储氢场景与氢气储运系统的多维度模式匹配优化研究

摘 要：基于三角模糊层次分析法对不同储氢场景与储运系统的质量储氢密度、体积储氢密度、制备能耗、安全性要求、平均充放氢时间等特征参数进行评价分析；耦合计算经济性分析方法建立不同用氢场景氢气储运系统的多维度模式匹配模型；基于所建立的多维度模式匹配模型对加氢站场景的储运系统的模式匹配进行分析，对不同氢气储运方式进行多维度综合评分，获得不同运输距离以及储氢质量下最优的用氢场景与氢气储运系统的匹配模式。当运输距离较短时，最优储氢方式为低温液态储氢；当中等运输距离和较小储氢质量要求时，最优储氢方式为高压气态储氢；当较大运输距离及较大储氢质量要求时，最优的储氢方式为金属吸附储氢。

关键词：氢能；储氢场景；氢气储运；经济性分析；多维度；模式匹配

中图分类号： TK91 文献标志码：A

氢能高效利用对中国能源转型和变革具有重要意义［1］。中国政府十分重视氢能产业的发展，2021 年正式发布的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确指出统筹推进氢能“制储输用”全链条发展。安全、高储氢密度、低成本的氢气储运技术是实现氢气大规模应用的必要前提［2-3］，也是制约中国氢能产业发展的重要因素。氢气的储存方式可分为高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固体吸附储氢四大类［4-6］。高压气态储氢技术成熟、充放氢速度快、成本较低，但体积储氢密度较低，具有高压安全隐患，不适合人口密度特别大的地区［7-8］；低温液态储氢具有较高的质量储氢密度和体积储氢密度，但液化耗能大、成本高［9］。有机液态储氢（LOHC）所用的有机介质大多与汽油、柴油相近，可利用原有加油站的运输和加注设备，但其脱氢温度高、效率低等问题有待进一步解决［10-11］。德国Hydrogenious Technologies 公司研发的LOHC 储存系统和释放系统已分别在德国和美国示范运行。固态吸附储氢对温度和压力要求较低，具有极高安全性，但吸附材料成本较高限制了其商业化应用［12］。氢储（上海）能源科技有限公司已完成以MgH2 为储氢材料的开发和测试。氢能的陆地运输主要有车载和管道运输两种方式［13-14］。车载运输可以输送气态、液态和固态等多种形式的氢能；管道运输主要输送气态氢气和液体氢。管道运输前期需建设大规模、长距离的氢气管道，初始建设资本较高，更加适合长距离、大规模的氢气运输。有机液态车载输送具有运输方便、安全性较高的优点，但氢气纯度不高。固态合金吸附运输方式具有输氢纯度高、安全性好等优点，但其输运能耗和成本较高，比较适合人口密集的区域以及短距离的氢气输运。

目前文献对不同储氢方式的研究较多，但缺少对储氢系统和储氢场景模式之间模式匹配的研究。在实际应用过程中，需根据储氢场景的特征需求选择合适的储氢方式。不同的储氢场景对储氢系统的性能指标有不同侧重。在交通领域更看重储氢系统的质量储氢密度，而非交通领域对体积储氢密度的要求大于重量储氢密度。在人口稠密的集镇、闹市区，往往希望储氢压力小，储氢方式安全性较高。三角模糊层次分析法被广泛用于构建跨领域评价指标体系。刘金林等［15］利用三角模糊层次分析法解决了动力装置及传动装置需求指标权重求解问题。陈祉如等［16］基于改进层次分析和模糊综合评价方法构建了电能计量系统的综合评价方法。梅强等［17］利用三角模糊层次分析法构建了基层央行内部风险评估模型，定量分析测算了影响基层央行内部风险要素权重。曹代佳等［18］基于模糊层次分析法，建立了压力容器安全状况等级评价体系。

基于此，本文基于三角模糊层次分析法对不同储氢场景与储运系统的质量储氢密度、体积储氢密度、制备能耗、安全性要求、平均充放氢时间5 个特征参数进行评价分析；进一步耦合经济性分析方法建立不同用氢场景氢气储运系统的多维度模式匹配模型，基于该模型对加氢站场景的储运系统的多维度模式匹配进行分析。

1 数学模型

1.1 储氢场景特征参数

为了进行储氢场景和储氢方式的特征匹配，需提取常见储氢场景的特征及其对储氢方式的要求。质量储氢密度和体积储氢密度为不同储氢场景较为关注的特征参数，反映储氢场景的场地大小、能量储存密度的重要特征；氢气具有极低的燃点和很宽的燃烧、爆炸范围，一旦发现泄漏，将造成巨大的人员伤亡和经济损失，因此对于氢气储运过程，安全性是重要特征参数之一。而不同的储氢技术充放氢时间差异较大。在对充放氢速率有一定要求的储氢、用氢场景中，平均充放氢时间也应作为评价储氢方式的标准之一。不同储氢方式对能耗要求差异很大，如氢气液化能耗大，对储氢场景的能源供应要求较高。储运成本和能源供应问题也是重要的特征参数。因此，对于储氢场景，在匹配储运方式时，需从高效、安全、经济这些方面去多维度地考虑。本文选取质量储氢密度、体积储氢密度、安全性要求、制备能耗、平均充放氢时间、储运成本共6 个特征参数来衡量储氢场景的储氢要求。

