Analysis of present status and future technical route on large-scale hydrogen liquefaction plant

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0279

Abstract

Abstract:

Hydrogen, as a zero carbon energy, is an effective strategic way to achieve China’s carbon peaking and carbon neutrality goals. The commercial application of hydrogen is about to increase sharply with the incorporation of hydrogen energy into China’s energy system. Hydrogen utilization has always been restricted by the lacking of high energy density storage and transportation technology due to the physical characteristics of hydrogen. Large-scale hydrogen liquefaction technology is a valid way to deal with the high-efficiency storage, transportation and utilization during the hydrogen application on account for the high storage density of liquid hydrogen. A statistical analysis of the currently known large-scale hydrogen liquefaction plants in the world on the capacity scale and operation status is achieved in this paper. Industrial hydrogen liquefaction plants in main producing countries are introduced. Three basic hydrogen liquefaction cycles are compared and the characteristics of the actual industrial plants are summarized. The principle and energy efficiency of the currently proposed large-scale conceptual hydrogen liquefaction systems are analyzed. The future design methods and development directions are suggested, so as to provide effective support for the development of high-efficiency and large-scale storage and transportation technologies of hydrogen energy and accelerate the wide commercial application of hydrogen energy.

Key words: hydrogen energy, liquid hydrogen, large-scale, liquefaction, energy efficiency

摘要：

氢能作为零碳能源，是实现我国双碳目标的有效战略途径，随着氢能被纳入我国能源体系范畴，氢能的广泛商业应用即将呈现爆发式增长。受限于氢的物理特性，氢能利用过程中的高能量密度储运技术一直是制约其发展的瓶颈之一，液氢作为储氢密度最大的方式，其规模化制取技术是解决氢能应用环节中高效储运和规模化利用的有效途径。本文对当前全球已知的规模化氢液化装置的液氢产能规模和运行状态进行了统计分析，介绍了主要生产国的工业氢液化装置，比较了三种基本氢液化原理，总结了实际工业装置特点，对当前提出的规模化概念型氢液化系统原理和能效进行了分析，提出了未来发展应参考的设计特点和建议性阶段发展方向，为氢能的高效规模化储运技术发展提供有效支持，加速实现氢能的广泛商业化应用。

关键词: 氢能, 液氢, 规模化, 液化, 能效

CLC Number:

TK91

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Figures/Tables 6

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区域/国家	位置	所属单位/建设单位	产能/t·d^-1	投产时间	状态
美洲
美国	科罗拉多州	NBS	0.5	1952	停用
美国	俄亥俄州	APCI	1	1956	停用
美国	佩恩斯维尔	APCI	3	1957	停用
美国	西棕榈滩	APCI	3.2	1957	停用
美国	佛罗里达州	APCI	3.5	1957	停用
美国	加利福尼亚州	Stearns-Roger Mfg. Co.	1.5	1957	停用
美国	佛罗里达州	APCI	30	1958	停用
美国	西棕榈滩	APCI	27	1959	停用
美国	密西西比	APCI	32.7	1960	停用
美国	加利福尼亚州	Stearns-Roger Mfg. Co.	7	1960	停用
美国	安大略湖	Praxair	20	1962	运行
美国	加利福尼亚州	Stearns-Roger Mfg. Co.	26	1962	停用
美国	加利福尼亚州	APCI	32.5	1963	停用
美国	萨克拉曼多	Union Carbide	54	1964	停用
美国	新奥尔良	APCI	34	1977	运行
美国	新奥尔良	APCI	34	1978	运行
美国	尼亚加拉大瀑布	Praxair	18	1981	运行
美国	萨克拉曼多	APCI	6	1986	运行
美国	尼亚加拉大瀑布	Praxair	18	1989	运行
美国	佩斯	APCI	30	1994	运行
美国	麦金托什	Praxair	24	1995	运行
美国	东芝加哥	Praxair	30	1997	运行
美国	卡尔弗特市	Air gas	10	2016	计划
美国	北拉斯瓦加斯	Air Liquide	30	2022	计划
美国	拉波特	APCL	30	2022	计划
美国		（5个新建项目，1个扩建项目）	90	2023	计划
加拿大	安大略萨尼亚	APCI	30	1982	运行
加拿大	蒙特里亚	Air Liquide	10	1986	运行
加拿大	贝康库	Air Liquide	12	1988	运行
加拿大	马戈	BOC	15	1989	运行
加拿大	蒙特里亚	BOC	14	1990	运行
法属圭亚那	库鲁	Air Liquide	5	1990	运行
小计（运行）			300
亚洲
日本	尼崎市	Iwatani	1.2	1978	停用
日本	田代	MHI	0.6	1984	停用
日本	秋田县	Tashiro	0.7	1985	运行
日本	丹加岛	Japan Liquid Hydrogen	1.4	1986	运行
日本	大分	Pacific Hydrogen	1.4	1986	运行
日本	Minamitane	Japan Liquid Hydrogen	2.2	1987	运行
日本	君津市	APCI	0.3	2003	运行
日本	大阪	Iwatani	11.3	2006	运行
日本	东京	Iwatani/Linde	10	2008	运行
中国	北京	北京航天试验技术研究所	1	2008	运行
中国	北京	北京航天试验技术研究所	1	2013	运行
中国	乌海	北京航天试验技术研究所	0.5	2020	运行
中国	嘉兴	北京航天试验技术研究所	2	2021	运行
中国	乌兰察布	北京航天试验技术研究所	0.3	2022	计划
中国	定西	北京航天试验技术研究所	2	2023	计划
中国	西昌	—	—	2012	运行
中国	文昌	—	—	2013	运行
印度	马亨德拉吉里	ISRO	0.3	1992	运行
印度	萨贡达	Andhra Sugars	1.2	2004	运行
印度	印度	Asiatic Oxygen	1.2	—	运行
小计（运行）			34.5
欧洲
法国	里尔	Air Liquide	10	1987	运行
荷兰	罗森伯格	APCI	5	1987	运行
德国	英戈尔斯塔特	Linde	4.4	1991	运行
德国	鲁讷	Linde	5	2008	运行
小计（运行）			24.4
澳洲
澳大利亚	维多利亚州	HySTRA	770	2025	计划
小计（运行）			0
总计（运行）			358.9

