中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。2021年，全球氫氣產(chǎn)量約為每年7000萬噸。中國是世界上最大的氫氣生產(chǎn)國，每年產(chǎn)量2200萬噸，約占世界產(chǎn)量的三分之一。但由于氫氣體積能量密度極低且液化困難，其運(yùn)輸成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過石油及天然氣等傳統(tǒng)燃料，達(dá)到交貨成本的6%左右。而且隨著規(guī)模經(jīng)濟(jì)與技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致的制氫成本下降，運(yùn)輸成本的比重還會(huì)不斷增加。
氫氣的輸運(yùn)包括工業(yè)鋼瓶、集裝格、長管拖車、氣體管道、液態(tài)氫氣、有機(jī)液體、儲(chǔ)氫合金等方法。單個(gè)工業(yè)氫氣鋼瓶的容積為40L，壓力為15MPa，儲(chǔ)氫為0.5kg。集裝格由9~20個(gè)氫氣鋼瓶組成，儲(chǔ)氫3~10kg，主要是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的氫氣輸運(yùn)。100kg以上的氫氣輸運(yùn)方法主要是長管拖車、氣體管道、液態(tài)氫氣。幾種氫氣運(yùn)輸方式對(duì)比如下圖所示。
圖 氫氣運(yùn)輸方式對(duì)比
在陸地上進(jìn)行大量氫氣輸送時(shí)， 氣體管道輸送很有效。一般的氫氣集裝格和長管拖車中都有連接鋼瓶的氣體管道， 在陸地上能夠鋪設(shè)大規(guī)模、長距離而且高壓的氫氣管道進(jìn)行氫氣輸送。管道運(yùn)輸是具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\(yùn)氫方式。低壓管道適合大規(guī)模、長距離的運(yùn)氫。由于氫氣在低壓狀態(tài)(工作壓力1~4MPa)下運(yùn)輸， 因此相比高壓鋼瓶輸氫能耗更低， 但管道建設(shè)的初始投資較大。
有機(jī)液體以及氨氣輸運(yùn)氫氣也是正在開發(fā)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法，尤其是在長距離、大規(guī)模的氫氣輸送方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但是雜質(zhì)氣體含量高，高純氫氣使用時(shí)需要重新純化。固態(tài)合金輸氫純度高、安全性好， 但是輸運(yùn)能耗高、成本高，適合人口密集的區(qū)域以及短距離的氫氣輸運(yùn)。長管拖車輸運(yùn)氫氣成本隨距離的增加顯著， 適合300km以內(nèi)的輸氫， 距離超過300km時(shí)， 液氫和管道輸氫更合適， 輸氫量越大， 這種趨勢(shì)越明顯。三種主要輸氫方式價(jià)格與距離的變化如下圖所示。
圖 三種輸氫方式價(jià)格與距離變化關(guān)系
目前我國氫氣的輸運(yùn)幾乎都依賴長管拖車， 滿足不了大規(guī)模氫氣使用和氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 管道輸氫和液態(tài)輸氫技術(shù)亟待提高。
氫氣的管道輸運(yùn)
歐洲和美洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的地區(qū)， 已有70年歷史， 在管道輸氫方面已經(jīng)有了很大規(guī)模， 如美國Praxair公司的分公司林德管道公司在得克薩斯州蒙特貝爾維尤至阿瑟港和奧蘭治之間鋪設(shè)了113km的氫氣輸送管道， 耗資3000萬美金。林德管道公司每天能夠輸送283萬Nm3以上的氫氣， 氫氣純度為99.99%。管道埋設(shè)深度最淺處不小于1.22m， 管道設(shè)計(jì)強(qiáng)度和水壓試驗(yàn)強(qiáng)度分別為管道最大運(yùn)行壓力的2.和1.9倍。美國加州托蘭斯(Torrance)的加氫站也在同區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)氫氣管道， 直接給用戶供氫。
