燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈（六）| 氫氣篇：儲存運輸分析

　　1、氫氣儲運：氣氫拖車滿足現(xiàn)階段要求，液化氫技術(shù)是發(fā)展方向

　　氫氣的制備技術(shù)和存儲運輸?shù)燃夹g(shù)等，均影響到燃料電池所用燃料是否能方便快捷低成本地獲得。其中氫能的大規(guī)模、低成本和高效制備是首先需要解決的關(guān)鍵性難題。根據(jù)Hydrogen Analysis Resource Center的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球制氫能力約保持在1440百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天。其中中國的制氫能力保持在1320.86噸/天以上。

　　氫能大規(guī)模進(jìn)入市場的主要障礙之一是包括生產(chǎn)、運輸和加注在內(nèi)的供氫基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，也就是氫產(chǎn)業(yè)鏈上游和中游的完善度不足。就目前技術(shù)發(fā)展程度而言，氫的交貨成本遠(yuǎn)大于等能量水平下的汽柴油成本，而其中氫的運輸成本在交貨成本中占約6%左右。

　　根據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的統(tǒng)計分析，2014年日本氫氣售價的構(gòu)成主要由氫氣原材料、氫氣的生產(chǎn)運輸成本、加氫站的固定和可變成本以及加氫站運營維護(hù)幾個部分組成。其中涉及到氫氣的制備和儲運的成本占38%。而對比看來，汽油售價的重要組成部分則是汽油的消費稅。

　　影響我國氫氣售價的最主要因素是包括制氫和儲運氫氣在內(nèi)的氫氣成本部分。比較日本和我國的加氫站氫氣售價價格組成可以發(fā)現(xiàn)，影響日本氫氣售價的最主要的兩個因素是氫氣成本（約占38%）和加氫站固定成本（約占26%），而影響我國氫氣售價最主要的因素是氫氣成本（約占65%）。

日本和我國加氫站氫氣售價價格組成

日本

我國

　　要降低我國的氫氣售價，在補(bǔ)貼力度較強(qiáng)的現(xiàn)階段來看，選擇合適的氫源，并降低氫氣運輸與儲藏的成本，是最適當(dāng)?shù)倪x擇；長遠(yuǎn)來看，隨著行業(yè)的發(fā)展和補(bǔ)貼額度的下降，通過提高關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化率水平來降低加氫站的建設(shè)成本則是未來降低氫氣售價的明智之選。

　　通過比較分析各種制氫方式的成本、優(yōu)劣勢和我們認(rèn)為：在現(xiàn)階段，選擇成本較低、氫氣產(chǎn)物純度較高的氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的路線，已經(jīng)可以滿足下游燃料電池車運營的氫氣需求；在未來氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展得比較完善的情況下，利用可再生能源電解水制氫將成為終極能源解決方案。

　　因此，在暫時選定氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的現(xiàn)階段，選擇技術(shù)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)且成本低廉的運輸氫氣和儲存氫氣的方法，是目前降低氫氣售價的第二關(guān)鍵要素。

　　運氫的方式主要分為：氣氫拖車運輸（tube trailer）、氣氫管道運輸（pipeline）和液氫罐車運輸（liquid truck）。氫能供應(yīng)鏈中運氫環(huán)節(jié)定義為包括集中制氫廠的運輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)（氫氣壓縮/液化、存儲及加注）和車輛/管道運輸過程所涉及所有設(shè)備。

　　儲氫的方式主要分為：低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫和儲氫材料三種。其中儲氫材料主要包含兩種形式——氫化物儲氫和吸附儲氫；1）氫化物儲氫主要包括金屬氫化物、絡(luò)合化合物、有機(jī)化合物；2）吸附儲氫主要包括碳基材料、金屬骨架化合物和多孔聚合物。

　　通過假設(shè)一般物流車百公里油耗為10L，燃料電池物流車百公里耗氫量為1.48kg（通過統(tǒng)計現(xiàn)有FCV物流車指標(biāo)測算而得），我們統(tǒng)計出了（見圖表5）與汽油價格具有同等競爭力的氫氣成本價：28.47元/kg。如果使氫燃料電池車具有較強(qiáng)的競爭力（百公里耗氫成本較百公里耗油成本低20%以上），則氫氣成本需控制在22.78元/kg以下。

