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今年6月，中國石油開工建設(shè)中國最長的輸氫管道（定州至高碑店145公里），設(shè)計(jì)輸氫能力10萬噸/年；此前，今年5月24日，由川崎重工建造的世界首艘液氫運(yùn)輸船suisofrontier（氫先鋒號）在神戶市向媒體公開。這艘船一次航行可運(yùn)輸1250立方米液化氫。同時(shí)，計(jì)劃在今年內(nèi)啟動從澳大利亞到日本的試運(yùn)項(xiàng)目；同時(shí)，在世界的另一端，挪威也致力于在其西海岸建立氫氣供應(yīng)鏈，利用船舶作為運(yùn)輸工具向加氫站供應(yīng)氫氣。
由此不難看出，各國氫能供應(yīng)“大動脈”建設(shè)正在加快，助推全球工業(yè)發(fā)展進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)代。這是《全球氫能觀察2021年系列研究報(bào)告——全球氫儲運(yùn)與供應(yīng)鏈發(fā)展趨勢觀察》的第三部分。本文從目前氫氣供應(yīng)鏈的形式、各種儲運(yùn)方式的成本比較、各種情景下儲運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展等角度，梳理了未來全球氫氣儲運(yùn)的發(fā)展趨勢，從而開啟氫能的新視野。
未來全球儲氫和運(yùn)輸成本可能低于2-3美元/公斤
隨著氫氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷提高，氫氣儲存、配送和運(yùn)輸在整個(gè)氫氣供應(yīng)鏈中的重要性日益突出。目前的國際供氫網(wǎng)絡(luò)是由于可再生能源稟賦和利用率的差異造成的供氫成本不均衡，傳統(tǒng)化石能源（天然氣、煤炭、石油等）的對外依賴性，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施及其建設(shè)的便利性和及時(shí)性，以及國家和地區(qū)之間的土地使用限制（危險(xiǎn)化學(xué)品管制），這迫使一些國家使用更多的氫氣，但是，氫氣供應(yīng)成本高的國家和地區(qū)（如歐洲、韓國、日本和中國部分地區(qū)）從供應(yīng)成本較低的國家和地區(qū)進(jìn)口氫氣以滿足自身需求（見圖1）。
圖1：全球氫資源和需求中心分布
由于世界不同地區(qū)的氫氣資源稟賦、氫氣應(yīng)用規(guī)模和形式不同，氫氣儲運(yùn)可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整，主要可以構(gòu)建三種氫氣供應(yīng)鏈：在可再生能源或傳統(tǒng)化石能源（煤、石油、天然氣）豐富的地區(qū)，大型氫氣供應(yīng)中心采用就地制氫和直接應(yīng)用的方式，氫氣儲運(yùn)成本幾乎為零；小型購買者，如加氫站、建筑物和家庭，需要通過短途運(yùn)輸在該地區(qū)供應(yīng)氫氣；在缺乏氫源的地區(qū)，購買者將依賴進(jìn)口或長途氫運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行儲存和運(yùn)輸（見圖2）。
預(yù)計(jì)到2030年，全球大型綠色制氫基地和交通基礎(chǔ)設(shè)施將建成。屆時(shí)，氫氣可從澳大利亞、智利或中東地區(qū)運(yùn)輸至美國、歐洲、日本等需求中心地區(qū)，儲運(yùn)成本有望降低至2-3美元/公斤。氫氣收購的低成本，加上經(jīng)濟(jì)儲運(yùn)的成本，將推動全球氫能貿(mào)易格局，釋放更多氫能應(yīng)用需求（如運(yùn)輸、化工、冶煉、原材料等）（見圖3）。下面將對此進(jìn)行討論。
基于多形式儲運(yùn)的靈活高效的全球氫氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)
氫氣可以通過三個(gè)載體（管道、船舶或卡車）在世界各地以各種形式儲存和運(yùn)輸（氫氣、液氫、有機(jī)液氫（LOHC）、氨、甲醇、LNG/lco2（LNG和液態(tài)CO2兩用船）和固態(tài)儲氫）。在世界范圍內(nèi)，氫氣儲運(yùn)模式需要綜合運(yùn)輸距離、地理位置和終端應(yīng)用來確定最佳的儲運(yùn)方案。
對于中短途運(yùn)輸，在現(xiàn)有管道的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)最低的儲運(yùn)成本（500公里以內(nèi)的氫氣運(yùn)輸成本可以低于0.1美元/公斤）。然而，對于沒有管道分布或氫氣需求不穩(wěn)定的地區(qū)，卡車運(yùn)輸氫氣（氣體或液體）是最經(jīng)濟(jì)的選擇（每300公里大約1.2美元/kg的儲存和運(yùn)輸成本）。根據(jù)最終應(yīng)用和需求規(guī)模，可選擇高壓氣態(tài)或低溫液態(tài)儲存和運(yùn)輸方式。