法國Air Liquid公司在法國、比利時(shí)、荷蘭的國界附近鋪設(shè)了830km的氫氣管道， 德國在北萊茵-威斯特法倫州鋪設(shè)了240km的氫氣管道，壓力為5MPa， 給用戶供氫。這些氫氣管道主要為工業(yè)所用，也有直接與加氫站相連的氫氣管道。德國Frankfurt加氫站與氯堿電解工廠的副產(chǎn)品氫氣源相鄰， 兩者之間鋪設(shè)了1.7km的氫氣管道， 氫氣壓力為90MPa， 可以免去壓縮機(jī)直接供氫。
根據(jù)美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(Pacific Northwest National Laboratory，PNNL)在2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 全球共有4542km的氫氣管道，其中美國有2608km的輸氫管道，歐洲有1598km的輸氫管道。
我國氫氣管網(wǎng)發(fā)展不足， 輸氫管道主要分布在環(huán)渤海灣、長江三角洲等地，氫氣管網(wǎng)布局有較大的提升空間。
管道氫氣運(yùn)輸?shù)某杀局饕ü艿澜ㄔO(shè)費(fèi)用折舊與攤銷、直接運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用（材料費(fèi)、維修費(fèi)、輸氣損耗、職工薪酬等）、管理費(fèi)及氫氣壓縮成本等。如果對(duì)管道輸氫的成本做一筆運(yùn)算，以“濟(jì)源-洛陽”項(xiàng)目為例，“濟(jì)源-洛陽”項(xiàng)目輸氣管道全長25km，設(shè)計(jì)壓力4.0Mpa，管道規(guī)格DN500mm，輸氣能力為10.04萬噸/年，配套建設(shè)2座站場，項(xiàng)目總投資1.5429億元。采用φ508mm管道，建設(shè)成本為616萬/km，管道使用壽命20年。運(yùn)行期間維護(hù)成本及管理費(fèi)用按建設(shè)成本的8%計(jì)算。據(jù)統(tǒng)計(jì)氫氣管道在滿載輸送過程中損耗為1252kg/km年。成本計(jì)算數(shù)據(jù)如下表所示
表 成本計(jì)算數(shù)據(jù)
管道輸送的年運(yùn)輸能力取決于設(shè)計(jì)能力，而與運(yùn)輸距離基本無關(guān)。按照φ502mm的管道計(jì)算，年輸送能力為10.04萬噸。假設(shè)輸送距離為Xkm，則滿負(fù)荷運(yùn)行下年總輸送成本為：TC=(308000+24640)*X+10.04*10000000*0.42+13897*X 元。單位運(yùn)輸成本測(cè)算如下：
圖 管道氫氣運(yùn)輸單位成本（元/噸公里）
可以發(fā)現(xiàn)，管道運(yùn)輸?shù)膰嵐锍杀臼苓\(yùn)能利用率的顯著影響，隨著運(yùn)能利用率的下降單位運(yùn)輸成本大幅度提升，在利用率提升到40%以上之后運(yùn)輸成本的變化幅度減緩。
隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，日益增加的氫氣需求量將推動(dòng)我國氫氣管網(wǎng)建設(shè)。國內(nèi)氫氣管網(wǎng)建設(shè)正在提速，根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(2016)》所制定的氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展路線， 2030年， 我國燃料電池汽車將達(dá)200萬輛，同時(shí)將建成3000km以上的氫氣長輸管道。該目標(biāo)將有效推進(jìn)我國氫氣管道建設(shè)。
利用現(xiàn)有成熟的天然氣管網(wǎng)、CNG(compressednatural gas)和天然氣加氣站等設(shè)施， 可新建或在現(xiàn)有站址基礎(chǔ)上改擴(kuò)建制氫加氫一體化站。通過站內(nèi)制氫加氫，減少了氫氣運(yùn)輸環(huán)節(jié)， 降低了氫氣制儲(chǔ)運(yùn)的成本。該技術(shù)可將氫氣槍出口處的價(jià)格降低，氫燃料汽車的用氫成本與汽柴油車的用車成本相當(dāng)， 且更環(huán)保，符合未來能源的趨勢(shì)。