区域/国家	位置	所属单位/建设单位	产能/t·d^-1	投产时间	状态
美洲
美国	科罗拉多州	NBS	0.5	1952	停用
美国	俄亥俄州	APCI	1	1956	停用
美国	佩恩斯维尔	APCI	3	1957	停用
美国	西棕榈滩	APCI	3.2	1957	停用
美国	佛罗里达州	APCI	3.5	1957	停用
美国	加利福尼亚州	Stearns-Roger Mfg. Co.	1.5	1957	停用
美国	佛罗里达州	APCI	30	1958	停用
美国	西棕榈滩	APCI	27	1959	停用
美国	密西西比	APCI	32.7	1960	停用
美国	加利福尼亚州	Stearns-Roger Mfg. Co.	7	1960	停用
美国	安大略湖	Praxair	20	1962	运行
美国	加利福尼亚州	Stearns-Roger Mfg. Co.	26	1962	停用
美国	加利福尼亚州	APCI	32.5	1963	停用
美国	萨克拉曼多	Union Carbide	54	1964	停用
美国	新奥尔良	APCI	34	1977	运行
美国	新奥尔良	APCI	34	1978	运行
美国	尼亚加拉大瀑布	Praxair	18	1981	运行
美国	萨克拉曼多	APCI	6	1986	运行
美国	尼亚加拉大瀑布	Praxair	18	1989	运行
美国	佩斯	APCI	30	1994	运行
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美国	东芝加哥	Praxair	30	1997	运行
美国	卡尔弗特市	Air gas	10	2016	计划
美国	北拉斯瓦加斯	Air Liquide	30	2022	计划
美国	拉波特	APCL	30	2022	计划
美国		（5个新建项目，1个扩建项目）	90	2023	计划
加拿大	安大略萨尼亚	APCI	30	1982	运行
加拿大	蒙特里亚	Air Liquide	10	1986	运行
加拿大	贝康库	Air Liquide	12	1988	运行
加拿大	马戈	BOC	15	1989	运行
加拿大	蒙特里亚	BOC	14	1990	运行
法属圭亚那	库鲁	Air Liquide	5	1990	运行
小计（运行）			300
亚洲
日本	尼崎市	Iwatani	1.2	1978	停用
日本	田代	MHI	0.6	1984	停用
日本	秋田县	Tashiro	0.7	1985	运行
日本	丹加岛	Japan Liquid Hydrogen	1.4	1986	运行
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中国	北京	北京航天试验技术研究所	1	2008	运行
中国	北京	北京航天试验技术研究所	1	2013	运行
中国	乌海	北京航天试验技术研究所	0.5	2020	运行
中国	嘉兴	北京航天试验技术研究所	2	2021	运行
中国	乌兰察布	北京航天试验技术研究所	0.3	2022	计划
中国	定西	北京航天试验技术研究所	2	2023	计划
中国	西昌	—	—	2012	运行
中国	文昌	—	—	2013	运行
印度	马亨德拉吉里	ISRO	0.3	1992	运行
印度	萨贡达	Andhra Sugars	1.2	2004	运行
印度	印度	Asiatic Oxygen	1.2	—	运行
小计（运行）			34.5
欧洲
法国	里尔	Air Liquide	10	1987	运行
荷兰	罗森伯格	APCI	5	1987	运行
德国	英戈尔斯塔特	Linde	4.4	1991	运行
德国	鲁讷	Linde	5	2008	运行
小计（运行）			24.4
澳洲
澳大利亚	维多利亚州	HySTRA	770	2025	计划
小计（运行）			0
总计（运行）			358.9

