《Journal of Energy Storage》：Modeling and performance analysis of liquid hydrogen bunkering infrastructures for truck-to-ship, port-to-ship and ship-to-ship applications
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液态氢（liquid hydrogen, LH2）在长距离和大容量燃料运输方面具有广阔的应用前景。在此背景下，本文通过动态多物理场建模方法研究加注作业中的液氢传输过程。该模型基于积分和微分方程组，考虑两相储罐中发生的主要物理现象，涵盖热质交换过程、氢液与氢气管
液态氢（liquid hydrogen, LH2）在长距离和大容量燃料运输方面具有广阔的应用前景。在此背景下，本文通过动态多物理场建模方法研究加注作业中的液氢传输过程。该模型基于积分和微分方程组，考虑两相储罐中发生的主要物理现象，涵盖热质交换过程、氢液与氢气管路（包括液体传输与蒸发气（boil-off gas, BOG）回流），以及基于阀门操作以维持安全工况的控制系统。在模型验证之后，研究人员分析了三种代表性加注配置，即卡车对船（truck-to-ship, TTS）、港口对船（port-to-ship, PTS）和船对船（ship-to-ship, STS），并考虑了不同的基础设施规模和运行条件。通过评估压力、温度和体积的瞬态演化，所研究案例的预测加注时长范围为40至145 min，接收罐的充装状态（state of charge, SOC）介于4.5%至85%之间。此外，船对船配置需排放约1225 kg蒸发气以维持安全运行工况。
**论文解读：液氢加注基础设施的动态建模与性能对比分析**
**一、研究背景与意义**
全球能源系统向可持续方向转型的进程中，寻找能够显著降低温室气体排放同时满足工业与交通运输部门能源需求的替代燃料成为关键议题。液氢（liquid hydrogen, LH
2）凭借其清洁、高效和多样的能源载体特性，在航空、海运和重型运输等难以电气化的领域中展现出作为化石燃料替代品的巨大潜力。在航运领域，氢燃料加注被视为实现脱碳运营的变革性机遇，氢动力船舶可显著减少温室气体及其他污染物排放，与国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）的航运减排战略相契合。
然而，液氢作为船用燃料的推广面临技术、经济和安全等多重挑战，尤其在加注作业环节。液氢加注涉及将氢从储存罐或供应罐转移至船舶燃料罐，需维持深冷状态，因而对保温储存技术和输送基础设施提出极高要求。目前全球范围内液氢加注设施极为有限：截至2022年，仅有两个液氢货物装卸设施（分别位于澳大利亚黑斯廷斯港和日本神户港），而真正意义上的船舶加注设施更为稀缺。挪威MF Hydra项目是液氢加注的代表性实际案例，自2023年起通过专用卡车对船加注设施为全球首艘液氢动力渡轮补给燃料。
在学术领域，现有研究多集中于液氢与其他燃料的安全性对比、经济性评估以及单罐热行为模拟，而对完整的液氢加注过程进行系统级动态建模与性能分析的研究相对匮乏。部分研究关注液氢储罐内部的压力与热力学行为，但未将储罐、管路和阀门控制系统作为一个整体加以考察；另有研究聚焦于安全风险评估，缺乏对加注过程性能的定量分析。此外，卡车对船、港口对船和船对船三种加注模式在基础设施规模、运行条件和动态响应方面的系统对比尚属空白。因此，建立一个能够综合模拟热力学、流体动力学和控制逻辑的多物理场动态模型，对于深入理解液氢加注过程并指导未来基础设施建设具有重要的学术价值和工程意义。
**二、研究内容与总体结论**
针对上述研究空白，研究人员在发表于《Journal of Energy Storage》的论文中开发了一个动态多物理场数值模型，综合考虑热力学、流体动力学与控制关系，对液氢加注全过程进行系统级模拟。该模型涵盖从储罐、管路到阀门控制的完整加注系统，能精确预测加注过程中的瞬态压力、温度和体积响应。模型经过实验数据验证后，应用于卡车对船、港口对船和船对船三种典型加注场景的模拟分析。研究结果表明，所提出的阀门控制策略能有效维持系统运行参数在安全范围内；三种场景的加注时长介于40至145 min之间，接收罐充装状态（state of charge, SOC）介于4.5%至85%之间；船对船配置需排放约1225 kg蒸发气（boil-off gas, BOG）以维持安全工况。这些发现为液氢加注基础设施的设计优化和安全运行提供了理论基础。
