路径。如何引导研发资源聚焦冷链物流，畅通科研与产业化应用衔接渠道，需要深入研究探讨。

2.4 存在一定的安全风险

LNG属于2.1类危险品，许多制冷剂也是危险源，因此LNG冷能利用的安全性是重中之重。尽管石化行业和制冷行业具有丰富可靠的安全措施与经验，但两种危险源叠加在一起则将增大安全运行难度。在国家加强安全生产监管大背景下，如何确保冷能利用技术装备及运行管理的安全性，关系到LNG冷能利用技术能否成功推进产业化应用。

3 将LNG冷能作为冷链物流业新冷源的几点建议

突破冷链物流利用LNG冷能瓶颈，对于农业农村产业发展具有绿色能源支撑作用。农产品包括种植业、畜牧业和渔业生产的物品，具有数量大、品类多、覆盖广等特点，是冷链物流产品的主体。同时，农产品加工需要大量热能和冷能。LNG是农业农村能源结构调整的主要替代清洁能源。大力开发LNG冷能产业化利用技术，使之发挥出冷热能共生优势，可在电力之外形成新的冷热能综合利用终端能源，为农产品加工和“产地冷链”等提供区域性、系统性、低成本综合用能解决新方案。

3.1 充分论证

扩大冷能供给，降低能源成本是冷链物流发展新旧动能转换的重要举措。LNG冷能利用技术性强，涉及方面多，安全性要求高，作为新冷源供给模式能否成功建立面临许多不确定因素[15-17]。因此，我们建议相关组织机构进行可行性论证，如邀请专家学者进行专题研讨、召开不同类型专题论证会、开展相关软课题研究等。多渠道对技术性、经济性、安全性等难点问题形成解决方案，以作为行业共同行动的决策依据。在各方面达成可行性共识基础上，启动推进工作，营造良好氛围，形成上下游推进合力，及时向相关政府部门汇报，研究制定相关鼓励扶持政策。

3.2 搭建创新平台

目前，相关研发资源分散，上下游衔接不畅，建议在充分利用相关单位已建立的资源平台、研究系统和科研团队的同时，搭建产学研跨行业集成创新平台，聚焦冷链物流应用研发，加强科技信息共享，促进学科交叉融合，合理配置和高效利用研发资源。由研究机构牵头，组织天然气与制冷行业的相关技术装备研发单位组成冷能利用技术集成创新联合体。尽早在技术路线和相关规范标准方面实现突破，在资源方面形成冷能利用保障机制，组织农产品冷链物流利用LNG冷能课题研究。

3.3 技术攻关

国家和行业应高度重视LNG冷能回收利用问题，特别是应加大这方面的技术与配套装备的研发应用工作[18-20]。例如，可将中小型LNG释放气体时所产生的废冷应用于冷链物流领域，这无论是对冷链物流的发展，还是节能减排均有着十分重要的意义。笔者所在的团队正在开展如下几项研究工作：①基于LNG冷回收的陆海联运绿色保鲜设备及品质控制技术，研制节能环保、智能高效的LNG冷回收的快速冻结、冷藏装置，配套水产品保鲜工艺；②研制基于LNG冷回收蓄冷密度大、流通性好的流态制冰设备，并开展规模化示范应用；③研究基于LNG气化站的高效蓄冷、释冷技术及配套装备，建立单元式移动式能源站，针对不同的冷链模式及用途，开展多温区高效蓄冷技术研究与应用；④针对现有食品冻干设备造价高、利用率低、时间长等问题，充分利用LNG释放的高品位冷能优势，开发LNG冷回收食品冻干设备等。

3.4 选点试验示范

未来可选择的试点示范场景包括：一是冷热源同时需要的冷链企业；二是冷链企业需要冷源，周边企业需要热源；三是与燃气企业合作，为冷链企业提供冷源，LNG气化后输入燃气管道；四是在燃气企业气化站完成冷量采集蓄冷，供应冷链企业需要等。实现冷链物流利用LNG冷能产业化，是一个较为长期的过程，不可能一蹴而就。当前无论采用何种冷能利用技术，都要面对LNG供冷相对不连续的客观现实。因此在冷链物流冷能供给体系中，LNG冷能利用应当定位在补充冷源，即电力供冷之外的“第二冷源”。面向现有单体冷库和冷库集群，屠宰、加工、冷藏等冷链业务集中地，以及现有LNG接收站和气化站，提供电力制冷与LNG冷能利用双冷源供给、LNG热电冷三联供分布式能源以及采集LNG冷量蓄冷等技术与装备解决方案，促进冷链企业通过高新技术应用和技术改造降低能源成本。