1.2 模式匹配评分细则

根据储氢方式特征参数的参考数值与储氢场景需要达到的参数值相比较进行评分。当刚好达到要求时，分值设定为8 分。当储氢方式参数参考值达到要求值的1.25 倍时，分值为10 分。有机液态储氢反应原理决定了逆反应脱氢时需要大量热量，反应难度大、能耗高。如果脱氢装置周边有电厂或钢厂等产生废热的工业，可利用废热作为脱氢热量来源，大大减少能耗。当储氢场景周围存在废热时，有机液态储氢的能耗得分为10 分。

质量储氢密度和体积储氢密度评分公式为：

式中：xi—— 评分；Rm、Rv—— 各储氢方式质量储氢密度（kg/kg）、体积储氢密度（kg/m3）参考值（有机液态储氢和金属吸附储氢涉及到各种有机/金属材料，参数波动较大，这里主要参考研究较为广泛的乙基咔唑和MgH2，高压气态储氢主要参考70 MPa 储氢技术）；cm、cv 和E——储氢场景所要求质量储氢密度（kg/kg）、体积储氢密度（kg/m3）、单位制备能耗（美元）。

高压氢气储氢容易发生氢脆现象有泄露风险，低温液态储氢也存在汽化等问题，相对而言危险程度较高。金属吸附储氢和有机液态储氢氢气脱离较为困难，安全程度较高。评分细则为：当储氢场景安全性要求为高时，高压氢气储氢、低温液态储氢、金属吸附储氢和有机液态储氢的分值分别为x4 =2、5、9、9；储氢场景安全性要求为低时，高压氢气储氢、低温液态储氢、金属吸附储氢和有机液态储氢分值分别为x4 =6、7、9、9。

对于平均充放氢时间这一特征参数而言，由于金属固态储氢和有机液态储氢目前仍处于实验室阶段，且都存在脱氢要求较高、脱氢速度较慢的问题。根据相关文献中实验室数据，需在15 min 以上才能达到一定程度的充放氢进度，故以15 min 为界限，当储氢场景要求充放氢时间在15 min 以内，高压氢气储氢、低温液态储氢、金属吸附储氢和有机液态储氢的分值分别为x5 =9、9、3、3；反之，则分别为x5 =9、9、7、7。

成本得分则与各储氢方式总成本和储氢方式中最大总成本比值相关，具体计算公式为：

长管拖车数量为：

Ntt =Nhs +Ntc （8）

式中：TR——单次运输往返时间，h；Mnet——卡车净容量，kg；Tday——每日卡车总运输时间，h；FGH——长管拖车年平均可用性。

单次运输往返时间为：

TR =D/Va +2t1 （9）

式中：t1——挂载/卸载拖车时长，h；Va——平均运输速度，km/h；D——运输距离，km。

高压拖车运输气氢的年运维成本［21］为：

OGH =Ofuel +Ocp +OM （10）

式中：Ofuel、Ocp 和OM——运输燃料成本、压缩机运维成本和储氢设备的运维成本，美元。

1.3.2 液氢罐车运输成本

液氢罐车单次运输往返时间为：

每年液氢运输方式的运维成本［21］为：

OLH =Ofuel +Oliq +OM （13）

式中：Oliq——液化成本，美元。

1.3.3 有机液体载氢

LOHC 运输方式的成本［21］为：

OLOHC =Ohy +Odhy +Ofuel +OM （14）

式中：Ohy 和Odhy——每年LOHC 加氢和脱氢能耗成本，美元。

1.3.4 管道高压气氢运输成本

管道（管长为L）建设成本［21］为：

Opipe =315000+L ×（3648×D2 +11178×D +180297）（15）

通过管道运输高压气氢的成本为：

OPH =Opipe +OM （16）

1.4 权重计算方法

基于三角模糊矩阵的判定标度和需求指标综合判定矩阵的求取方法，针对不同的储氢场景需求，制定各特征指标的重要性判定如表1 所示。

不同场景下氢气储运方式的综合评分由特征参数总评分和成本评分两方面组成。综合评分计算方法为：

xm =x6 ×（1-y ）+xc ×y （22）

x6 =（x1，x2，x3，x4，x5 ）·（w1，w2，w3，w4，w5 ） （23）

式中：xm—— 各氢气储运方式总评分；x6—— 特征参数评分；y——成本权重系数，根据成本特征重要程度，依次取1、0.75、0.50、0.25、0。

本文针对不同储氢场景需求下，分别对5 种氢气储运方式（高压气态储氢+管道运输/车载运输，低温液态储氢/金属吸附储氢/有机液态储氢+车载运输）进行多维度综合评分。根据综合评分高低，获得最优的用氢场景与氢气储运系统的匹配模式。