　　從現(xiàn)階段加氫站對運輸距離（＜500km,200km為宜）和運輸規(guī)模（10t/d）的需求來看，氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車，其成本可以達(dá)到2.02元/kg，而在同等條件下的液氫運輸成本可以達(dá)到12.25元/kg。未來在液化氫技術(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)且氫氣需求量規(guī)模上升（100t/d）的情況下，將考慮采用液氫運輸?shù)姆绞竭\送氫氣。

　　我們認(rèn)為現(xiàn)階段最佳的制氫和運氫方式搭配為：氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫+氣氫拖車運輸，其氫氣成本范圍在17.9~19.2元/kg。該氫源路線的選擇主要是基于成本和環(huán)保的角度考慮的。

　　2、集中制氫廠的運輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)：氫氣壓縮/液化、存儲及加注

　　氫的質(zhì)量能量密度很高，大約是汽油的3倍，但體積能量極低，常溫常壓下比汽油低4個數(shù)量級。較為現(xiàn)實的做法是在生產(chǎn)廠將制得的氫氣壓縮或液化后進(jìn)行運輸和儲存（運輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)）。

　　氣氫拖車和氣氫管道運輸?shù)姆绞叫枰鋫錃錃鈮嚎s和氫氣儲存設(shè)備，而液氫罐車運輸方式需要配備氫氣液化和液氫儲存設(shè)備來滿足后續(xù)運輸需要和連續(xù)供應(yīng)。此外，為實現(xiàn)從生產(chǎn)廠向運輸設(shè)備輸氫，氣氫拖車和液氫罐車運輸方式分別需要安裝氣氫加注器和液氫加注器；而管道運輸方式則不需要配備加注器。

　　氫氣的壓縮和液化過程都需要消耗相當(dāng)數(shù)量的電力。氫氣壓縮的電耗（從反應(yīng)器壓力提升到儲存壓力）大約在0.7~1kwh/kg之間，相當(dāng)于氫氣低熱值（120Mj/kg）的2%~3%；而氫氣的液化過程能耗更高，包括一系列的壓縮、冷卻和膨脹過程，即使是實現(xiàn)大規(guī)模的液化氫氣，其電耗也達(dá)到了11kwh/kg的水平，相當(dāng)于氫氣低熱值的33%。

　　高壓儲氫裝置：一般有兩種方式，一種是用具有較大容積的氣瓶，該類氣瓶的單個水容積在600L～1500L之間，為無縫鍛造壓力容器；另一種是采用小容積的氣瓶，單個氣瓶的水容積在45L～80L。從成本角度看，大型儲氫瓶的前期投資成本較高，但后期維護(hù)費用低，且安全性和可靠性較高。

　　氫氣壓縮設(shè)備：常用的氫氣壓縮設(shè)備為隔膜式壓縮機(jī)，該型壓縮機(jī)靠金屬膜片在氣缸中作往復(fù)運動來壓縮和輸送氣體。氫氣壓縮機(jī)在加氫站中占據(jù)重要地位，目前我國加氫站所采用的氫氣壓縮機(jī)仍需外購。未來國內(nèi)加氫站與生產(chǎn)壓縮機(jī)的外資企業(yè)加強(qiáng)合作以及加快國產(chǎn)化速度的情況下，有望將壓縮機(jī)的成本減少50%以上。

　　氫氣加注設(shè)備：氫氣加注設(shè)備與天然氣加注設(shè)備原理相似，由于氫氣的加注壓力達(dá)到35Mpa，遠(yuǎn)高于天然氣25Mpa的壓力，因此對于加氫機(jī)的承壓能力和安全性要求更高。根據(jù)加注對象的不同，加氫機(jī)設(shè)置不同規(guī)格的加氫槍。如安亭加氫站設(shè)置TK16和TK25兩種規(guī)格的加氫槍，最大加注流量分別為2kg/min和5kg/min。加注一輛轎車約用3-5分鐘，加注一輛公交車約需要10-15分鐘。

