氫氣運輸：不同運輸方式的成本測算

氫氣從制氫廠到加氫站需要經歷運輸環(huán)節(jié)。氫氣的運輸方式可根據氫氣狀態(tài)不同分為氣態(tài)氫氣(GH2)輸送、液態(tài)氫氣(LH2)輸送和固態(tài)氫氣(SH2)輸送。

選擇何種運輸方式,需基于以下四點綜合考慮:運輸過程的能量效率、氫的運輸量、運輸過程氫的損耗和運輸里程。

在用量小、用戶分散的情況下,氣氫通常通過儲氫容器裝在車、船等運輸工具上進行輸送,用量大時一般采用管道輸送。液氫運輸多用車船等運輸工具。

雖然氫氣運輸方式眾多,但從發(fā)展趨勢來看,我國主要以氣氫拖車運輸(tubetrailer)、氣氫管道運輸(pipeline)和液氫罐車運輸(liquidtruck)三種運氫方式為主,本文將主要分析這三種方式的成本。

長管拖車運輸:當前主流運氫方式,經濟性受距離制約

長管拖車是最普遍的運氫方式,但運輸效率不高

長管拖車由動力車頭、整車拖盤和管狀儲存容器3部分組成,其中儲存容器是將多只(通常6-10只左右)大容積無縫高壓鋼瓶通過瓶身兩端的支撐板固定在框架中構成,用于存放高壓氫氣。

長管拖車是國內最普遍的運氫方式。這種方法在技術上已經相當成熟。但由于氫氣密度很小,而儲氫容器自重大,所運輸氫氣的重量只占總運輸重量的1~2%。

因此長管拖車運氫只適用于運輸距離較近(運輸半徑200公里)和輸送量較低的場景。

其工作流程如下:將凈化后的產品氫氣經過壓縮機壓縮至20MPa,通過裝氣柱裝入長管拖車,運輸至目的地后,裝有氫氣的管束與車頭分離,經由卸氣柱和調壓站,將管束內的氫氣卸入加氫站的高壓、中壓、低壓儲氫罐中分級儲存。

加氫機按照長管拖車、低壓、中壓、高壓儲氫罐的順序先后取出氫氣對燃料電池車進行加注。

該方法的運輸效率較低。國內標準規(guī)定長管拖車氣瓶公稱工作壓力為10-30MPa,運輸氫氣的氣瓶多為20MPa。

以上海南亮公司生產的TT11-2140-H2-20-I型集裝管束箱為例,其工作壓力為20MPa,每次可充裝體積為4164Nm3、質量為347kg的氫氣,裝載后總質量33168kg,運輸效率1.05%。

國內生產長管拖車的主要廠商有中集安瑞科、魯西化工、上海南亮、浦江氣體、山東濱華氫能源等。

長管拖車運氫成本測算

為測算長管拖車運氫的成本,我們的基本假設如下:

(1)加氫站規(guī)模為500kg/天,距離氫源點100km;

(2)長管拖車滿載氫氣質量350kg,管束中氫氣殘余率20%,每日工作時間15h;

(3)拖車平均時速50km/h,百公里耗油量25升,柴油價格7元/升;

(4)動力車頭價格40萬元/臺,以10年進行折舊;管束價格120萬元/臺,以20年進行折舊,折舊方式均為直線法;

(5)拖車充卸氫氣時長5h;

(6)氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg,電價0.6元/kwh;

(7)每臺拖車配備兩名司機,灌裝、卸氣各配備一名操作人員,工資10萬元/人·年;

(8)車輛保險費用1萬元/年,保養(yǎng)費用0.3元/km,過路費0.6元/km;根據以上假設,可測算出規(guī)模為500kg/d、距離氫源點100km的加氫站,運氫成本為8.66元/kg。

測算過程如下表:

運輸成本隨距離增加大幅上升。當運輸距離為50km時,氫氣的運輸成本5.43元/kg,隨著運輸距離的增加,長管拖車運輸成本逐漸上升。

距離500km時運輸成本達到20.18元/kg。

考慮到經濟性問題,長管拖車運氫一般適用于200km內的短距離運輸。

從拆分的成本結構來看,人工費與油費是推動成本上升的主要因素。固定成本占運輸成本的40%-70%,隨著距離增加,其占比逐漸下降。

為保證氫氣供應量,加氫站所需拖車數量隨著距離增加也相應增加:當距離小于50km時,僅需1臺拖車便可滿足當日氫氣供應,50~300km的距離需要2臺拖車,超過300km后則需要3臺拖車。

每增加一臺拖車,折舊費與人工費會有明顯提升。除此之外,油費也會隨距離增加顯著上升,占比由20%上升至40%,是推動成本上升的第二大因素。

提高管束工作壓力可降低運氫成本

由于國內標準約束,長管拖車的最高工作壓力限制在20MPa,而國際上已經推出50MPa的氫氣長管拖車。

若國內放寬對儲運壓力的標準,相同容積的管束可以容納更多氫氣,從而降低運輸成本。

當運輸距離為100km時,工作壓力分別為20MPa、50MPa的長管拖車運輸成本為8.66元/kg、5.60元/kg,后者約為前者的64.67%。

管道運輸:具有發(fā)展?jié)摿Φ牡统杀具\氫方式

我國氫氣管網發(fā)展不足,建設提速

低壓管道運氫適合大規(guī)模、長距離的運氫方式。由于氫氣需在低壓狀態(tài)(工作壓力1~4MPa)下運輸,因此相比高壓運氫能耗更低,但管道建設的初始投資較大。

