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雖然管道運(yùn)輸前期投資非常高，但管道運(yùn)輸?shù)男?、成本都具?yōu)勢，隨著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，在未來長距離、大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸中，管道輸氫有望成為為最優(yōu)運(yùn)輸方式。
（來源：微信公眾號“EVTank” ID：EVTank 作者：趙滿祥）
近日，研究機(jī)構(gòu)EVTank聯(lián)合伊維經(jīng)濟(jì)研究院發(fā)布了其關(guān)于氫氣存儲與運(yùn)輸領(lǐng)域的研究成果《中國氫氣存儲與運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告（2019）》。在研究報(bào)告中，伊維經(jīng)濟(jì)研究院從主要儲氫技術(shù)的對比研究、不同儲氫技術(shù)的成本分析、氫氣運(yùn)輸?shù)牟煌绞?，不同氫氣運(yùn)輸方式成本對比分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并重點(diǎn)梳理了在國內(nèi)進(jìn)行氫氣存儲和運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè)基本情況。
關(guān)于儲氫技術(shù)，伊維經(jīng)濟(jì)研究院將氫氣的儲存技術(shù)分為高壓氣態(tài)儲氫、低壓液化氫儲存及儲氫材料儲存等三大類。就目前而言，伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為高壓氣態(tài)儲氫以其技術(shù)難度低、成本低、匹配當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等特征優(yōu)勢得以應(yīng)用最廣；低溫液氫儲存在國外應(yīng)用較多，國內(nèi)技術(shù)尚處于航空用階段；儲氫材料儲氫技術(shù)目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化極少，基本處在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段。
高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)即利用高壓將氫氣壓縮到耐高壓的儲氣瓶中，儲氣瓶工作壓力須在 35～70 MPa。
目前，高壓氣態(tài)儲氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)四代產(chǎn)品，主要應(yīng)用場景為車載式（車用及儲運(yùn)）和固定式（制氫廠、加氫站等）儲氫。
車載儲氫瓶主要為III型、IV型
伊維經(jīng)濟(jì)研究院在報(bào)告中分析認(rèn)為I型、II型儲氫瓶由于質(zhì)量儲氫密度較低、氫脆問題嚴(yán)重，難以滿足車載儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量儲氫密度要求；而III型、IV型瓶由內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹脂層及玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層組成，氣瓶質(zhì)量較輕，單位質(zhì)量儲氫密度有所提高。因此，車載儲氫瓶大多使用III型、IV型。國外目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)IV型儲氫瓶在車用領(lǐng)域70MPa的應(yīng)用，國內(nèi)IV型儲氫瓶受到禁用，主要以35MPa III型瓶為主，70MPa型號技術(shù)較國外落后。
常見幾種儲氫技術(shù)
高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成本低，能耗低，是目前發(fā)展最成熟的儲氫技術(shù)，國內(nèi)外均有廣泛的運(yùn)用。但其致命的缺點(diǎn)在于體積比容量太低，儲氫量少，即使是供太空用的鈦瓶，其儲氫重量也僅為瓶重的5%左右，國內(nèi)更低，同時(shí)安全性能相對較差；儲氫密度受壓力影響較大，主要受儲罐材質(zhì)限制；國內(nèi)儲氫罐關(guān)鍵材料、核心部件當(dāng)前仍然依賴進(jìn)口。因此，高壓氣態(tài)儲氫研究熱點(diǎn)在于儲罐材質(zhì)的改進(jìn)，近年來國內(nèi)鋁內(nèi)膽外纏碳纖維樹脂成本下降較快。當(dāng)前各國都在積極推動更先進(jìn)的儲氫材質(zhì)、更高能量密度的儲氫瓶的研究，以無內(nèi)膽纖維纏繞瓶作為下一代儲氫瓶的研究熱點(diǎn)。