對于長距離運(yùn)輸而言，新建或改建的海底氫氣管道進(jìn)行大規(guī)模氫氣輸送比海運(yùn)成本更為經(jīng)濟(jì)，但并不適合所有國家和地區(qū)。在沒有管道的情況下，主要以液氫、LOHC、氨氣的形式儲存，通過船舶長途運(yùn)輸。同時(shí)，由于三種儲運(yùn)方式成本差距較小，最佳儲運(yùn)方式取決于目的地的終端申請形式、氫氣純度、壓力等級等因素（見圖4）。
從長遠(yuǎn)來看，管道輸送氫氣是最具成本效益的儲運(yùn)方式。管道輸送氫氣僅能輸送10倍的能量，而其成本僅為輸電線的1/8。另外，氫氣管道的使用壽命比輸電線長，具有雙重功能，可以作為綠色能源的傳輸介質(zhì)和儲存介質(zhì)。氫氣管道的實(shí)際建設(shè)成本由材料、距離、管徑、壓力、社會成本等條件決定。一些國家和地區(qū)有鼓勵天然氣管道改造的政策，具有一定的成本優(yōu)勢。例如，在荷蘭，允許企業(yè)逐步停止使用天然氣，將原來的天然氣管道改造成氫氣管道。
根據(jù)本項(xiàng)目，陸上氫氣管道改造費(fèi)用約60-120萬美元/公里，新建管道費(fèi)用約220-450萬美元/公里；對于海上/海底氫氣管道，根據(jù)新建或改建的具體情況和施工難度，其成本是陸上管道的1.3至2.3倍；短距離輸配管道由于管徑小、壓力要求低，其建設(shè)和改造成本遠(yuǎn)低于輸配管道（僅占輸配管道成本的15%左右）。然而，只有當(dāng)未來住宅和商業(yè)建筑對氫氣的需求超過天然氣混合的臨界值（20%）時(shí)，大規(guī)模建設(shè)短距離配氣管道才具有經(jīng)濟(jì)性（見圖5）
對于長距離的海上運(yùn)輸，需要將氫氣轉(zhuǎn)化為具有更高能量密度的形式進(jìn)行儲存和運(yùn)輸。目前，液氫、LOHC和氨氣的儲運(yùn)技術(shù)更具競爭力。最具成本效益的解決方案取決于終端應(yīng)用、純度要求和儲存時(shí)間。
如果目的地需要液態(tài)氫或高純度氫，則液態(tài)氫儲運(yùn)效率最高。與氨水和有機(jī)液氫相比，液氫不需要脫氫或裂解就可以轉(zhuǎn)化為氫氣，不僅節(jié)約了成本，而且不需要凈化。液氫的主要缺點(diǎn)是體積能量密度較低，限制了船舶的載氫能力，在儲運(yùn)過程中會有蒸發(fā)損失。雖然液氫儲運(yùn)是一項(xiàng)成熟的商業(yè)化技術(shù)，但大型液氫儲運(yùn)仍處于試運(yùn)行階段；氨比液氫具有更高的體積能量密度，因此運(yùn)輸氨比儲存和運(yùn)輸液氫更經(jīng)濟(jì)。然而，氨裂解制氫成本高，分離氫純度低。此外，由于氨氣有毒，在特定區(qū)域會有儲存和運(yùn)輸限制；液態(tài)有機(jī)儲氫可以在現(xiàn)有的柴油機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施中安全地長期儲氫而不造成損失。然而，LOHC的主要缺點(diǎn)是脫氫過程需要大量的熱量，與液氫和氨氣相比，其載氫能力有限（圖6預(yù)測了2030年從沙特阿拉伯到西歐的綠色氫氣的三個(gè)儲運(yùn)成本組成部分，含制氫成本，CIF價(jià)3-5美元/公斤。）
中國將建設(shè)安全、高效、多樣化的氫氣儲運(yùn)網(wǎng)絡(luò)
目前，我國液氫、有機(jī)液態(tài)氫等新型儲氫和輸氫技術(shù)還不成熟，儲氫和輸氫主要以高壓氣體的形式進(jìn)行。目前，該行業(yè)正在積極推進(jìn)液氫儲運(yùn)示范運(yùn)行，開展天然氣調(diào)氫、管道輸氫、有機(jī)液體儲運(yùn)、固體材料儲運(yùn)等技術(shù)的開發(fā)和布局。
推動70MPa IV瓶的引進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)氣瓶用碳纖維的自主化，降低氫氣液化的能耗和成本，是未來國內(nèi)儲氫輸送技術(shù)的主要發(fā)展方向，并逐步突破國內(nèi)民用液氫技術(shù)和設(shè)備。預(yù)計(jì)2025年將廣泛使用70mpaiv瓶，液氫設(shè)備初步獨(dú)立，并開展一批液氫儲存示范工程；到2030年，實(shí)現(xiàn)98mpaiv型瓶規(guī)模化生產(chǎn)，氣瓶成本進(jìn)一步降低。液氫裝置可以大規(guī)模生產(chǎn)，成本將大大降低。用于中長距離大型儲運(yùn)。遠(yuǎn)期（2050年）氫氣管網(wǎng)將向城鄉(xiāng)密集分布，采用儲氫密度更高、安全性更高的車用儲氫技術(shù)。
我國“三北”地區(qū)風(fēng)光資源特別豐富，也是風(fēng)光廢棄率較高的地區(qū)。未來隨著國內(nèi)大規(guī)模流通的推進(jìn)，儲運(yùn)技術(shù)的逐步突破，氫能儲運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的不斷布局，三北地區(qū)將利用豐富的可再生資源生產(chǎn)氫氣，并通過儲運(yùn)網(wǎng)絡(luò)輸送至氫氣集中區(qū)。實(shí)施“西氫東輸”戰(zhàn)略，不僅可以解決東部氫源較少的問題，而且可以有效提高三北地區(qū)風(fēng)能、太陽能資源利用率，拓展全國氫產(chǎn)業(yè)貿(mào)易市場。
敬請期待《全球氫能觀察2021》系列研究報(bào)告之四：全球氫能終端應(yīng)用趨勢觀察