我國布局氫氣管網布局有較大提升空間。美國和歐洲是世界上最早發(fā)展氫氣管網的地區(qū),已有70年歷史。

根據PNNL在2016年的統(tǒng)計數據,全球共有4542公里的氫氣管道,其中美國有2608公里的輸氫管道,歐洲有1598公里的輸氫管道,而中國僅有100公里。

隨著氫能產業(yè)的快速發(fā)展,日益增加的氫氣需求量將推動我國氫氣管網建設。

國內氫氣管網建設提速。我國的輸氫管道主要分布在環(huán)渤海灣、長三角等地,目前已知有一定規(guī)模的管道項目有兩個:濟源-洛陽(25km)及巴陵-長嶺(42km)兩個。

根據《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書(2016)》所制定的氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展路線,到2030年,我國燃料電池汽車將達200萬輛,同時將建成3000公里以上的氫氣長輸管道。

該目標將有效推進我國氫氣管道建設。

氫氣管道造價高、投資大,天然氣管道運氫可降低成本

天然氣管道相比氫氣管道更為發(fā)達。

天然氣管道是世界上規(guī)模最大的管道,占世界管道總長度的一半以上,相比之下氫氣管道數量很少。

據IEA報告,目前世界上有300萬公里的天然氣管道,氫氣管道僅有5000公里,現有的氫氣管道均由制氫企業(yè)運營,用于向化工和煉油設備運送成品氫氣。

運氫管材的特殊性使氫氣管道造價高于天然氣管道。

由于管材易發(fā)生氫脆現象(即金屬與氫氣反映而引起韌性下降),從而造成氫氣逃逸,因此需選用含炭量低的材料作為運氫管道。美國氫氣管道的造價為31~94萬美元/km,而天然氣管道的造價僅為12.5~50萬美元/km,氫氣管道的造價是天然氣管道造價的兩倍以上。

氫氣的輸送成本高于天然氣。

雖然氫氣在管道中的流速是天然氣的2.8倍,但由于氫氣的體積能量密度小,同體積氫氣的能量密度僅為天然氣的三分之一,因此用同一管道輸送相同能量的氫氣和天然氣,用于押送氫氣的泵站壓縮機功率高于壓送天然氣的壓縮機功率,導致氫氣的輸送成本偏高。

在氫能發(fā)展初期,可采用天然氣管道輸送氫氣以降低成本。

氫氣輸運網絡基礎設施建設需要巨大的資本投入和較長的建設周期,管道的建設還涉及占地拆建問題,這些因素都阻礙了氫氣管道的建設。

研究表明,含20%體積比氫氣的天然氣-氫氣混合燃料可以直接使用目前的天然氣輸運管道,無需任何改造。

在天然氣管網中摻混不超過20%的氫氣,運輸結束后對混合氣體進行氫氣提純,這樣既可以充分利用現有管道設施,出于經濟性考慮,也能降低氫氣的運送成本。

目前國外已有部分國家采用了這種方法。

管道運氫成本測算

為測算管道運氫的成本,我們參考濟源-洛陽氫氣管道的基本參數,做出如下假設:

(9)管道長度25km,總投資額1.46億元,則單位長度投資額584萬元/km;

(10)年輸氫能力為10.04萬噸,運輸過程中氫氣損耗率8%;

(11)管線配氣站的直接與間接維護費用以投資額的15%計算;

(12)氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg,電價0.6元/kwh;

(13)管道壽命20年,以直線法進行折舊。

根據以上假設,可測算出長度25m、年輸送能力10.04萬噸的氫氣管道,運氫價格為0.86元/kg。

測算過程如下表:

氫氣管網相比長管拖車具備成本優(yōu)勢。

由于壓縮每公斤氫氣所消耗的電量是一定的,管道運氫成本增長的驅動因素主要是與輸送距離正相關的管材折舊及維護費用。

當輸送距離為100km時,運氫成本為1.20元/kg,僅為同等距離下氣氫拖車成本的1/5,通過管道運輸氫氣是一種降低成本的可靠方法。

管道運氫成本很大程度上受到需求端的影響。

雖然測算結果顯示管道運氫成本較低,但達到該成本的前提是管道的運能利用率達到100%,即加氫站有足夠的氫氣需求。

運氫成本隨著利用率的下降而上升,當運能利用率僅為20%時,管道運氫的成本已經接近長管拖車運氫。

在當前加氫站尚未普及、站點較為分散的情況下,管道運氫的成本優(yōu)勢并不明顯。

但隨著氫能產業(yè)逐步發(fā)展,氫氣管網終將成為低成本運氫方式的最佳選擇。

液氫罐車運輸:適合長距離運輸,國內外應用差距明顯

液氫運輸相比氣氫效率更高,但國內應用程度有限

液氫罐車運輸系統(tǒng)由動力車頭、整車拖盤和液氫儲罐3部分組成。

由于液氫的運輸溫度需保持在-253℃以下,與外部環(huán)境溫差較大,為保證液氫儲存的密封和隔熱性能,對液氫儲罐的材料和工藝有很高的要求,使其初始投資成本較高。