类型/装置	能耗中值/^-1	能源利用效率中值/%	时间	产能/t·d^-1
理论基础氢液化循环
预冷Linde-Hampson循环	68.1	3.2	—	—
氦制冷氢液化系统	44.8	5.9	—	—
预冷Claude循环	29.9	8	—	—
预冷双压Claude循环	12.26	23.6	—	—
理想液化循环
理想预冷Linde-Hampson循环	16.24	17.85	—	—
理想预冷双压Linde-Hampson循环	12.12	23.8	—	—
理想预冷双压Claude循环	6.66	43.4	—	—
热力学理想液化系统	2.89	100	—	—
典型在运行装置
德国Ingolstadt Linde氢液化装置	13.58	21.3	1994	4.4
美国East Chicago Praxair氢液化装置	13.5	21.5	2003	30
德国Leuna Linde氢液化装置	11.9	27	2007	5
未来设计循环
Kuzmenko液氮预冷氦制冷循环	12.7	34.6	2004	54
Baker氢液化系统	9.94	39.3	1978	250×10
Shimko & Gardiner氦气逆Brayton循环	8.73	44.6	2006	50
Matsuda & Nagami氢Claude循环（WE-NET项目）	8.49	45.2	1998	300
Asadnia混合制冷氢液化系统	7.69	39.5	2017	100
WE-NET项目（氖预冷）	7	47	2004	300
Stang混合制冷氢液化系统	7	60	2006	—
Krasae-in混合制冷四级Joule-Brayton循环	5.91	0	2014	100
Zhang & Liu预冷Claude循环结合Joule-Brayton循环	5.85	55.3	2021	288.9
Valenti四级氦气Joule-Brayton循环	5.76	50.2	2008	856

类型/装置	能耗中值/^-1	能源利用效率中值/%	时间	产能/t·d^-1
理论基础氢液化循环
预冷Linde-Hampson循环	68.1	3.2	—	—
氦制冷氢液化系统	44.8	5.9	—	—
预冷Claude循环	29.9	8	—	—
预冷双压Claude循环	12.26	23.6	—	—
理想液化循环
理想预冷Linde-Hampson循环	16.24	17.85	—	—
理想预冷双压Linde-Hampson循环	12.12	23.8	—	—
理想预冷双压Claude循环	6.66	43.4	—	—
热力学理想液化系统	2.89	100	—	—
典型在运行装置
德国Ingolstadt Linde氢液化装置	13.58	21.3	1994	4.4
美国East Chicago Praxair氢液化装置	13.5	21.5	2003	30
德国Leuna Linde氢液化装置	11.9	27	2007	5
未来设计循环
Kuzmenko液氮预冷氦制冷循环	12.7	34.6	2004	54
Baker氢液化系统	9.94	39.3	1978	250×10
Shimko & Gardiner氦气逆Brayton循环	8.73	44.6	2006	50
Matsuda & Nagami氢Claude循环（WE-NET项目）	8.49	45.2	1998	300
Asadnia混合制冷氢液化系统	7.69	39.5	2017	100
WE-NET项目（氖预冷）	7	47	2004	300
Stang混合制冷氢液化系统	7	60	2006	—
Krasae-in混合制冷四级Joule-Brayton循环	5.91	0	2014	100
Zhang & Liu预冷Claude循环结合Joule-Brayton循环	5.85	55.3	2021	288.9
Valenti四级氦气Joule-Brayton循环	5.76	50.2	2008	856

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