液氫儲(chǔ)運(yùn)
液態(tài)氫氣是一種深冷的氫氣儲(chǔ)存技術(shù)。將氫氣經(jīng)過壓縮后，深冷到21K以下變?yōu)橐簹?，然后?chǔ)存到特制的絕熱真空容器中。常溫、常壓下，液氫的密度為氣態(tài)氫的845倍，液氫的體積能量密度比壓縮貯存高好幾倍，這樣，同一體積的儲(chǔ)氫容器，其儲(chǔ)氫質(zhì)量大幅度提高。但是，由于氫具有質(zhì)輕的特點(diǎn)，在作為燃料使用時(shí)，相同體積的液氫與汽油相比，含能量少。這意味著將來若以液氫完全替代汽油，則在行駛相同里程時(shí)，液氫儲(chǔ)罐的體積要比現(xiàn)有油箱大得多(約3倍)。
圖 不同氫液化方法的能耗
理想狀態(tài)下，氫氣液化耗能為3.92kWh/kg。目前的氫氣液化主要是通過液氮冷卻和壓縮氫氣膨脹實(shí)現(xiàn)， 耗能為13~15kWh/kg， 幾乎是氫氣燃燒所產(chǎn)生低熱值 (產(chǎn)物為水蒸氣時(shí)的燃燒熱值，33.3kWh/kg)的一半，而氮?dú)獾囊夯哪軆H為0.207kWh/kg，因此降低氫氣液化耗能至關(guān)重要。不同氫液化方法的能耗如上圖所示。
美洲是全球最大、最成熟的液氫生產(chǎn)和應(yīng)用地域， 美國本土已有15座以上的液氫工廠，液氫產(chǎn)能占全球80%以上，達(dá)到375t/d，加拿大80t/d的液氫產(chǎn)能也為美國所用。美國的液氫工廠全部是5t/d以上的中大規(guī)模，并以10~30t/d以上占據(jù)主流。
近年，美國普萊克斯公司、美國空氣化工產(chǎn)品有限公司、法國液化空氣集團(tuán)在美國相繼新建的液氫工廠規(guī)模都在30t/d及以上，預(yù)計(jì)2021年美國液氫產(chǎn)能將突破500t/d。因此，其生產(chǎn)液氫的能耗和成本都比較低。歐洲4座液氫工廠的液氫產(chǎn)能為24 t/d；亞洲有16座液氫工廠，總產(chǎn)能為38.3t/d，其中日本占了2/3。
中國起步較晚， 與國外存在較大的差距。中國液氫工廠有陜西興平、海南文昌、中國航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院第101研究所和西昌衛(wèi)星發(fā)射中心等，主要服務(wù)于航天發(fā)射，總產(chǎn)能僅有4t/d， 最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2t/d。目前，中國民用液氫市場基本空白。根據(jù)科技部2020年“可再生能源與氫能技術(shù)”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)指南， 中國亟須研制液化能力≥5t/d且氫氣液化能耗≤13kWh/(kg LH2)的單套裝備， 指標(biāo)與國外主流大型氫液化裝置性能基本一致，以期盡快縮短我國產(chǎn)品成本、質(zhì)量和制造水平與世界發(fā)達(dá)國家的差距。
圖 部分液化氫儲(chǔ)運(yùn)成本預(yù)測(cè)，單位美元/kg。根據(jù)資料整理
目前，高昂的成本是氫氣液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的主要障礙，除了低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)外，液氨儲(chǔ)氫或有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫也是潛在的方案，部分液化氫儲(chǔ)運(yùn)的成本預(yù)測(cè)如上圖所示，到2030年，合成液氨氫儲(chǔ)運(yùn)終端總成本為4.4美元/kg，低溫液化氫儲(chǔ)運(yùn)終端總成本為3.9美元/kg。通過液氨、烯烴、炔烴或芳香烴等儲(chǔ)氫劑和氫氣產(chǎn)生可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)加氫和脫氫，能耗相對(duì)較低，但工藝與裝置較為復(fù)雜，目前基本沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
