双碳背景下煤炭运输氢能应用场景及展望

双碳背景下煤炭运输氢能应用场景及展望

杨茜1 刘冠冲2 李昕3

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 710065

摘要：煤炭运输作为煤炭产业链中的重要环节，其碳排放和环境污染问题备受关注。氢能作为一种清洁、高效的能源载体，具有广阔的应用前景。通过调研氢能产业链中合成、储运、利用等关键环节，分析氢能应用到煤炭运输场景中涉及的核心技术，提出相应的发展机遇和挑战。

关键字：氢能  短倒运输  氢能储运

在全球气候变化和环境污染的背景下，双碳目标已经成为各国共同的任务。国家明确提出力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。中国作为全球最大的能源消费国，其能源结构中煤炭占据了较大的比重。煤炭运输作为煤炭产业链中的重要环节，其碳排放和环境污染问题备受关注。特别是在短倒运输过程中，由于运输距离短、频次高，车辆的排放对环境的影响更为显著。因此，在实现双碳目标的道路上，煤炭短倒运输的转型与升级至关重要。

氢气具有资源属性和能源属性，既是用途广泛、重要的工业原料，又是理想高效的清洁能源，属于再生二次能源，在能源应用领域具有先天优势[1]。我国政府高度重视氢能及燃料电池产业发展,从“ 十五” 期间就开始重点实施氢能及燃料电池汽车技术研发,推动发展氢能上下游相关产业链,旨在促成地方高质量发展与清洁能源转型升级。

1 煤炭短倒运输

煤碳作为能源生产和消费的重要场所，其运输方式对环境有很大的影响。煤矿短倒运输采用的重卡之前大多由柴油发动机驱动，这类车辆的排放物会产生大量的污染物，如颗粒物、氮氧化物等，是温室气体和空气污染物的主要贡献源。“双碳”目标下，随着能源绿色低碳转型持续推进，以重卡为代表的商用车新能源化趋势已不可逆转。氢能重卡使用氢气作为燃料，零排放、无污染，能够满足环保要求。氢燃料电池具备续航能力强、补能快、低温性能优越、零污染物排放等优点[1]。

倒短运输车辆日常具有“重去空回”的特点。和柴油重卡、纯电重卡相比，氢能重卡具有无污染、零排放、运输路线相对固定、载重量大、续航长、行驶里程长、加注时间短等特性，优势更为明显。氢能重卡以49吨居多，配套的燃料电池系统功率范围以110～130kW为主，燃料电池电堆以150kW左右的单堆或小功率的双堆居多，需要配套锂电池组供电，本质属于氢能源增程式电车，主要的应用场景是短途物流、矿山、港口等场景。

    氢能重卡短倒运输具有环保、高效、降低运营成本、适应性强、减少对化石燃料的依赖、低温启动性能好、加氢速度快、维护成本低和提高竞争力等优势。随着氢能技术的不断发展，氢能重卡的技术也在不断进步和完善。相比传统柴油重卡，氢能重卡具有更高的技术含量和更低的维护成本，具有更好的发展前景。

2 氢的合成：

    氢能可以通过多种方式制取，包括化石能源重整、生物质热裂解、微生物发酵、电解水等。目前根据制取方式和碳排放量的不同将氢能按颜色主要分为灰氢、蓝氢和绿氢三种。

    灰氢是通过化石燃料（如石油、天然气和煤）在高温高压下与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳，其制取成本较低，但碳排放量较大。主要应用于化工、炼油、钢铁、汽车等领域，作为化学工业的原料、炼油厂的氢源、钢铁工业的还原剂以及替代传统燃料用于汽车等交通运输领域。

    蓝氢是将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成，主要通过使用碳捕捉、利用与储存技术，捕获温室气体，实现低排放。蓝氢的碳排放强度相对较低，但捕集成本较高。主要在工业领域的应用前景广阔，可以作为生产工艺的原料，如生产氨、甲醛、石化等，也可以用于生产高纯度氢气，如半导体、电子、医药等高科技行业。

    绿氢是通过使用再生能源（例如太阳能、风能、核能等）制造的氢气，例如通过可再生能源发电进行电解水制氢，完全没有碳排放。绿氢是一种清洁、可再生的能源。主要应用于交通运输领域，如替代传统燃料，实现车辆的低碳排放，以及作为能源储存介质，解决可再生能源的间歇性问题。此外，绿氢还可以应用于电力、工业、建筑等领域。

