在不同工作条件下，对一种简单的氢液化过程进行的能量、有效能以及经济和环境评估

氢液化过程能量效率优化及经济性分析，采用Aspen HYSYS模拟与遗传算法优化提出新型简单结构流程，实现5.412 kW·h/kg能耗（较常规系统降26%），0.69 $/kg成本（低于多数研究），CO?排放减少29.3%，并通过热力学匹配提升54.9% exergy效率，验证了复杂工况下的稳定性，为工业化应用提供理论支持。

　　

杨凯音|魏世豪|孙天宇|张新艳|张金辉|王秦|郝新月|罗洁琳|杨红星

中山大学先进能源学院，中国深圳

摘要

作为有前景的清洁能源载体，氢能有助于减少对化石燃料的依赖，从而实现更清洁的未来。然而，其大规模应用仍受到液化过程中较高能耗和成本的制约。尽管已经提出了一些节能的工艺概念，但由于系统复杂性以及在可变工作条件下的评估不足，这些概念的实际应用受到了限制。为了解决这一问题，本文提出了一种结构简单的新型氢液化工艺，并基于Aspen HYSYS进行了模拟，并通过遗传算法进行了优化。该工艺的比能耗为5.412 kW·h/kg，相比其他结构简单的系统降低了26.0%以上。通过研究年能量性能系数，评估了系统在可变工作条件下的性能，全球平均值为5.200 kW·h/kg。得益于换热器中的良好温度匹配，该工艺的熵效率达到了54.9%。在北京地区的液化成本为0.69美元/千克，低于大多数现有研究的结果。全球平均二氧化碳排放量为3.245千克/千克，相比参考值减少了29.3%。同时，也研究了压降对性能的影响，发现SEC偏差小于9.0%。低温压力对能量性能影响最大，整个系统的不确定性为6.1%。这些发现表明，这种简单的氢液化工艺不仅降低了成本和环境风险，还为工业应用提供了全面的评估支持，有助于氢能的广泛应用，推动碳中和目标的实现。

引言

随着全球能源需求的增长，化石燃料消耗量的增加极大地加速了温室气体的排放[1]。为了缓解全球变暖，可再生和清洁能源被视为化石燃料的未来替代品[2]。作为最有前景的能源载体之一，氢能在低碳能源转型中发挥着重要作用[3]。此外，氢能可以与太阳能和风能等间歇性可再生能源结合使用，提高能源供应链的稳定性[4]。预计到2050年，全球对氢能的需求将从2022年的95百万吨显著增加至4.3亿吨[5]。然而，氢的储存和运输仍然存在挑战[6]。

已经开发了多种氢储存技术，包括压缩氢、液态氢（LH₂）、氨和液态有机氢载体（LOHCs）[7]。在不同的方法中，包括金属氢化物[8]、氨和LOHCs[6]在内的化学方法都需要能耗较高的氢释放过程。相比之下，压缩氢和LH₂等物理方法在冷却或压缩过程中会消耗大量能量以提高储存密度[6]。

尽管如此，LH₂是一种符合美国能源部设定的质量和体积储存密度要求的广泛使用的储存选项[9]。同时，与其他策略相比，LH₂在长距离运输方面的成本更低[6]。然而，氢的液化过程能耗非常高，是仅次于氦的能耗最高的工艺之一[10]。目前的工业液化工艺的比能耗（SEC）通常在10到15 kW·h/kg之间，占氢较低热值的35%到45%[3]。然而，理论上在2.5 MPa和25°C条件下氢的SEC应该仅为2.7 kW·h/kg[11]。理论值与实际数据之间存在较大差距。

为了提高氢液化工艺的能源效率，已经做出了大量努力，大多数研究中的SEC值在5到8 kW·h/kg之间[12]。氢液化工艺可以通过与其他能源系统的结合来提高效率，例如吸收式制冷系统[13]、液化天然气（LNG）蒸发系统[14]和氦液化系统[15]。吸收式制冷系统可以充分利用可再生能源和可回收能源，如太阳能[4]和废热[16]。此外，将氢的生产和液化过程结合起来有助于降低能耗，因为电解槽出口的热能可以用于液化过程[17]。然而，这种组合可能会降低液化厂的灵活性并增加系统复杂性[18]，而本研究主要关注单一的氢液化工艺。

系统改进是减少液化过程中能耗的主要策略，而全面评估在确定其应用可行性方面起着关键作用[19]。一些先进的液化工艺甚至实现了低于6 kW·h/kg的SEC值，满足了大型工厂的目标[6]。例如，Yuksel等人[20]研究了一种使用氦作为制冷剂的多级布雷顿液化循环，实现了4.726 kW·h/kg的SEC，但这种配置非常复杂，难以在实际中实施。Yang等人[21]提出了两种改进的Claude液化系统，SEC低至4.98 kW·h/kg。然而，这些研究中没有考虑用于预冷的液氮（LN₂）的能耗，这可能导致总体能耗高于报告值。