　　3、氣氫運輸：拖車運輸前期投資低，管道輸氫適用于大規(guī)模運輸

　　一 氣氫拖車成本與運輸距離相關(guān)性強(qiáng)，適用于距離較短的運輸

　　拖車運輸適用于將制氫廠的氫氣輸送到距離不太遠(yuǎn)而同時需用氫氣量不很大的用戶。我國常用的高壓管式拖車一般裝8根高壓儲氣管。其中高壓儲氣管直徑0.6m, 長11m, 工作壓力35MPa, 工作溫度為-40~60℃單只鋼瓶水容積為2.25m3 , 重量2730kg。這種車總重26030kg, 裝氫氣300kg以上, 輸送氫氣的效率只有1.1%?？梢? 由于常規(guī)的高壓儲氫容器的本身重量很重, 而氫氣的密度又很小, 所以裝運的氫氣重量只占總運輸重量的1~2%左右。未來更高壓力的存儲會提升載氫能力。

　　氣氫拖車系統(tǒng)的運行過程如下：空載氣氫拖車在集中制氫廠加氫到滿載，然后車輛行駛到加氫站，直接卸下車上管狀儲存容器作為加氫站的存貯設(shè)備，同時拾起原本位于加氫站的“空載”管狀容器，運回集中生產(chǎn)廠開始新一輪的加載。

　　我們收集了如圖表11和圖表12的相關(guān)數(shù)據(jù)，在假設(shè)車速為60km/h，單車每天工作15小時的情況下，得出在運輸距離為200km的情況下，氣氫拖車運輸氫氣的成本約為2.02元/kg。

　　車用氫氣氣瓶：高壓氣態(tài)存儲壓力需要達(dá)到35Mpa，甚至70Mpa，而車用天然氣氣瓶的工作壓力一般僅為20~25Mpa，這對車用氫氣瓶提出了嚴(yán)苛的要求。車用氫氣鋼瓶主要向著高壓化、輕量化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。DoE的終極目標(biāo)是質(zhì)量儲氫密度達(dá)到0.075kgH2/kg。

　　在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO/TS 15869-2009《車用氫氣及氫混合氣體氣瓶》、日本的JARI S001-2004《車用高壓儲氫氫氣瓶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。

　　目前我國采用材料-工藝-結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)化設(shè)計方法制造的70Mpa車用高壓纏繞氫氣瓶，多項技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

　　二 管道輸氫適合點對點、規(guī)模大的氫氣運輸，前期投入成本較高

　　氣氫的管道運輸用于大規(guī)模的輸送。由于氫氣自身體積能量密度小和防止管材“氫脆”現(xiàn)象，氫氣管道運輸成本往往大于同能量流率下天然氣管道運輸?shù)某杀?。一般而言，管道運輸?shù)某杀局饕獊碓从诠艿赖某跏纪顿Y建設(shè)，運行成本比例很小，現(xiàn)實中根據(jù)運輸距離的長短和管道壓力的大小判斷是否中途安裝管道加壓設(shè)備。

　　目前Hydrogen Analysis Resource Center統(tǒng)計的數(shù)據(jù)中顯示，全球共鋪設(shè)4284公里輸氫管道，其中56%設(shè)在美國，37%位于歐洲。此外，Air Liquide公司在中國的上海、天津、遼陽也鋪設(shè)了輸氫管道。

　　歐洲大約有1500公里輸氫管。世界最長的輸氫管道建在法國和比利時之間,長約400公里。目前使用的輸氫管線一般為鋼管, 運行壓力為1~2MPa, 直徑0.25~0.30m。

　　目前氫氣的運輸管道長度較天然氣管道長度相差幾個數(shù)量級，成本方面，氫氣管道的造價約為天然氣管道造價的2倍以上。以美國為例，其天然氣管道的長度約為55x104km，氫氣管道的長度約為2389km。造價方面，天然氣管道的造價僅為12.5~50萬美元/公里，氫氣管道的造價大約為30~100萬美元/公里。

　　除造價成本外，管道輸氫還有一部分可變的輸氣成本，這是由于氣體在管道中輸送能量的大小，取決于輸送氣體的體積和流速。氫氣在管道中的流速大約是天然氣的2.8倍, 但是同體積氫氣的能量密度僅為天然氣的1/3。因此用同一管道輸送相同能量的氫氣和天然氣, 用于壓送氫氣的泵站壓縮機(jī)功率要比壓送天然氣的壓縮機(jī)功率大很多, 導(dǎo)致氫氣的輸送成本比天然氣輸送成本高。

