全球能源格局正在经历前所未有的变革，脱碳已成为所有行业的重要任务[1]。随着各国努力实现碳中和目标，氢作为一种多功能能源载体，在重型运输、化工和钢铁生产等难以减排的行业中发挥了重要作用[2]。然而，与氢储存和运输相关的高资本成本仍然是氢能经济广泛采用的主要障碍[2]。
安全高效的氢储存和运输技术对于推进氢能工业化至关重要[3]。目前，主要的储存和运输方式包括压缩气体氢、液态氢、低温压缩氢、固态材料以及液态有机氢载体[4,5]。液态氢被认为是适用于大规模储存和远距离运输的理想能源载体，因为它比压缩气体氢具有更高的体积能量密度，同时操作压力低且纯度高[6,7]。然而，液态氢的储存和运输过程中容易发生蒸发损失。这些损失可能由环境热量泄漏、正氢向仲氢的转化、晃动以及闪蒸等原因引起[8],[9],[10]。由此产生的蒸发会消耗液化过程中消耗的大量能量，并增加系统压力，从而使得低温系统的热管理变得更加复杂。因此，减少蒸发损失成为提高液态氢储存和运输效率及经济可行性的关键。
重要的是，传输过程被认为是氢能价值链中的关键环节[11]。据文献记载，大约25%的液态氢事故发生在装卸操作期间[12]。实际上，液态氢在其供应链中要经历多次传输操作，包括从液化厂传输到拖车、从拖车传输到固定储存罐，以及从储存罐传输到最终用户（例如燃料电池电动汽车的储罐）等。每次传输都伴随着不可避免的蒸发损失[13]。因此，传输过程的设计和优化至关重要，因为建立高效稳定的传输方案对于提高传输效率和确保安全运行至关重要。
商业液态氢传输系统在氢需求高度变化的情况下运行，同时需要满足快速响应和高流量的严格要求。这种需求模式导致了间歇性的传输操作，频繁的启停循环给安全、可行性和经济可行性带来了重大挑战。因此，实现安全、快速和高效的液态氢传输已成为一个重要的技术目标。传输操作主要依赖于两种方法：加压和泵送[14]。目前，基于加压的传输方法是最为常见和简单的方法。它依靠在供应罐中部分蒸发液态氢，从而增加压力将液体推入压力较低的接收罐。然而，维持足够的传输压力通常需要频繁通过安全阀排气，导致大量的氢气和冷量损失。当两个罐之间的初始压力差较大时，还可能发生过度闪蒸，进一步加剧蒸发损失。历史数据显示，在穿梭操作中，只有54.6%的储存和传输的液态氢被最终使用，其余部分在储存和传输过程中损失掉了[15]。同样，Petitpas等人[13]报告称，在从拖车到站点的传输过程中，基于加压的传输方法导致的损失超过了传输液态氢的12%。
另一种方法是基于泵的传输，它具有可调节的流量、长时间连续运行的能力以及对需求波动的快速响应。现有的泵技术可以分为高压活塞泵、中压增压泵和低压高流量离心泵，每种泵适用于不同的应用场景[16]。特别是低压液态氢泵可以在传输过程中抑制温度上升，从而减少闪蒸和相关的蒸发损失，同时提高整个系统的能源效率。值得注意的是，Air Liquide在其传输操作中已经实施了基于泵的液态氢传输。然而，大规模液态氢泵在商业应用中仍然有限，还存在空化、材料兼容性和系统集成等方面的挑战。关于基于泵的系统的技经评估很少，只有Gil-Esmendia等人的研究[17]举例说明了潜在的蒸发损失减少高达16%的好处。尽管基于加压和基于泵的传输方法是两种主要方法，但两者在运行过程中都受到复杂热力学现象的影响。压力和温度的波动可能会引起动态冲击、流动不稳定性和蒸发损失的增加，从而使得传输过程变得复杂。
这些现象已经通过实验和数值研究得到了广泛探讨。研究了液态氢罐中的瞬态压力演变、热分层和蒸发损失，以优化罐体设计、改进传输程序并提高热管理效率。
例如，NASA对18立方米的MHTB垂直罐[18]和4.95立方米的K-site球形罐[19]进行了自加压测试，揭示了不同填充水平和热泄漏率对罐体热力学行为的影响。Hartwig等人[20]在一个薄壁飞行重量铝罐上进行了低温液态氢推进剂传输测试，评估了一种旨在最小化传输时间的快速冷却和填充方法。从数值角度来看，Wang等人和Ma等人[22]开发了在正常重力和微重力条件下无排气填充液态氢罐的模型。Molkov等人[23]提出了一个结合热力学和计算流体动力学（CFD）方法的集成液态加注模型，以捕捉罐内的关键动态。然而，大多数现有研究仅考虑了单个罐体，忽略了其在传输过程中与管道、泵和控制系统的动态耦合。考虑这些耦合效应的系统级建模仍然很少，运行条件对效率、蒸发损失和安全性的综合影响也尚未得到充分理解。
尽管如此，液态氢传输具有多样化的应用场景、多种蒸发损失来源以及对压力波动的强烈敏感性。然而，现有的设计参考资料仍然有限。在为数不多的文档中，EIGA 06/19概述了拖车与固定储存罐之间的通用传输程序，但有两个关键方面规定得不够明确。首先，虽然标准强调了需要适合传输的设备，但没有指定关键的操作参数，如流量和压力。其次，它没有说明传输应该是通过压力驱动方法还是利用低温泵进行。这些空白提出了两个核心问题：(i) 运行条件如何影响液态氢传输性能；(ii) 基于压力还是基于泵的传输方法哪种更高效？Klop?i?等人[24]研究了基于加压的液态氢加注，发现反向气体损失根据罐压和填充管线压力损失的不同而介于10%到50%之间。Osipov等人[25]研究了液态氢加注过程中罐体排气阀的堵塞现象，发现虽然其对罐体体积的影响很小，但会显著干扰压力动态。Kvalsvik等人[26]发现，液态氢泵结合喷射器再压缩可以最小化蒸发损失并管理更高的蒸汽回流率。Gil-Esmendia等人[17]从热力学的角度比较了基于压力和基于泵的液态氢传输过程，表明基于泵的传输减少了排气。然而，这些方法的技术经济评估仍然缺乏。
尽管有这些见解，但在一致边界条件下对基于加压和基于泵的液态氢传输方法进行的全面技经评估仍然不足。这种缺乏统一的评估框架限制了氢加注站设计者和运营商在传输配置上做出定量决策的能力。因此，对于不同容量、日吞吐量和运行压力的站点来说，选择不同的配置在很大程度上仍然依赖于经验。这种依赖经验而非数据的做法增加了效率低下、蒸发损失增加和运营成本上升的风险。因此，建立一个将热力学性能与经济结果相结合的严格比较分析至关重要。这样的评估不仅对于基于证据的设计和液态氢加注基础设施的规模化至关重要，而且对于制定技术路线图和大规模氢能部署的投资策略也具有指导意义。
为了填补这一空白，开发了一个动态模拟模型，以捕捉传输系统内的质量、动量和能量传输，包括储存罐、管道和控制操作。基于加压和基于泵的传输方法在蒸发损失、能量效率和经济性能方面进行了评估。进行了敏感性分析，以量化关键设计和操作参数的影响，包括初始储存压力、日氢需求和泵类型。这些见解有望为传输方案的基于证据的选择提供依据，优化加注站设计，并支持大规模液态氢部署的战略规划。