2 结果与讨论

加氢站是最为常见的储氢场景之一。基于浙江嘉兴石油嘉善善通加油加氢站，在原有基础参数下改变加氢站的固定储氢量和氢气运输距离，分析不同氢气储运方式的模式匹配，具体如表2 所示。日供氢能力即加氢站每日需从上游工厂运输氢气量；氢气运输距离即上游工厂和加氢站之间距离；固定储氢能力是加氢站储氢罐能存储氢气量，充放氢时间即为汽车加注时间。质量储氢密度、体积储氢密度和储运成本3 个评价参数随加氢站固定储氢能力的变化而变化。由于管道运输在此场景上成本显著高于车载运输，运输方式均为车载运输。在运输距离为500 km 时，质量储氢密度评分x1、体积储氢密度评分x2、特征参数总评分x6 和储运成本随储氢质量的变化如图1 所示。低温液态储氢和金属吸附储氢评分x1 最高。在该储氢罐质量下，最大氢气储存质量分别为570 和540 kg；有机液态储氢和高压气态储氢两种方式质量储氢密度接近，所以评分x1 接近。

从图1b 可知，在不同储氢质量范围内，金属吸附储氢评分较高。低温液态储氢也能超额达到体积储氢密度的要求。从储氢总体积来看，高压气态储氢最大储氢量为600 kg。从特征参数总评分x6 来看，当存储氢气质量较小时，高压气体储氢评分较高；而随储氢质量逐渐增大，低温液态储氢评分逐渐增高；当金属吸附储氢在储氢密度接近1000 kg 时，其评分接近于低温液态储氢。由于各储氢方式运输的建设和维护成本不同，在较小运输距离时成本相差较大。此时，金属吸附储氢和高压气态储氢成本明显低于有机液态储氢和低温液态储氢。

在不同成本参数权重y 值下，不同储运方式的综合评分如图2 所示。当y =0 时，总评分即为特征参数总评分x6，如图2c 所示。在加氢站场景下，成本因素影响较小时，最优储氢方式为：当储氢量低时，最优方式为高压气态储氢；当储氢量较高时，最优储氢方式为低温液态储氢。当储运成本因素影响较大时，金属吸附储氢为最优储氢方式。储氢质量越大，其相对高压气态储氢的优势越明显。

氢气储运成本随氢气运输距离的变化如图3a 所示。在运输距离很短（小于60 km）时，高压气态储氢和金属吸附储氢成本均较低。在不同参数权重值下，储氢方式总评分如图3b～图3d 所示。当y =0 时，即不考虑运输成本情况下，从高压气态储氢到有机液态储氢评分分别为6.9165、7.2015、8.6400 和6.5505。此时，金属吸附储氢为最优方式。在不同的y 值下，运输距离很短时，高压气态储氢为最优方式。随着运输距离的增加，高压气态储氢成本增加较快，其评分不断下降，最终金属吸附储氢变为最优方式。

最优储运方式随储氢质量和运输距离的变化如图4 所示。在较短运输距离时，最优储氢方式为低温液态储氢。这是由于低温液态储氢储存成本较低，运输成本较高所致；当中等运输距离和较小储氢质量要求时，最优储氢方式为高压气态储氢。当较大运输距离及较大储氢质量要求时，最优储氢方式为金属吸附储氢。成本权重参数y 越大，高压气态储氢占据区域越小；随着储氢质量的增大，适合高压气态储氢的运输距离越短。当成本权重系数y =0.25 且储氢质量达到550 kg 时，最优储氢方式为金属吸附储氢方式。

3 结 论

本文基于三角模糊层次分析法和经济性分析方法建立了不同用氢场景氢气储运系统的多维度模式匹配模型；基于该模型对加氢站场景的储运系统的模式匹配进行分析，对不同氢气储运方式进行多维度综合评分，获得了最优的用氢场景与氢气储运系统的匹配模式。当运输距离较短时，最优储氢方式为低温液态储氢；当中等运输距离和较小储氢质量要求时，最优储氢方式为高压气态储氢；当较大运输距离及较大储氢质量要求时，最优储氢方式为金属吸附储氢。

在未来的研究过程中，应考虑对氢气价格时间尺度波动，进一步完善本文的经济性分析。且随着技术的发展，不同氢气储运系统的相对成本会呈现一定差异，从而影响最优储运方式的选择。

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基金项目：国家重点研发计划（2022YFB4003801）