鉅大LARGE | 點擊量：250次 | 2023年05月29日
為何美國發(fā)展如火如荼，我國卻裹足不前
化學元素周期表中排在第一位的元素是什么？對了，氫！我們離不開氫原子與氧原子結(jié)合成的水，但對氫的其他應用卻知之甚少。而當前，氫的能源化利用趨勢愈加明顯。結(jié)合時下熱點，我們來說說，中美兩國在液氫方面的發(fā)展狀況。
不只是交通領域液氫在國民經(jīng)濟中應用廣泛
液氫是通過預冷和膨脹節(jié)流等工藝，把氫氣降溫到-253℃從而變成液體，密度可達普通氫氣的780倍，使得氫可以高效地儲存和運輸。液氫液氧推進劑的比推力最高，相同比推力時運載火箭的重量可以下降50%，因此液氫是最先進的火箭推進劑燃料。同時，在-253℃低溫下，除了氦、氖稀有氣體之外的所有氣體雜質(zhì)都會凝固分離，因此液氫汽化很容易獲得6N（99.9999%）及以上的超純氫。相比于鈀膜純化等氣態(tài)氫提純技術，液氫具有應用系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、高效可控、不易污染、品質(zhì)穩(wěn)定等特點。因此液氫還是全球公認的可以大規(guī)模獲得超純氫的先進技術。
超純氫在電子工業(yè)尤其是微電子、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)中有極為廣泛的的應用市場，包括大規(guī)模集成電路芯片、平板顯示器、光伏電池等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。電子工業(yè)是超純氫的最大用戶，超純氫作為還原氣體和保護氣，主要用于半導體器件、集成電路芯片以及液晶平板顯示器生產(chǎn)等領域，且氫氣的純度直接影響最終的產(chǎn)品質(zhì)量。在冶金工業(yè)中，氫氣可作為還原劑將金屬氧化物還原成金屬，也可作為貴金屬高溫加工時的保護氣氛，需要5N的高純氫。同時在石油煉化加氫精制中采用高純氫可獲得高品質(zhì)的汽油、潤滑油等產(chǎn)品。
國家標準定義氫氣純度大于或等于5N（99.999%）為高純氫，大于或等于6N（99.9999%）為超純氫。目前我國高純氫和超純氫的消耗量約20萬噸/年（據(jù)統(tǒng)計2016年全國純度≥99%的氫產(chǎn)量約700億Nm3/年，其中95%以上用于煉油、化工生產(chǎn)、電子、冶金等，其余2%~3%為5N以上超純氫）。其中6N及以上的超純氫極易被污染、無法氣態(tài)運輸，國內(nèi)外芯片和液晶顯示器生產(chǎn)均是在使用終端的用氣點設置純化器達標后使用，其解決方案往往來自于外資氣體公司，進口依賴度高、價格壟斷，使得大規(guī)模應用受限，影響中國制造業(yè)水平。
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中美液氫產(chǎn)業(yè)差距——美國產(chǎn)能全球首位，中國民用一片空白
全球目前已經(jīng)有數(shù)十座液氫工廠，總液氫產(chǎn)能470噸/天，其中北美占了全球液氫產(chǎn)能總量的85%以上。美國本土已有15座以上的液氫工廠，液氫產(chǎn)能達326噸/天以上，居于全球首位，包括加拿大有80噸/天的液氫產(chǎn)能也為美國所用。歐洲4座液氫工廠液氫產(chǎn)能24噸/天。亞洲有16座液氫工廠，總產(chǎn)能38.3噸/天，其中日本占了亞洲三分之二的產(chǎn)能。全球近500座加氫站中液氫儲氫型加氫站占比三分之一，主要分布在美國、歐洲和日本，且其新建的加氫站以液氫儲氫型為主。2018年初，日本川崎重工引領的財團與澳大利亞政府達成一致，在維多利亞州建造煤制氫基地工廠和氫液化工廠，預計2022年達產(chǎn)，設計液化能力770噸/天，液化后-253℃的低溫液氫最終通過兩艘20萬m3的液氫船運往日本。
從目前的市場應用來看，美國壟斷了全球85%的液氫生產(chǎn)和應用，其中美國AP和PRAX兩大集團壟斷了美國90%的液氫市場。根據(jù)美國氫能分析中心的統(tǒng)計，截至2016年，北美地區(qū)共有產(chǎn)能5噸/天以上的大型液氫工廠10座，其中18噸/天以上的有6座，最大產(chǎn)能達到64噸/天。美國的液氫民用占據(jù)主流市場，其中33.5%用于石油化工行業(yè)，37.8%用于電子、冶金等其他行業(yè)，10%左右用于燃料電池汽車加氫站。僅有18.6%的液氫用于特種航天和科研試驗。
為了滿足高端制造、冶金、能源、電子和特種航天等領域不斷增長的需求，近兩年來，美國又加大液氫工廠建設力度。PRAX公司2018年11月在德克薩斯州LaPorte開工建設第五座液化氫工廠，計劃2021年投產(chǎn)，產(chǎn)能超過30噸/天。美國AP公司2019年初在美國西部建造一個日產(chǎn)百噸級的液氫工廠，致力于氫能源市場，向FEF位于加利福尼亞州的加氫站提供液氫。同時法國液空公司也將投資1.5億美元，2019年初在美國開工建設一座30噸/天液氫工廠。預計2021年美國本土的液氫產(chǎn)能將超過500噸/天。
