Водород, как высококалорийный, безуглеродный и экологически чистый «окончательный источник энергии», ключевым фактором его распространения является снижение себестоимости по всей производственно-сбытовой цепочке. При этом хранение и транспортировка водорода являются крайне важным звеном, охватывающим хранение, транспортировку и доставку водорода, играющим решающую роль в коммерциализации и масштабировании водородной энергетики. В настоящее время затраты на хранение и транспортировку водорода составляют более 30% от конечной стоимости водорода. В последние годы импортозамещение материалов для баллонов для хранения водорода и развитие твердотельного хранения водорода открыли новые перспективы для отрасли хранения и транспортировки водорода.

　　Три пути хранения водорода — газообразный, жидкий и твердотельный — имеют разные характеристики и подходят для разных условий.

　　Основные способы хранения водорода — это газообразное, жидкое и твердотельное хранение. Технология газообразного хранения водорода относительно зрелая, в основном осуществляется с помощью баллонов высокого давления; технологии жидкого и твердотельного хранения водорода еще не коммерциализированы, но в последние годы наблюдается постоянный технический прогресс, что свидетельствует о наличии потенциала для развития.

　　Газообразное хранение водорода под высоким давлением — это сжатие водорода под высоким давлением в высокопрочный контейнер или подземное хранилище газа, при этом объем хранимого водорода прямо пропорционален давлению хранения. Наиболее часто используемыми контейнерами в настоящее время являются резервуары для хранения газа и баллоны для хранения водорода в автомобилях, давление обычно составляет 35 МПа и 70 МПа. Газообразное хранение водорода в настоящее время является наиболее распространенным способом хранения водорода среди всех способов хранения, а основным фактором, сдерживающим дальнейшее развитие высоконапорного хранения водорода в стране, является то, что некоторые материалы, технологии и комплектующие для баллонов для хранения водорода по-прежнему импортируются, а характеристики отечественных заменителей все еще отстают.

　　Жидкое хранение водорода включает в себя два технологических направления: низкотемпературное жидкое хранение водорода и органическое жидкое хранение водорода. Основной принцип низкотемпературного жидкого хранения водорода заключается в сжатии и охлаждении водорода до -253 ℃ для его сжижения и хранения в низкотемпературном адиабатическом контейнере, плотность жидкого водорода может достигать 70,78 кг/м³. Эта технология обладает такими преимуществами, как большой объем хранения, высокая чистота, малая занимаемая площадь и быстрая заправка, но температура сжижения водорода низкая, что приводит к высокому энергопотреблению при сжижении, для сжижения 1 кг водорода требуется 4-10 кВт·ч электроэнергии, а также требуются специальные морозостойкие, высокопрочные и высокоизолированные контейнеры для хранения водорода, общая стоимость остается высокой, поэтому применение ограничено несколькими областями, такими как авиация, и не распространилось на гражданскую сферу.

　　Органическое жидкое хранение водорода — это использование обратимой химической реакции водорода с органической средой для хранения и высвобождения водорода. Олефины, алкины и ароматические углеводороды являются наиболее распространенными органическими материалами для жидкого хранения водорода в настоящее время. Эта технология обладает преимуществами высокой стабильности, высокой безопасности, высокой плотности хранения водорода и возможности повторного использования среды хранения водорода, но существуют проблемы с высокой температурой дегидрирования, низким КПД и высоким энергопотреблением. Из-за высокой стоимости в настоящее время оба направления жидкого хранения водорода находятся на стадии опытно-конструкторских работ.

　　Твердотельное хранение водорода — это новая тенденция последних лет, которая включает в себя два направления: физическую адсорбцию водорода и химическое хранение водорода. Физическая адсорбция водорода — это адсорбция молекул водорода на поверхности твердого тела за счет сил Ван-дер-Ваальса, материалы для хранения водорода включают углеродные материалы, неорганические пористые материалы и металлоорганические каркасные соединения, их недостатком является то, что большинство материалов для физической адсорбции могут достигать определенной плотности хранения водорода только при низких температурах, а при нормальной температуре и давлении количество адсорбированного водорода очень низкое. К химическим материалам для хранения водорода относятся в основном металлические гидриды, координационные гидриды и химические гидриды. Среди них металлические гидриды являются предметом пристального изучения благодаря своей высокой емкости хранения водорода и хорошей циклической стабильности. Твердотельное хранение водорода может осуществляться в условиях, близких к нормальной температуре и давлению, и обладает преимуществами высокой объемной плотности хранения, обратимости, длительного срока службы, высокой безопасности и высокой чистоты подаваемого водорода, что делает его перспективным для рынка.

　　Баллоны типа IV имеют лучшие характеристики и стоимость, но их замена баллонов типа III все еще требует времени.

　　Баллоны для хранения водорода являются ключевым носителем высоконапорного газообразного хранения водорода, а также наиболее коммерциализированным звеном в хранении и транспортировке водорода. В настоящее время в стране автомобильные баллоны для хранения водорода в основном представляют собой баллоны типа III с давлением 35 МПа, которые уже серийно выпускаются; баллоны для хранения водорода типа IV постоянно совершенствуются, получили государственные стандарты и ускоряют свое развитие, что является важным направлением для внимания в будущем.