　　改造現(xiàn)有的天然氣管道用于輸送氫氣的主要方式是提升鋼管材質(zhì)中的含碳量，低碳鋼更適合輸送純氫；而塑料管道由于壓力較小，不能用于輸氫。

　　我們認(rèn)為，如果能夠通過改造現(xiàn)有天然氣管道，用于輸送純氫氣將對未來氫能的發(fā)展將產(chǎn)生幫助。但管道輸氫更適合點對點運輸?shù)姆绞?，且兩端產(chǎn)生和使用氫氣的

　　4、液氫罐車運輸：單車載氫能力是氣態(tài)載氫的10倍以上，經(jīng)濟(jì)性與儲量大小相關(guān)

　　液化儲氫是將氫氣壓縮后深冷到21K以下使之液化成液氫，然后存入特制的絕熱真空容器中保存。液氫的密度為常溫、常壓下氣態(tài)氫的845倍，體積能量密度比壓縮存儲要高出好幾倍。

　　從質(zhì)量密度和體積密度上考慮，液氫儲存是一種極為理想的儲氫方式，但是面臨兩大技術(shù)難點：

　　1）液氫儲存容器的絕熱；由于儲槽內(nèi)液氫與環(huán)境溫差大，為控制槽內(nèi)液氫蒸發(fā)損失和確保儲槽的安全（抗凍、承壓），對儲槽和絕熱材料的選材和儲槽的設(shè)計均有很高的要求。

　　2）氫液化能耗大，工程實際中氫液化耗費的能量占到了總氫能的30%。

　　液氫儲存罐是液化氫儲存的關(guān)鍵。液化氫儲罐分為內(nèi)外兩層：儲罐內(nèi)膽一般采用鋁合金、不銹鋼等材料制成。內(nèi)膽通過支承物置于外層殼體中心，盛裝溫度為20K的液氨。支承物由玻璃纖維帶制成，具有良好的絕熱性。內(nèi)外夾層中間填充多層鍍鋁滌綸薄膜，減少熱輻射，薄膜之間放上絕熱紙增加熱阻，吸附低溫下的殘余氣體。用真空泵抽去夾層內(nèi)的空氣，形成高真空便可避免氣體對流漏熱。

　　液氫儲運的經(jīng)濟(jì)性與儲量大小密切相關(guān)。液化相同熱值的氫氣，比氫氣壓縮的耗電量高11倍以上，加之液氫儲存罐的選材和技術(shù)水平要求高，前期投入成本高。根據(jù)我們的測算，液化過程的相關(guān)成本（設(shè)備投資和電耗成本）占運氫成本的最大份額，比例達(dá)到70%~80%。由于液化設(shè)備的強(qiáng)規(guī)模效應(yīng)，液氫罐車運輸方式的運氫成本隨著運輸規(guī)模的增大而大幅降低，隨運輸距離的增大，成本也升高，但升高的幅度不大。

　　我們假設(shè)車速60km/h，一輛車一天工作15h計算, 一輛車一天可以跑900km。計算得出在10t/d的運輸規(guī)模下，200km的運氫價格為12.25元/kg、500km的運氫價格為12.54元/kg；在100t/d的運輸規(guī)模下，200km的運氫價格為8.57元/kg，500km的運氫價格為8.85元/kg。

　　5、氫氣運輸方式選擇：氣氫拖車適用于規(guī)模小距離近、液氫罐車適合長距離

　　隨著運輸規(guī)模和運輸距離的變化，三種氫氣運輸方式的成本表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。依照其特定的變化規(guī)律，在運輸規(guī)模和運輸距離確定的情況下，可以選出成本最低的運氫方式。

　　主要的三種氫氣運輸方式（氣氫拖車、管道輸氫和液氫罐車運輸）的成本組成可以劃分為：存儲設(shè)備投資、壓縮、液化和加注設(shè)備投資、電力成本、管道投資、車輛投資（包括車載儲氫容器）、車輛燃料成本、人力成本和其他運行維護(hù)費用（包括固定運行維護(hù)費用和可變運行維護(hù)費用中的非燃料運行維護(hù)費用等）。