低溫液態(tài)儲氫是將氫氣通過低溫液化后以液態(tài)的形式儲存，由于液態(tài)氫具有很高的密度，常溫、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的800倍以上，能夠使得儲運(yùn)簡單，體積比容量大。但問題在于，目前氫氣的液化能耗較大，液化過程以及運(yùn)輸過程有能量的損耗，把氣態(tài)的氫變成液態(tài)的氫難度仍然較大。并且，液態(tài)氫的儲存容器需要極好的耐超低溫和保持超低溫的絕熱裝置來隔熱，避免沸騰汽化，導(dǎo)致容器制造難度大、成本高昂。
國外70%左右使用液氫運(yùn)輸，安全運(yùn)輸基本問題已經(jīng)得到充分驗(yàn)證。國內(nèi)應(yīng)用目前僅限于航天領(lǐng)域，民用還未涉及。國內(nèi)一方面技術(shù)沒有成熟，技術(shù)、設(shè)備成本高昂，無論是運(yùn)輸還是車用都選擇高壓氣態(tài)路線；另一方面，國內(nèi)暫時(shí)缺乏液氫相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和政策規(guī)范，國內(nèi)布局液氫的企業(yè)較少。伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究認(rèn)為低溫液態(tài)儲氫是未來重要發(fā)展方向，同時(shí)可配合大規(guī)模風(fēng)電、水電、光電電解水制氫及儲運(yùn)。在民用領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)正努力實(shí)現(xiàn)氫的液化、儲運(yùn)及加注設(shè)備的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
儲氫材料儲氫技術(shù)是利用固體儲氫材料如稀土合金等、有機(jī)液體材料（烷烴類化合等）通過吸附儲氫、化學(xué)儲氫來實(shí)現(xiàn)氫的儲存和釋放，目前國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化均很少，基本處于小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)階段。
吸附儲氫技術(shù)主要利用含括金屬合金、碳質(zhì)材料、水合物、金屬框架物等對氫的吸附來達(dá)到儲氫的作用。伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為吸附儲氫最大的優(yōu)勢是安全性，但就目前技術(shù)而言，存在化學(xué)儲氫放氫難、儲氫密度不高等問題，同時(shí)其成本相對較高。以金屬吸附儲氫為例，這種方式是使用金屬間化合物，在一定溫度和壓力下放置于氫氣氛中，就可以吸附大量氫氣，生成金屬氫化物，在加熱條件下，金屬氫化物重新釋放出氫氣。目前具備潛在應(yīng)用價(jià)值的金屬合金包括稀土合金等，其最大的優(yōu)點(diǎn)是安全、運(yùn)輸方便，但普遍存在價(jià)格高、壽命短或者儲存、釋放條件苛刻等問題。
化學(xué)儲氫技術(shù)是利用儲氫材料與氫氣反應(yīng)生成穩(wěn)定化合物，通過改變反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)放氫的技術(shù)，常用材料有機(jī)液體、液氨、配位氫化物、甲醇等。伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為化學(xué)儲氫的優(yōu)勢在于儲氫密度較高、安全性較高，缺陷在于往往需要配備相應(yīng)的加氫、脫氫裝置，成本較高昂；脫氫反應(yīng)效率較低，氫氣純度不高等。
在化學(xué)儲氫中，以有機(jī)物液體儲氫為例，對不飽和的液體有機(jī)物在催化劑作用下進(jìn)行加氫，生成穩(wěn)定化合物達(dá)到儲氫目的，當(dāng)需要?dú)錃鈺r(shí)再進(jìn)行脫氫。有機(jī)液體儲氫技術(shù)具有較高儲氫密度（50g/L以上），且成本相對較低。
同時(shí)，常用材料（如環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷等）在常溫常壓下，即可實(shí)現(xiàn)儲氫，安全性較高。另一方面，有機(jī)物液體儲氫技術(shù)（儲油）可以依托傳統(tǒng)的石油基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸、加注，方便搭建加氫網(wǎng)絡(luò)，相比于其它技術(shù)而言，具有獨(dú)一無二的安全性和運(yùn)輸、推廣便利優(yōu)勢。但該技術(shù)缺陷在于，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)均較高，需要專門的加氫、脫氫裝置，操作性差等較多的技術(shù)難題，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用前景廣闊。
三類儲氫方式的比較分析
從各國發(fā)展情況分析來看，國內(nèi)儲氫技術(shù)發(fā)展相對落后，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)落后較大，儲氫量低得多，國外70MPa已應(yīng)用到車上，而儲氫罐關(guān)鍵材料依賴進(jìn)口，低溫液氫技術(shù)、儲氫材料技術(shù)與國外先進(jìn)水平存在較大差距，產(chǎn)業(yè)化相距甚遠(yuǎn)。
