科普 | 四大氫能儲(chǔ)運(yùn)方式哪個(gè)成本最低？

氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，對(duì)于氫的存儲(chǔ)和運(yùn)輸是連接氫氣生產(chǎn)端和消費(fèi)求端的關(guān)鍵橋梁，其發(fā)展態(tài)勢(shì)深刻影響著氫能發(fā)展節(jié)奏及進(jìn)度。氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本如何計(jì)算，關(guān)系著整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度和方向。

據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2040年，我國(guó)氫氣的年需求量將增至5700萬(wàn)噸左右，龐大的氫能需求量需依靠更加完善的氫儲(chǔ)運(yùn)供應(yīng)體系。假設(shè)按照終端氫氣售價(jià)30元/kg，儲(chǔ)運(yùn)成本占比30%，設(shè)備投資成本占比70%，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)模將高達(dá)5200億元。

何為氫能儲(chǔ)運(yùn)

氫能儲(chǔ)運(yùn)是指在氫能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和消耗過(guò)程中，如何有效地存儲(chǔ)和運(yùn)輸氫氣的技術(shù)。氫氣作為一種清潔能源，其在交通運(yùn)輸、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。然而，氫氣的特性（易燃易爆、擴(kuò)散系數(shù)大）使得其儲(chǔ)運(yùn)成為一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。

氫能儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括如何提高氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸效率，同時(shí)確保安全性和經(jīng)濟(jì)性。氫氣的儲(chǔ)存方式直接影響其運(yùn)輸方式，因此儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。目前，氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。

氫能儲(chǔ)運(yùn)的主要方式

氫能儲(chǔ)運(yùn)當(dāng)前主要有四種方式，四種方式各有所長(zhǎng)。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前最常用且發(fā)展比較成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)。它通過(guò)采用高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器里，如鋼瓶。這種方式的優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快。然而，其儲(chǔ)氫量較低，且對(duì)高壓儲(chǔ)氫罐存在較高的技術(shù)要求。

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣經(jīng)過(guò)壓縮后，深冷到21K以下使其變?yōu)橐簹洌?chǔ)存在低溫絕熱的真空容器當(dāng)中。這種方式的儲(chǔ)運(yùn)量更大、純度高、充裝更快、占地更小。但是，液化1kg的氫氣需要耗電4-10千瓦時(shí)，且需要特殊的容器來(lái)儲(chǔ)存液氫，這些容器需要抗凍、抗壓以及嚴(yán)格絕熱。

固態(tài)儲(chǔ)氫

固態(tài)儲(chǔ)氫利用氫氣與儲(chǔ)氫材料之間發(fā)生物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為固溶體或氫化物的形式進(jìn)行氫氣儲(chǔ)存。這種方式有效克服了高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)兩種儲(chǔ)氫方式的不足，具有儲(chǔ)氫體積密度大、操作容易、運(yùn)輸方便、成本低、安全等特點(diǎn)。適合于對(duì)體積要求較嚴(yán)格的場(chǎng)景應(yīng)用，是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲(chǔ)氫方式。

有機(jī)液體儲(chǔ)氫

有機(jī)液體儲(chǔ)氫是通過(guò)不飽和液體有機(jī)物的可逆加氫和脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫。這種方式安全方便，可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存。但是，其費(fèi)用高、氫氣純度不夠等缺點(diǎn)。

氫能儲(chǔ)運(yùn)成本的定義

氫能儲(chǔ)運(yùn)成本指的是在氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，將氫氣從生產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)较M(fèi)地，以及存儲(chǔ)在指定地點(diǎn)所涉及的所有費(fèi)用。其成本計(jì)算主要包括以下幾個(gè)方面。

儲(chǔ)存成本：包括儲(chǔ)氫設(shè)施的建設(shè)、維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用，以及氫氣在儲(chǔ)存過(guò)程中的能量損失。高壓儲(chǔ)氫目前最為成熟，應(yīng)用也最廣，但是儲(chǔ)氫密度和安全性方面存在瓶頸；固體材料儲(chǔ)氫則有著巨大潛力，但是目前處于研究階段；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有單位質(zhì)量和單位體積儲(chǔ)氫密度大的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但目前儲(chǔ)存成本過(guò)高，主要體現(xiàn)在液化過(guò)程耗能大，以及對(duì)儲(chǔ)氫容器的絕熱性能要求極高兩個(gè)方面；有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫由于成本和技術(shù)問(wèn)題還未能大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