**三、关键技术方法**
研究人员采用了基于集总参数法的动态多物理场建模框架，在MATLAB/Simulink环境中实现。模型由积分和微分方程组构成，分别对储罐液相区、气相区和界面区建立质量与能量平衡方程，并考虑壁面导热效应。液氢热物性参数取自美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）数据库。管路系统基于伯努利方程和Darcy-Weisbach公式计算压降与流量，阀门采用ON-OFF控制逻辑维持储罐压力在设定阈值范围内。模型通过文献中的地面储罐传输实验数据进行验证，主要变量误差低于5%。研究设定三种场景的初始条件：卡车储罐（50 m3，1.5 MPa）、港口储罐（400 m3，1 MPa）和船舶储罐（1250 m3，0.8 MPa）分别作为供应系统，接收罐统一为1250 m3船舶储罐，目标压力为0.2 MPa。
**四、研究结果分析**
**4.1 场景一：卡车对船加注过程**
该场景模拟卡车拖车向船舶储罐输送液氢的过程。供应罐容积50 m3，接收罐容积1250 m3，管路直径50 mm，长度50 m。整个加注过程约需40 min完成。供应罐压力从初始值1.5 MPa降至目标值1 MPa后，通过间歇式蒸发过程维持在目标值附近；接收罐压力在0.18至0.22 MPa之间振荡，由蒸发气回流阀（V2）控制。供应罐蒸气温度在压力下降阶段显著降低3 K，随后因间歇蒸发而略有上升；接收罐蒸气温度从300 K逐步降至60 K，主要由气液界面热交换驱动。液体传输平均质量流量约为1.25 kg/s，供应罐液氢体积从47.5 m3降至2.5 m3，而接收罐仅增加约25 m3。质量差异归因于两方面：约485 kg氢气以蒸发气形式从接收罐排出，以及供应罐中部分液体被蒸发以维持目标压力。
**4.2 场景二：港口对船加注过程**
该场景模拟港口固定储罐向船舶加注的过程。港口储罐容积400 m3，初始压力1 MPa，目标压力0.8 MPa，管路直径150 mm。加注过程约需65 min，平均流量为300 m3/h。供应罐压力在50 s内即达到目标值并稳定维持；接收罐压力变化趋势与场景一相似。接收罐蒸气温度从300 K降至55 K，供应罐蒸气温度保持在30 K附近。平均质量流量约为6 kg/s，过程结束时供应罐剩余20 m3液氢，接收罐液氢体积达到约355 m3。BOG排放量约为605 kg。
**4.3 场景三：船对船加注过程**
该场景模拟两艘同尺寸船舶之间的液氢传输。供应罐与接收罐容积均为1250 m3，初始压力0.8 MPa，目标压力0.5 MPa，管路直径200 mm。加注过程历时约145 min，平均流量460 m3/h，为三种场景中最高。供应罐压力通过间歇式蒸发维持在0.5 MPa，蒸气温度在30 K附近小幅波动。接收罐温度最终达到与供应罐相同的30 K水平。供应罐液氢从约1200 m3降至60 m3，接收罐达到约1050 m3。BOG质量流量累计约1225 kg，供应罐蒸发量约6100 kg。
**4.4 案例对比分析**
三种场景的系统对比显示，流量率随供应罐尺寸和管路直径增大而增加，从TTS的65 m3/h增至STS的460 m3/h，管路直径是主导因素。加注时间与储罐容积相关，TTS仅需40 min而STS需145 min。接收罐充装状态分别为TTS的4.5%、PTS的27%和STS的85%，表明即使在储罐尺寸相同的情况下，因供应罐内维持压力所需的液氢蒸发损失，STS也无法实现完全充装。BOG排放量依次为485 kg、605 kg和1225 kg，占传输质量的17%、3%和1.5%，凸显了实施BOG回收策略的必要性。
**五、讨论与结论**
研究结果表明，液氢加注性能不能仅从储罐热力学行为单独评估，压力演化、BOG生成、管路水力学特性和阀门动作之间的相互作用显著影响整体传输过程，这强调了将完整加注基础设施作为集成动态系统建模的重要性。三种加注配置作为代表性基准案例，揭示了储罐容积、初始压力、管路直径和阀门控制逻辑对流量率、加注时间、充装状态和BOG生成的综合影响。
研究定量评估了各加注配置中BOG管理的挑战规模，为未来再液化、燃料电池集成或先进控制算法等具体回收策略的技术经济评估奠定了基础。研究结论指出，减少液氢加注过程中的空闲时段至关重要，因为长时间的保持状态会促进BOG积累和系统压力升高。高效的作业规划和合理的传输顺序管理对于减少氢气损失、提高加注基础设施整体效率十分必要。未来研究可在此基础上集成先进预测控制策略，并对主要水力学和热物理参数进行系统敏感性及不确定性分析，以识别影响加注性能、BOG生成、压力稳定性和系统效率的关键参数，从而支撑未来液氢加注基础设施的优化与稳健设计。
液氢作为难以电气化领域脱碳的重要能源载体，其加注基础设施的性能优化与安全保障将是推动氢能经济规模化发展的关键环节。