　　Основное различие между ними заключается в том, что внутренний корпус баллона типа III изготовлен из алюминиевого сплава, а внутренний корпус баллона типа IV — из высококомпозитного пластика; общее у них то, что внешняя оболочка представляет собой композитный материал из углеродного волокна с всенаправленным намоткой.

　　Малый вес: соотношение массы и объема баллона типа III составляет около 0,98, а соотношение массы и объема баллона типа IV — около 0,74; чем меньше соотношение массы и объема, тем меньше масса баллона для хранения водорода при одинаковом объеме, что позволяет увеличить полезную нагрузку;

　　Большой объем хранения водорода: плотность хранения водорода в баллоне типа IV составляет более 6%, а в баллоне типа III — около 4%; чем больше плотность хранения водорода, тем больше водорода хранится в баллоне для хранения водорода той же массы;

　　Длительный срок службы: внутренний корпус баллона типа IV изготовлен из пластика, который менее подвержен усталостному разрушению, а срок службы может быть продлен до 15 лет;

　　Низкий риск водородной хрупкости: внутренний корпус баллона для хранения водорода типа IV обычно изготавливается из высококомпозитного пластика, который более устойчив к коррозии, чем металлический внутренний корпус баллона типа III, что может эффективно предотвратить коррозионное растрескивание под напряжением и водородную хрупкость.

　　Баллоны для хранения водорода типа IV не только обладают лучшими характеристиками, но и стоят дешевле, чем баллоны для хранения водорода типа III. По последним расчетам Института материаловедения и техники Китайской академии наук в Нинбо, стоимость баллонов для хранения водорода типа III с давлением 35 МПа и 70 МПа составляет 3084 доллара США и 3921 доллар США соответственно, а стоимость баллонов для хранения водорода типа IV с давлением 35 МПа и 70 МПа составляет 2865 долларов США и 3486 долларов США соответственно, что на 7% и 11% ниже.

　　Основные причины следующие:

　　Внутренний корпус: внутренний корпус баллона типа IV изготовлен из высококомпозитного пластика, такого как полиамид (PA) или полиэтилен высокой плотности (HDPE), который дешевле по сравнению с металлическим алюминиевым внутренним корпусом баллона типа III в пересчете на единицу массы, а также легко формируется, что снижает общую стоимость производства;

　　Технология намотки: пластиковый внутренний корпус баллона типа IV не требует термической обработки и легче формируется, по сравнению с металлическим внутренним корпусом баллона типа III, технология намотки проще, что снижает производственные затраты;

　　Экономия материалов: углеродное волокно является наиболее дорогостоящей частью баллона для хранения водорода, при проектировании баллона типа IV можно повысить коэффициент использования композитного материала из углеродного волокна, уменьшить количество используемых материалов и тем самым снизить стоимость, по мере повышения эффективности производства намоточных установок и точности существующего дизайна преимущества баллона типа IV в отношении стоимости станут еще более очевидными.

　　23 мая 2023 года был опубликован национальный стандарт Китая «Композитный баллон из углеродного волокна с пластиковой внутренней оболочкой для сжатого водорода для автомобилей», который вступит в силу 1 июня 2024 года. Это знаменует собой важный шаг вперед в стандартизации баллонов типа IV, и, вероятно, ускорит процесс их промышленного производства.

　　Однако это не означает, что замена баллонов типа III на баллоны типа IV произойдет мгновенно.

　　На Международном конгрессе по водородной энергетике и топливным элементам для автомобилей в июне 2024 года Ли Хуашен, заместитель генерального директора компании China National Materials (002080.SZ), заявил, что при рабочем давлении 35 МПа баллоны типа III большого объема обладают более значительным преимуществом в стоимости по сравнению с баллонами типа IV. Для таких транспортных средств, как автобусы, городские грузовики и специальные автомобили, где требования к легковесности и дальности пробега не очень высоки, вариант с баллонами типа III на 35 МПа в основном удовлетворяет эксплуатационные потребности, а преимущества баллонов типа IV не так очевидны. При рабочем давлении 70 МПа преимущества баллонов типа IV в легковесности и низкой стоимости становятся более заметными. Для большегрузных автомобилей требования к легковесности и дальности пробега выше, поэтому баллоны типа IV большого объема и высокого давления могут иметь больше возможностей в этой области.

　　Кроме того, некоторые отраслевые аналитики указывают на необходимость дальнейшего решения таких проблем баллонов типа IV, как недостаточная герметичность между пластиковой внутренней оболочкой и металлическим соединением, недостаточная жесткость пластиковой внутренней оболочки и повышенная чувствительность к температуре.

　　Таким образом, можно предположить, что в течение некоторого времени баллоны типа III и типа IV будут конкурировать в разных нишах, а не полностью заменять друг друга.