運(yùn)輸成本：包括氫氣在運(yùn)輸過(guò)程中的能耗、運(yùn)輸工具的折舊和維護(hù)費(fèi)用、運(yùn)輸保險(xiǎn)費(fèi)用等。

安全成本：是指確保氫氣在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中的安全性，包括安全設(shè)備的購(gòu)置和維護(hù)、人員培訓(xùn)、應(yīng)急響應(yīng)等費(fèi)用。

損耗成本：是指氫氣在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中可能發(fā)生的泄漏或其他原因?qū)е碌膿p失。

氣態(tài)儲(chǔ)氫的成本差異

由于不同的儲(chǔ)運(yùn)方式對(duì)于氫氣的生產(chǎn)成本會(huì)產(chǎn)生不同的差異性影響，所以對(duì)于氫能不同的儲(chǔ)運(yùn)方式，有著各自的適用范圍。在氣態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域，主要有兩種形式。一種是長(zhǎng)管拖車另一種是管道運(yùn)輸。兩者雖然都是氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫能的方式，但兩者的應(yīng)用范圍和成本也存在較大的差異。長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)常以20MPa長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫約300kg，國(guó)內(nèi)正正在積極發(fā)展35MPa運(yùn)氫技術(shù)。國(guó)外則采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫可提高到700kg。

由于氫氣密度很小，而儲(chǔ)氫容器自重大，所運(yùn)輸氫氣的重量只占總運(yùn)輸重量的1~2%之間。據(jù)中石油化工研究院數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)輸距離為50km時(shí)，氫氣的運(yùn)輸成本為4.9元/kg；隨著運(yùn)輸距離的增加，長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸成本逐漸上升，當(dāng)距離500km時(shí)運(yùn)輸成本近22元/kg，因此長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫只適用于運(yùn)輸距離較近(運(yùn)輸半徑200公里)和輸送量較低的場(chǎng)景。

為測(cè)算長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的成本，假設(shè)基本條件如下：加氫站規(guī)模為500kg/天，距離氫源點(diǎn)100km；長(zhǎng)管拖車滿載氫氣質(zhì)量350kg，管束中氫氣殘余率20%，每日工作時(shí)間15h；拖車平均時(shí)速50km/h，百公里耗油量25升，柴油價(jià)格7元/升；動(dòng)力車頭價(jià)格40萬(wàn)元/臺(tái)，以10年進(jìn)行折舊；管束價(jià)格120萬(wàn)元/臺(tái)，以20年進(jìn)行折舊，折舊方式均為直線法；拖車充卸氫氣時(shí)長(zhǎng)5h；氫氣壓縮過(guò)程耗電1kwh/kg，電價(jià)0.6元/kwh；每臺(tái)拖車配備兩名司機(jī)，灌裝、卸氣各配備一名操作人員，工資10萬(wàn)元/人·年；車輛保險(xiǎn)費(fèi)用1萬(wàn)元/年，保養(yǎng)費(fèi)用0.3元/km，過(guò)路費(fèi)0.6元/km；根據(jù)以上假設(shè)，可測(cè)算出規(guī)模為500kg/d、距離氫源點(diǎn)100km的加氫站，運(yùn)氫成本為8.66元/kg。