　　成本分析主要結(jié)論：

　　1）對于氣氫拖車運輸方式，運氫成本受規(guī)模影響不大，主要受距離因素影響；

　　2）對于管道輸氫方式，管道投資成本在運氫成本中占最大份額，適用于運氫規(guī)模大，距離近的情況；

　　3）對于液氫罐車運輸方式，運氫成本隨著運輸規(guī)模的增大大幅降低，隨運輸距離的增大而上升，但上升幅度遠(yuǎn)小于氣氫拖車的運輸方式。

　　在能耗方面的分析發(fā)現(xiàn)，三種運氫方式的單位能耗與運氫規(guī)模基本無關(guān)，僅與運輸距離有關(guān)。管道輸氫方式的能耗最低，而對于液氫罐車運輸方式，在氫氣液化之后，由于其高能量密度，需要很少的柴油消耗來滿足車輛運行，因此運輸距離對液氫罐車運輸方式能耗的影響幅度很小。

　　結(jié)合成本和能耗兩方面因素綜合考慮，我們認(rèn)為氣氫拖車運輸適合小規(guī)模、短距離運輸情景；氣氫管道運輸適合大規(guī)模、短距離運輸情景；液氫罐車運輸適合長距離運輸。

　　6、氫氣的存儲：儲氫材料體積密度大，是未來的發(fā)展方向

　　儲氫的幾種主要方式主要包括物理儲氫（上文所討論的高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)）、氫化物儲氫和吸附儲氫，其中氫化物儲氫和吸附儲氫都主要依賴于不同儲氫材料的性質(zhì)特點。這兩種方式都是通過利用氫氣與儲氫材料之間的物理或者化學(xué)變化來轉(zhuǎn)化為固溶體或者氫化物的方式進(jìn)行儲存。

　　儲氫材料的主要優(yōu)點在于儲氫體積密度大，操作簡單、運輸方便、成本低、安全等。但目前儲氫材料路線仍存在著一些技術(shù)問題亟待解決。

　　金屬氫化物儲氫材料：根據(jù)構(gòu)成二元合金的原子比不同，目前已開發(fā)的儲氫合金主要包括AB5型、AB2型、AB型和A2B型等四大類。目前儲氫合金的研究熱點方向主要致力于儲存容量高、綜合性能好、輕質(zhì)儲氫合金的開發(fā)和性能研究等。

　　物理吸附型儲氫材料：物理吸附主要是靠材料和氫分子之間的范德華力實現(xiàn)可逆儲氫的，氫分子不發(fā)生解離，屬于弱的分子間相互作用力。其儲氫容量取決于吸附材料的比表面積，通常材料的比表面積越大，吸附溫度越低，儲氫量就越大。目前適用于低溫物理吸附的材料，主要分為碳基有機(jī)非金屬材料（如活性炭、碳納米管、石墨等）和金屬有機(jī)框架材料(MOFs)兩類。研究的方向集中在吸附材料的制備和表面改性，以期通過調(diào)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面改性實現(xiàn)較溫和的條件下提高儲氫容量。

　　配位氫化物：具有較高的含氫量，能夠滿足車載儲氫材料的能量密度要求，但不同程度地存在著脫加氫溫度過高、動力學(xué)性能較差或可逆性差等問題，有待進(jìn)一步發(fā)展。

　　美國能源部（DoE）針對車載氫氣存儲系統(tǒng)提出其2015年的研發(fā)目標(biāo)：100℃下的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度達(dá)到5.5wt%和62kgH2/m3；能在小于10Mpa的條件下4分鐘完成加氫，成本低于$2/kwh。DoE的最終目標(biāo)是7.5wt%。傳統(tǒng)金屬氫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3wt%，無法滿足車載儲氫材料的要求。

　　有16種以上的氫化物理論儲氫量超過DoE最終目標(biāo)超過7.5wt%，至少6種理論儲氫量大于12wt%。但此類氫化物的加/脫氫只能在較高溫度下進(jìn)行，這是制約氫化物實際應(yīng)用于儲氫設(shè)備的主要原因。