液氢、氨、甲醇和液态甲烷海上供应链系统的能源效率对比研究

液氢、氨、甲醇和液态甲烷海上供应链系统的能源效率对比研究

目前，世界各国正在积极推行气候中和或碳中和，推动了可再生能源的快速发展；但可再生电力存在时空分布不均的问题，将可再生电力进行化学储存，以可再生能源载体形式运输至能源需求高的地区或国家，利于实现可再生资源的再分配；因此，可再生能源载体的海上供应链是全球产业从化石燃料向可再生能源全面转型的关键。

液氢、氨、甲醇和液态甲烷被认为是有前景的能源载体，将在未来的海运场景中取代部分液化天然气。但目前研究中针对四种可再生能源载体整个供应链的系统评估较少。能量分析是评估和改善综合能源系统性能的重要方法，其直接反应技术发展水平，也会影响能源系统的生命周期排放和经济性；然而，目前对四种可再生能源载体的能源效率评估多关注于供应链的某些子过程，如生产阶段中的电解制氢、电力制甲烷等，储运过程研究不足；其次，不同可再生能源载体海上供应链之间的对比分析鲜有报道。

基于此，华中科技大学陈汉平教授团队在《Carbon Capture Science & Technology》发表研究文章——“A comparative study on energy efficiency of the maritime supply chains for liquefied hydrogen, ammonia, methanol and natural gas”对该问题进行了探讨，杨海平教授为通讯作者，宋倩倩（研究生）为第一作者。该文首先采用Aspen Hysys模拟和热力学计算模型对供应链系统各个子过程进行了能量分析，并研究了蒸发气体回收对四种能源载体海运供应链能源效率的影响，进一步对环境温度、运输距离、船舶尺寸等参数进行了敏感性分析。文章主要内容包括：

1.  四种能源载体海运供应链系统的物质与能量流动

建立了四种可再生能源载体海上供应链系统模型，分为液态能源载体生产阶段（包含生产和液化）和能源载体储运阶段（包括港口储存、装载、船运、卸载），进一步对可再生能源载体生产和储运过程的物质和能量流动进行了建模和计算分析。结果表明，四种能源载体由可再生能源生产时，氨、甲醇、液氢和液态甲烷供应链的能量效率达到97.37%、98.02%、89.10%和96.23%。供应链的能源效率取决于货物装卸过程中蒸发气体的产生，氨、甲醇、液氢和液态甲烷供应链的总蒸发气体分别为0.0467、0、2.3660%和0.4129%。蒸发气体回收可将氨，甲醇，液氢和液态甲烷的能量效率分别提高0.29%、0、4.88%和2.10%，缩小了液氢与其他三种能源载体间的能源效率差距。

图 1. 能源载体海运供应链的能量和质量流动。（a）氨、（b）甲醇、（c）液氢和（d）液态甲烷。

2.     储运过程中不同参数对能源效率的影响

对能源效率进行了敏感性分析，选择的参数是环境温度（15-45 °C），陆上储存时间（3-30天），装卸管道长度（10-90天），航行时间（3-30天）和船舶尺寸（30000-50000m ³ )。结果表明：环境温度、港口的储存时间、运输距离等参数增加时，能源载体供应链的能效会降低，而当船舶尺寸增加时，能效会增加。这些参数对液氢的影响最大，其次是液态甲烷、氨和甲醇。当蒸发气体被回收时，这种影响会减弱，特别是液氢和液态甲烷。氨和甲醇在海运供应链中的能量损失远低于液氢和液态甲烷，从能源效率的角度表明，氨和甲醇有可能取代液化天然气成为未来的能源载体，液氢需要高效的蒸发气体回收系统来提高竞争力。

图2. 环境温度的影响。

图3. 船舶尺寸的影响。