數(shù)據(jù)來(lái)源：《加氫站氫氣運(yùn)輸方案比選》、恒盛證券

管道輸氫也是氫氣運(yùn)輸?shù)囊环N方式，由于純氫管道的初始投資較大，不適合作為氫能發(fā)展初期應(yīng)用，在管道運(yùn)輸發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式，即利用已建設(shè)的天然氣輸配管網(wǎng)與基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行天然氣和氫氣混合輸送。美國(guó)和歐洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的區(qū)域，已有70年歷史。我國(guó)的輸氫管道主要分布在環(huán)渤海灣、長(zhǎng)三角等地。氫能匯（微信公眾號(hào)：h2-2005）了解到，中國(guó)已建、在建和規(guī)劃中的純氫管道共13條,其中純氫管道5條。根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》規(guī)劃的目標(biāo)顯示：預(yù)計(jì)到2030年,中國(guó)氫氣管道將達(dá)到3000公里。為測(cè)算管道運(yùn)氫的成本，我們參考濟(jì)源-洛陽(yáng)氫氣管道的基本參數(shù)，做出如下假設(shè)：管道長(zhǎng)度25km，總投資額1.46億元，則單位長(zhǎng)度投資額584萬(wàn)元/km；年輸氫能力為10.04萬(wàn)噸，運(yùn)輸過(guò)程中氫氣損耗率8%；管線配氣站的直接與間接維護(hù)費(fèi)用以投資額的15%計(jì)算；氫氣壓縮過(guò)程耗電1kwh/kg，電價(jià)0.6元/kwh；

管道壽命20年，以直線法進(jìn)行折舊。根據(jù)以上假設(shè)，可測(cè)算出長(zhǎng)度25m、年輸送能力10.04萬(wàn)噸的氫氣管道，運(yùn)氫價(jià)格為0.86元/kg。

數(shù)據(jù)來(lái)源：《加氫站氫氣運(yùn)輸方案比選》、恒盛證券

液態(tài)儲(chǔ)氫的成本差異

液態(tài)儲(chǔ)氫作為一種重要的儲(chǔ)氫方式，其成本差異主要體現(xiàn)在儲(chǔ)氫效率、運(yùn)輸成本以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面。

液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)又可分為兩大類：

物理法，即將氫冷卻到沸點(diǎn)以下（-253攝氏度以下）形成液氫，儲(chǔ)存于低溫絕熱液氫罐進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)；化學(xué)法，即氫通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，生成含氫的化合物，主要有三種方式，包括有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、氨-氫儲(chǔ)運(yùn)、甲醇-氫。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫：是將氫氣冷卻至21K（約-253攝氏度），液化儲(chǔ)存于低溫絕熱液氫罐中，儲(chǔ)氫密度可達(dá)到70.8kg/m3，是標(biāo)況下氫氣密度0.083kg/m3的近850倍，單臺(tái)液氫運(yùn)輸罐車的滿載約65m3，可凈運(yùn)輸4000kg氫，大大提高了運(yùn)輸效率，并且在液化過(guò)程還能提高氫氣純度，相應(yīng)程度上節(jié)省了提純成本。因此液氫適合長(zhǎng)距離、大容量?jī)?chǔ)運(yùn)，是配合我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模綠氫脫碳應(yīng)用的首要儲(chǔ)氫選擇。

北京特種工程研究院45m3液氫槽車

液氫槽車運(yùn)輸成本測(cè)算為測(cè)算液氫槽車運(yùn)輸?shù)某杀荆覀兊幕炯僭O(shè)如下：

加氫站規(guī)模為500kg/天，距離氫源點(diǎn)100km；槽車裝載量為15000加侖（約68m3，即4000kg），每日工作時(shí)間15h；槽車平均時(shí)速50km/h，百公里耗油量25升，柴油價(jià)格7元/升；液氫槽車價(jià)格約為50萬(wàn)美元/輛，以10年進(jìn)行折舊，折舊方式為直線法；槽車充卸液氫時(shí)長(zhǎng)6.5h；氫氣壓縮過(guò)程耗電11kwh/kg，電價(jià)0.6元/kwh；每臺(tái)拖車配備兩名司機(jī)，灌裝、卸載各配備一名操作人員，工資10萬(wàn)元/人·年；車輛保險(xiǎn)費(fèi)用1萬(wàn)元/年，保養(yǎng)費(fèi)用0.3元/km，過(guò)路費(fèi)0.6元/km。根據(jù)以上假設(shè)，可測(cè)算出規(guī)模為500kg/d、距離氫源點(diǎn)100km的加氫站，運(yùn)氫成本為13.57元/kg。