從技術(shù)成熟方面來看，高壓氣態(tài)儲氫最成熟、成本最低，是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的儲氫技術(shù)，在基本能與傳統(tǒng)加油方式相媲美，但更高的車載儲氫要求如儲氫量、安全性，高壓氣態(tài)儲氫或有不及。從質(zhì)量儲氫密度上看，液態(tài)儲氫、有機(jī)液體儲氫質(zhì)量儲氫密度較高，但目前兩種技術(shù)均存在成本高等問題。從成本方面來看，液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機(jī)液體儲氫成本均較高，不適合目前小批量的應(yīng)用。
從儲氫成本角度來看，伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為高壓氣態(tài)儲氫具備一定成本優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在能耗和使用成本上；而低溫液化儲氫在氫的液化和運(yùn)輸過程中都伴隨氫的揮發(fā)損耗，能耗最大；而儲氫材料儲氫由于技術(shù)的復(fù)雜性等問題，目前尚停留在試驗(yàn)階段，但由成本對比可知，未來儲氫材料技術(shù)大有可為。
氫氣的運(yùn)輸方式分析
針對氫氣的儲存方式，氫氣目前主要通過氣氫拖車、液氫槽車和氫氣管道三種方式運(yùn)輸。國內(nèi)加氫站的外進(jìn)氫氣均采用氣氫拖車進(jìn)行運(yùn)輸，比較適用于運(yùn)輸距離較近、輸送量較低、氫氣日用量為噸級的用戶。長管拖車把氫氣上到加氫站，進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，并先后被輸送至高壓、中壓、低壓儲氣罐中分級儲存，需要對汽車加氫時(shí)，加氫機(jī)可以從長管拖車、低壓儲氫罐、中壓、高壓按順序取氣加注。
管道運(yùn)輸應(yīng)用于大規(guī)模、長距離的氫氣運(yùn)輸，可有效降低運(yùn)輸成本。管道輸送方式以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主。管道“摻氫”和“氫油同運(yùn)”技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長距離、大規(guī)模輸氫的重要環(huán)節(jié)。全球管道輸氫起步已有80余年，美國、歐洲已分別建成2400km、1500km 的輸氫管道。我國已有多條輸氫管道在運(yùn)行，如中國石化洛陽煉化濟(jì)源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km，年輸氣量為10.04萬噸；烏?！y川焦?fàn)t煤氣輸氣管線管道全長為 216.4km，年輸氣量達(dá) 16.1×108m3 ，主要用于輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣。
液態(tài)氫運(yùn)輸主要利用液氫槽車，液氫的單車運(yùn)氫能力是氣氫的10倍以上，運(yùn)輸效率提高，綜合成本降低。但是該運(yùn)輸方式增加了氫氣液化深冷過程，對設(shè)備、工藝、能源的要求更高。液氫槽罐車運(yùn)輸在國外應(yīng)用較為廣泛，國內(nèi)目前僅用于航天及軍事領(lǐng)域。
三種運(yùn)輸方式成本分析
從成本構(gòu)成維度對三種運(yùn)輸方式進(jìn)行對比。
氣氫拖車運(yùn)輸成本主要包括：固定成本（折舊費(fèi)、人員工資等）和變動成本（包括氫氣壓縮耗電費(fèi)、油料費(fèi)等）。
為了測算成本，伊維經(jīng)濟(jì)研究院在報(bào)告中假設(shè)目前國內(nèi)集裝管束拖車的價(jià)格約120萬/臺，使用年限10年。每輛拖車配備司機(jī)以及多名操作人員，人員費(fèi)用共32萬。拖車滿載氫氣可達(dá)300kg，每百公里消耗柴油約25升。拖車平均運(yùn)行速度假設(shè)為50km/小時(shí)，兩端裝卸氫氣時(shí)間約8小時(shí)，年有效工作時(shí)間為4500小時(shí)。氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。
液氫槽罐車的運(yùn)輸成本結(jié)構(gòu)與集裝管束車類似，但增加了氫氣液化成本及運(yùn)輸途中液氫的沸騰損耗。槽罐車市場價(jià)格約50萬/輛，每次裝載液氫約4000kg，運(yùn)輸途中由于液氫沸騰平均每小時(shí)損耗0.01%，液化過程損耗0.5%。液化過程耗電10kwh/kg。槽罐車充卸一次約耗時(shí)0.5小時(shí)。
管道氫氣運(yùn)輸?shù)某杀局饕ㄇ捌诠艿澜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。伊維經(jīng)濟(jì)研究院根據(jù)國內(nèi)“濟(jì)源-洛陽”項(xiàng)目測算，采用φ508mm管道，年輸送能力10.04萬噸，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。