由于混合制冷剂（MR）与氢的温度匹配度优于LN₂[22]，因此MR循环（通过MR预冷的循环）被认为是各种系统中最高效的[6]。例如，Krasae-in等人[23]提出了一种使用十组分混合物进行预冷的四级布雷顿系统，SEC达到了5.35 kW·h/kg。通过将混合物组分减少到五种并耦合布雷顿阶段，SEC进一步降低到了5.91 kW·h/kg[24]。早期研究中使用H₂作为低温阶段的制冷剂，而H₂/Ne/He或H₂/He混合物被用于提高效率。Sadaghiani等人[25]模拟了使用H₂/Ne/He混合物的三级布雷顿循环的MR系统，SEC达到了4.36 kW·h/kg。在另一种新颖的方法中，氢经过三个MR循环冷却后使用H₂/He循环进行液化，SEC达到了4.55 kW·h/kg[26]。表1总结了最近使用MR循环进行高效H₂液化过程的研究，其中复杂的设备包括湿式膨胀机、低温压缩机和无油压缩机和泵。

值得注意的是，表1中的研究均为理论分析，没有实验验证。这些液化工艺结构复杂，氢的冷却阶段多达7级，制冷模块多达5级。一些研究尝试开发简单系统，但冷却阶段的数量仍然较多[27]，或者需要8流道的换热器[28]。此外，许多高效液化工艺依赖于湿式膨胀机，这些设备复杂，会增加系统投资[28]。需要大量的无油压缩机和泵来防止润滑油结晶[22]，这使得实际应用变得复杂。因此，这些节能工艺难以达到1-2美元/千克的液化目标成本[3]。此外，当偏离标准工作条件时，MR系统的性能可能会下降，而可变工作条件很少被考虑，从而限制了其实际应用指导。概念设计与实际应用之间仍存在显著差距，系统复杂性是一个主要障碍[29]。

在现有研究中，带有精馏柱的MR循环已被证明可以使用传统的油润滑压缩机实现高效的天然气液化[30]，[31]。这种配置结构更简单，成本更低，可能满足氢液化的预冷需求。对于低温阶段，使用氢的Claude循环已被证明高效且结构简单[21]，避免了与稀有气体（如Ne和He）相关的高成本和泄漏风险。

基于文献回顾，可以发现研究中的空白。现有的商业液化工艺面临高能耗的挑战，由于商业化需要简单的配置和在可变工作条件下的高稳定性，因此尚未找到合适的替代方案。尽管许多概念性工艺显示出低能耗，但它们复杂的结构和依赖昂贵设备的特点使得实施变得困难。此外，大多数研究仅关注单一环境温度和单一进料压力下的性能，忽略了可变工作条件的影响，导致实际应用中的偏差。显然需要一种简单的系统，既能降低成本，又能进行全面的可变工作条件分析，以提高现有工业实践的可行性。

为了填补上述研究空白，本文提出了一种新型氢液化工艺。该工艺的新颖之处在于其简单的配置，避免了使用昂贵和复杂的设备，从而降低了初始投资并简化了控制策略。所提出的工艺在能源、熵、经济性和环境方面的良好性能进一步增强了其应用可行性。同时，该研究方法的新颖之处在于它在可变工作条件下的性能评估，为实际应用提供了指导。这些优势有助于所提出工艺的商业化。与现有的氢液化工艺相比，该工艺的新颖元素包括：1）带有精馏柱的新型MR预冷循环，这是简化系统的关键；2）改进的Claude循环，通过两个双级膨胀过程支持低温操作；3）预冷循环不需要无油压缩机或泵，低温循环不需要湿式膨胀机或低温压缩机。

工艺设计

所提出的氢液化工艺结合了预冷循环和低温循环，如图1所示。预冷循环是一个带有精馏柱（RC）的自 cascade 循环，在此过程中润滑油可以很好地从蒸汽相中分离出来，从而避免了使用无油压缩机。低温循环是一个改进的Claude循环，特点是采用三级压缩而不是传统的单级压缩，以及双级膨胀代替

结果

基于优化结果，全面评估了所提出的氢液化工艺在能源、熵、经济性和环境方面的性能，并估算了理论结果的不确定性和压降的影响。

局限性与未来工作

第3节全面评估了所提出的氢液化工艺的性能，指出了其在能耗、熵效率、成本和环境影响方面的优势。然而，该工艺仍存在一些缺点。

本工作中采用了连续的正交-仲氢转换方法，这可能在实际应用中还不够成熟。压降也可能高于多级正交-仲氢转换方法。然而，随着材料的发展

结论

随着能源短缺和全球变暖的日益紧迫，氢能作为一种清洁替代能源受到了广泛关注。LH₂是氢储存和运输的主要介质之一。然而，高能耗和成本仍然是其广泛采用的主要障碍。为了解决这些挑战，设计了一种结构简单、节能且成本较低的新型氢液化工艺。

作者贡献声明

杨凯音：撰写——原始草案、软件开发、方法论、研究、概念化。魏世豪：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。孙天宇：验证、数据管理。张新艳：形式分析。张金辉：可视化。王秦：资源获取、资金筹措。郝新月：撰写——审阅与编辑、数据管理。罗洁琳：撰写——审阅与编辑、监督、形式分析、概念化。杨红星：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：51976179）和中山大学本科生创新培训计划（编号：20252005）的支持。