中國在用的液氫工廠僅有海南文昌、北京101所和西昌基地，均服務航天火箭發(fā)射，總產(chǎn)能僅有4噸/天，最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2噸/天。中國民用液氫市場一片空白。也正是因為如此，中國液氫生產(chǎn)成本高達500元/kg，是美國的20倍以上（2.5美元/kg），限制了液氫在高端制造、冶金、電子和能源產(chǎn)業(yè)等領域的應用，產(chǎn)品質(zhì)量和制造水平與美國存在較大差距。
美對我國液氫產(chǎn)業(yè)的圍堵——嚴格禁運、嚴禁交流等
美國商務部工業(yè)和安全局（BureauofIndustryandSecurity）所列出的商業(yè)管制清單（CommerceControlList）列出了10大類行業(yè)，每個行業(yè)進一步細分5類，多年來對中國采取嚴格禁運措施。液氫的主要用途不僅僅是火箭推進劑，同時還為大規(guī)模集成電路的研制與生產(chǎn)、高端制造、冶金等提供6N以上的超純氫，因此液氫的生產(chǎn)和應用直接涉及到10大類行業(yè)中的三大類：2類“材料加工”、3類“電子”和9類“特種航天與推進”。
與大規(guī)模液氫生產(chǎn)和儲運相關系統(tǒng)裝備和組件、測試檢測與生產(chǎn)裝備（如氫液化裝置、氫膨脹機、正仲氫轉(zhuǎn)化器、液氫泵、DN50以上液氫閥門等）、材料（超低溫用碳纖維增強復合材料）、工藝技術（10噸/天及以上氫液化裝置與工藝）等，均在美國對中國的禁運之列。同時，美國政府還禁止NASA（美國特種航天管理局）和美國企業(yè)與中國航天系統(tǒng)開展液氫技術領域內(nèi)任何形式的技術交流與合作。
美國在對中國技術禁運的同時，也限制其盟國向中國出售設備和技術。法國液空和德國林德公司，在上個世界末中國自主開發(fā)了小型氦膨脹機和氫液化裝置后，開始向中國出售2噸/天及以下的氫液化裝置，其規(guī)模僅夠科研試驗用途，而并不向中國開放10噸/天及以上領域的大型氫液化技術與成套裝置，同時也禁售DN50及以上的液氫閥門、氫膨脹機和氫潛液泵等關鍵設備和零部件。
中國在2015年實現(xiàn)了火箭發(fā)射場用300m3大型液氫罐的自主設計和小批量生產(chǎn)，打破了發(fā)達國家在液氫儲存領域的壟斷之后，美國企業(yè)對中國液氫儲運容器的管制開始有所放松。美國GardnerCryogenics（全球最大的液氫液氦裝備供應商）等企業(yè)開始謀劃特種設備使用進口，將其從未面向中國市場的ISO液氫罐箱，通過國家市場管理局及行業(yè)評審機構進入中國使用，其目的是為了支持美國氣體公司利用液氫罐箱向中國高價出口和傾銷美國的液氫，到中國民用超純氫市場謀取暴利（中國6N以上超純氫的制取成本超過150元/kg，是美國本土液氫售價的8倍左右）。此時正值中國企業(yè)計劃將航天技術軍民融合、開展民用液氫儲運裝備的標準制訂和技術應用之際，美國和法國企業(yè)在推廣自己的裝備和推銷液氫同時，詆毀中國氫液化技術不成熟、不具有經(jīng)濟性、液氫儲運裝備安全性不達標等，并質(zhì)疑中國民用氫液化、儲運技術和標準，嚴重干預和阻礙中國企業(yè)液氫儲運、制取裝備的開發(fā)進程。
政策建議——應大規(guī)模發(fā)展民用液氫生產(chǎn)和儲運技術
鑒于液氫在國民生產(chǎn)經(jīng)濟中的重要用途，以及美國對中國在該領域的禁運與圍堵，中國企業(yè)和科研院所更應自強自立、自主開發(fā)，并在全球范圍內(nèi)尋找可以利用和團結(jié)的資源。對此我們有如下建議：
1、把規(guī)模液氫生產(chǎn)和儲運技術列入國家戰(zhàn)略和科技部重點專項，鼓勵國內(nèi)高校科研院所和企業(yè)開展相關領域的技術開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，鼓勵俄羅斯等友好國家與中國在液氫技術領域的合作交流；
2、積極支持規(guī)模液氫工廠示范項目建設，大力支持規(guī)模液氫生產(chǎn)、儲運技術的軍民融合與成果轉(zhuǎn)化應用；
3、鼓勵企業(yè)先行先試，推動民用液氫生產(chǎn)、儲運裝備企業(yè)標準的制訂、實施并逐步上升到國家標準，增強民用液氫市場發(fā)展
4、對進入中國市場的美國或其它國家的液氫設備企業(yè)，作為監(jiān)管部門的國家市場管理總局，應組織行業(yè)專家對其進行深入考察、技術審查和監(jiān)管，以學習借鑒其先進技術經(jīng)驗，提升我國液氫設備技術水平。
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