液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫使得氫可在常溫常壓下以液態(tài)輸運(yùn)，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。若能解決上述問(wèn)題，液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫將成為氫能儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域最有希望取得大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)之一。

有機(jī)儲(chǔ)氫載體成本依賴于所需原料價(jià)格及加工費(fèi)用；加氫和脫氫成本主要包括水、電、氣等公用工程消耗、儲(chǔ)氫載體損耗、加氫損失及人工成本等，其中公用工程消耗是重點(diǎn)。在 500 公里以內(nèi)，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫成本不超過(guò) 0.8 美元/kg，但算上脫氫成本，有機(jī)液態(tài)氫運(yùn)輸成本可達(dá) 2.8 美元/kg。

固態(tài)儲(chǔ)氫成本差異

固態(tài)儲(chǔ)氫包括物理吸附和化學(xué)反應(yīng)吸附。具體是指利用氫氣與儲(chǔ)氫材料之間的物理吸附或化學(xué)反應(yīng)，將氫氣儲(chǔ)存在固態(tài)材料中，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存及運(yùn)輸。物理吸附材料主要包括活性炭、碳納米管、碳納米纖維碳基材料、 金屬有機(jī)框架物（MOFs）、共價(jià)有機(jī)骨架（COFs）等，通過(guò)其物理性質(zhì)，吸附或捕捉氫氣。

固態(tài)儲(chǔ)氫運(yùn)輸成本在 9.6-21.7元/kg之間。我們的假設(shè)條件如下：

單車儲(chǔ)氫量為1噸；365天都可工作，每日工作時(shí)長(zhǎng)16h，平均時(shí)速 50km/h；設(shè)備價(jià)格 800 萬(wàn)元/輛，以10年進(jìn)行折舊，殘值率為 85%；人工成本為兩名駕駛員和兩名裝卸員，人員費(fèi)用共40萬(wàn)元/年，車輛保險(xiǎn)費(fèi)用1萬(wàn)元/年，車輛保養(yǎng)費(fèi)用 0.3 元/km；百公里耗油量 33 升，柴油價(jià)格 7.5 元/升；充放氫過(guò)程耗電15kwh/kg，電價(jià) 0.6元/kwh；車輛過(guò)路費(fèi)按1.3元/公里計(jì)費(fèi)。經(jīng)上述條件測(cè)算在運(yùn)輸距離 50~1000km，以滿載1000kg氫氣的固態(tài)儲(chǔ)氫車為例，隨著運(yùn)輸距離增加，單位質(zhì)量氫氣的運(yùn)輸成本從 9.6 元/kg 增加至21.7元/kg。綜上所述，管道輸氫在短距離、長(zhǎng)距離均具有儲(chǔ)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。在低于200km的輸氫范圍內(nèi)，運(yùn)輸氫氣的經(jīng)濟(jì)性從高到低分別為：純氫管道>高壓氣態(tài)>摻氫管道>液態(tài)儲(chǔ)氫>固態(tài)鎂基；在200-450km范圍內(nèi)，運(yùn)輸氫氣的經(jīng)濟(jì)性從高到低分別為：純氫管道>摻氫管道>液態(tài)儲(chǔ)氫>高壓氣態(tài)>固態(tài)鎂基；在大于450km 的運(yùn)輸范圍內(nèi)，運(yùn)輸氫氣的經(jīng)濟(jì)性從高到低分別為：純氫管道> 摻氫管道>液態(tài)儲(chǔ)氫>固態(tài)鎂基>高壓氣態(tài)。由此可見，積極推廣和大力發(fā)展管道輸氫技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。管道輸氫作為一種高效、經(jīng)濟(jì)的氫氣輸送方式，能夠顯著降低氫能在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中的成本和能耗，從而為氫能的大規(guī)模應(yīng)用提供有力支撐。通過(guò)建設(shè)完善的管道輸氫網(wǎng)絡(luò)，可以有效連接氫氣生產(chǎn)地和消費(fèi)地，提高氫能供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)一步促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的繁榮和可持續(xù)發(fā)展。因此，加大對(duì)管道輸氫技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用投入，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)具有舉足輕重的作用。