通過對比三種運(yùn)輸方式成本，伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為管道的運(yùn)輸成本具有明顯優(yōu)勢，但管道運(yùn)輸前期投資建設(shè)成本較高，在氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)成熟之前有較大風(fēng)險(xiǎn)，其運(yùn)輸成本受運(yùn)能利用率影響，運(yùn)能利用率越高越經(jīng)濟(jì)；氣氫拖車在300公里以內(nèi)運(yùn)輸具有成本優(yōu)勢，中遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，液氫占優(yōu)，且在400公里后液氫的成本優(yōu)勢大于管道運(yùn)輸。
另一方面，由于目前氫能及燃料電池汽車市場規(guī)模較小，氫需求量較小，考慮到國內(nèi)氫氣源地和使用地的距離，氣氫拖車和液氫罐車可靈活應(yīng)用，包括調(diào)整拖車數(shù)量來適應(yīng)市場的需求，具有一定更便利性。而從市場的長遠(yuǎn)期來看，未來隨著市場規(guī)模的擴(kuò)大、集中式氫氣生產(chǎn)基地增加將提高對輸氫管道一定的運(yùn)能利用率的貢獻(xiàn)，管道運(yùn)輸將具備較大優(yōu)勢。
氫氣儲運(yùn)行業(yè)參與企業(yè)分析
雖然高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟、應(yīng)用普遍，但是體積比容量小，是該技術(shù)一個(gè)致命的弱點(diǎn)。伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為未來，高壓氣態(tài)儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。國內(nèi)目前生產(chǎn)高壓儲氫罐的天海工業(yè)、中材科技、沈陽斯林達(dá)等。
低溫液態(tài)儲氫在國外的加氫站體系中有較大范圍的應(yīng)用，但是在車載系統(tǒng)中的應(yīng)用不成熟。我國的液氫工廠僅為航天火箭發(fā)射服務(wù)，代表企業(yè)為中國航天科技集團(tuán)101所。受法規(guī)所限，還無法應(yīng)用于民用領(lǐng)域。國內(nèi)目前有液氫儲運(yùn)技術(shù)儲備和產(chǎn)業(yè)化能力的企業(yè)有富瑞氫能、中科富海等。
目前在儲氫材料領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化較低，國內(nèi)儲氫材料代表企業(yè)有稀土儲氫材料的北京浩運(yùn)金能、廈門鎢業(yè)、內(nèi)蒙古稀奧貯氫等。其中，有機(jī)液體儲氫技術(shù)的在中國的發(fā)展已有所成就，代表企業(yè)如武漢氫陽能源，選用的有機(jī)液態(tài)儲氫材料為氮乙基咔唑，建立了全球第一個(gè)常溫常壓液態(tài)有機(jī)儲氫材料工廠。
總結(jié)
（1）低溫液化儲氫技術(shù)受制于成本和能耗問題，無法規(guī)模化利用，預(yù)計(jì)在氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、配套設(shè)備和技術(shù)提升之后未來可期。
（2）儲氫材料技術(shù)的儲氫量較大，其未來的發(fā)展研究應(yīng)集中在提高材料的熱交換性能，提升吸放氫的效率，降低加氫脫氫裝置的成本，實(shí)現(xiàn)儲氫材料技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。
（3）有機(jī)液態(tài)儲氫擁有較大的推廣優(yōu)勢，可依托現(xiàn)有傳統(tǒng)汽油輸送方式和加油站構(gòu)架建設(shè)氫油站，未來技術(shù)的研究重點(diǎn)突破相關(guān)制備、配套設(shè)備技術(shù)，提高脫氫效率。
（4）氣氫拖車運(yùn)輸比較適合當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模。一方面，氣氫拖車具有成本低、充放氫快速的優(yōu)點(diǎn)，另一方面國內(nèi)加氫站均為站外供氫。但隨著氫能產(chǎn)業(yè)、液氫運(yùn)輸、管道輸氫的發(fā)展，氣氫拖車運(yùn)輸將被部分取代。
（5）液氫罐車成本降低有賴于罐材的改進(jìn)。目前國外多采用液氫罐車運(yùn)輸，國內(nèi)液氫拖車僅用于航天領(lǐng)域，而液氫在鐵路和海上運(yùn)輸當(dāng)前國外也僅少量應(yīng)用，國內(nèi)暫未涉及。未來解決液氫液化、運(yùn)輸過程中的損耗問題，液氫罐車在中遠(yuǎn)距離的輸氫將有較大前景。
（6）雖然管道運(yùn)輸前期投資非常高，但管道運(yùn)輸?shù)男省⒊杀径季邇?yōu)勢，隨著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，在未來長距離、大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸中，管道輸氫有望成為為最優(yōu)運(yùn)輸方式。