3 氢的储运：

    氢是一种高度易燃、易爆的气体，因此其储运需要特别注意安全问题。目前，主要包括气态储运、液态储运和固态储运等其他储运方式。

    气态储运是最常见的储运方式，通过将氢气压缩到高压状态下储存在储气罐中，或者利用有机化合物吸收和释放氢气的方式进行储运。具有储运设备简单、充放速度快、能量密度高等优点，但需要采取相应的安全措施和保温措施以防止泄漏和损失能量。液态储运是将氢气液化并储存于低温储罐中，具有能量密度高、储存压力低等优点，但需要采取相应的保温措施以防止泄漏和损失能量。同时，液态储运需要解决氢气的液化效率和成本问题。固态储运是利用固体材料吸附和释放氢气的方式进行储运，具有储存压力低、安全性高等优点，但需要解决固体材料的吸附效率和成本问题。此外，还有金属氢化物储运、有机液体储运等其他储运方式

[2]。

4 短倒运输氢能应用技术：

    在煤炭短倒运输过程中，氢能技术的应用主要包括以下几个方面：

   （1）氢燃料电池重卡通过使用氢气作为燃料，经过燃料电池反应堆产生电能，为车辆提供动力。该动力系统包括氢燃料电池、储氢系统、电能控制系统等组成。具有零排放、高效率、低噪音等优点，可以替代传统的柴油动力系统，实现零排放和高效节能。未来发展固态和液态储氢法将会进一步促进氢燃料电池汽车的发展。

    （2）氢能叉车和氢能搬运车，其核心技术是氢燃料电池动力系统，通过使用氢气作为燃料，为车辆提供动力。这种动力系统具有零排放、高效率、低噪音等优点，可以满足煤炭装卸过程中的高强度、高效率和环保要求。

    （3）煤炭短倒运输中涉及固态储氢技术，将氢气储存于固态材料中，并在需要时为车辆提供燃料，方便运输和储存。这种技术具有储存压力低、安全性高等优点，可以解决氢气储存和运输的问题。

    此外，在煤炭短倒运输过程中，还可以通过建立相应的加氢站和充能设施来满足车辆和设备的能源需求。同时需要注意安全问题，如防止氢气泄漏、爆炸等事故的发生。

5 氢能技术发展机遇与挑战：

    在双碳背景下，煤炭运输氢能应用技术的发展面临着巨大的机遇和挑战。其中，机遇主要包括以下几个方面：

    （1）国家政策支持：政府出台了一系列政策来支持氢能技术的发展和应用，如补贴政策、税收优惠政策等。这些政策将为氢能技术的发展提供强有力的支持。

    （2）市场需求推动：随着环保意识的提高和新能源汽车的普及，市场对清洁能源的需求越来越高。在煤炭运输领域，氢能技术可以提供清洁、高效的能源解决方案，满足市场对环保和能源效率的需求，从而具有广阔的市场前景。

    （3）技术创新进步：随着氢能技术不断发展和突破，氢燃料电池的效率和寿命得到不断提高，固态储氢等新型储氢技术也日益成熟。这些技术进步为氢能技术在煤炭运输领域的应用提供了更好的条件和机遇。

    然而，氢能技术的发展也面临着一些挑战：

   （1）成本问题：目前，氢能技术的制氢成本相对较高，尤其是对于大规模应用而言，需要进一步提高制氢效率和降低制氢成本，才能更好地满足市场需求。

   （2）基础设施建设：在煤炭运输领域应用氢能技术需要建设相应的加氢站、储氢设施等基础设施，而这些设施的建设需要投入大量的资金和技术支持，这也是氢能技术推广的挑战之一。

   （3）安全问题：由于氢气的易燃、易爆性质，其储运和使用过程中存在一定的安全隐患。需要加强安全管理和技术研发，提高氢能使用的安全性。

参考文献：

[1] 张全斌，周琼芳.基于“碳中和”的氢能应用场景与发展趋势展望[J].中国能源，2021，43（7）:81-88.

[2]高助威,李小高,刘钟馨，等.氢燃料电池汽车的研究现状及发展趋势[J].材料导报，2022,36（14）：70-77.