液氫罐車運輸具有更高的運輸效率,但液化過程能耗大。

液氫罐車運輸是將將氫氣深度冷凍至21K液化,再將液氫裝在壓力通常為0.6兆帕的圓筒形專用低溫絕熱槽罐內進行運輸的方法。

由于液氫的體積能量密度達到8.5MJ/L,液氫槽罐車的容量大約為65m3,每次可凈運輸約4000kg氫氣,是氣氫拖車單車運量的10倍多,大大提高了運輸效率,適合大批量、遠距離運輸。

但缺點是制取液氫的能耗較大(液化相同熱值的氫氣耗電量是壓縮氫氣的11倍以上),并且液氫儲存、輸送過程均有一定的蒸發(fā)損耗。

國外已有廣泛應用,國內標準缺失掣肘液氫發(fā)展。

在國外尤其是歐、美、日等國家,液氫技術發(fā)展已經相對較為成熟,液氫在儲運等環(huán)節(jié)已進入規(guī)?；瘧秒A段,某些地區(qū)液氫槽車運輸超過了氣氫運輸規(guī)模。

而國內目前僅用于航天及軍事領域,這是由于液氫生產、運輸、儲存裝置等標準均為軍用標準,無民用標準,極大地限制了液氫罐車在民用領域的應用。

國內相關企業(yè)已著手研發(fā)相應的液氫儲罐、液氫槽車,如中集圣達因、富瑞氫能等公司已開發(fā)出國產液氫儲運產品。

液氫標準出臺指日可待。

2019年6月26日,全國氫能標準化技術委員會發(fā)布關于對《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產系統(tǒng)技術規(guī)范》和《液氫貯存和運輸安全技術要求》三項國家標準征求意見的函。

液氫相關標準和政策規(guī)范形成后,儲氫密度和傳輸效率都更高的低溫液態(tài)儲氫將是未來重要的發(fā)展方向。

液氫槽車運輸成本測算

為測算液氫槽車運輸的成本,我們的基本假設如下:

(14)加氫站規(guī)模為500kg/天,距離氫源點100km;

(15)槽車裝載量為15000加侖(約68m3,即4000kg),每日工作時間15h;

(16)槽車平均時速50km/h,百公里耗油量25升,柴油價格7元/升;

(17)液氫槽車價格約為50萬美元/輛,以10年進行折舊,折舊方式為直線法;

(18)槽車充卸液氫時長6.5h;

(19)氫氣壓縮過程耗電11kwh/kg,電價0.6元/kwh;

(20)每臺拖車配備兩名司機,灌裝、卸載各配備一名操作人員,工資10萬元/人·年;

(21)車輛保險費用1萬元/年,保養(yǎng)費用0.3元/km,過路費0.6元/km。根據以上假設,可測算出規(guī)模為500kg/d、距離氫源點100km的加氫站,運氫成本為13.57元/kg。

測算過程如下表:

液氫罐車成本變動對距離不敏感。當加氫站距離氫源點50~500km時,液氫槽車的運輸價格在13.51~14.01元/kg范圍內小幅提升。

雖然運輸成本隨著距離增加而提高,但提高的幅度并不大。這是因為成本中占比最大的一項——液化過程中消耗的電費(約占60%左右)僅與載氫量有關,與距離無關。

而與距離呈正相關的油費、路費等占比并不大,液氫罐車在長距離運輸下更具成本優(yōu)勢。

液氫罐車成本變動對距離不敏感。當加氫站距離氫源點50~500km時,液氫槽車的運輸價格在13.51~14.01元/kg范圍內小幅提升。

雖然運輸成本隨著距離增加而提高,但提高的幅度并不大。這是因為成本中占比最大的一項——液化過程中消耗的電費(約占60%左右)僅與載氫量有關,與距離無關。

而與距離呈正相關的油費、路費等占比并不大,液氫罐車在長距離運輸下更具成本優(yōu)勢。

發(fā)展趨勢:成本最低的管道運輸是未來發(fā)展方向

將上述測算結果進行對比發(fā)現:在0~1000km范圍中,管道運輸的成本最低。

運輸距離在250km內時,長管拖車運輸成本低于液氫槽車,超過250km則后者更具成本優(yōu)勢。

《中國氫能源及燃料電池產業(yè)白皮書》提出了未來氫能運輸環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑:在氫能市場滲入前期,氫的運輸將以長管拖車、低溫液氫、管道運輸方式因地制宜、協(xié)同發(fā)展。

中期(即2030年),氫的運輸將以高壓、液態(tài)氫罐和管道輸運相結合,針對不同細分市場和區(qū)域同步發(fā)展。

遠期(即2050年)氫氣管網將密布城市、鄉(xiāng)村,成為主要運輸方式。