燃料电池产业链（六）| 氢气篇：储存运输分析

　　1、氢气储运：气氢拖车满足现阶段要求，液化氢技术是发展方向

　　氢气的制备技术和存储运输等技术等，均影响到燃料电池所用燃料是否能方便快捷低成本地获得。其中氢能的大规模、低成本和高效制备是首先需要解决的关键性难题。根据Hydrogen Analysis Resource Center的统计数据显示，全球制氢能力约保持在1440百万标准立方英尺/天。其中中国的制氢能力保持在1320.86吨/天以上。

　　氢能大规模进入市场的主要障碍之一是包括生产、运输和加注在内的供氢基础设施的缺乏，也就是氢产业链上游和中游的完善度不足。就目前技术发展程度而言，氢的交货成本远大于等能量水平下的汽柴油成本，而其中氢的运输成本在交货成本中占约6%左右。

　　根据日本经济产业省的统计分析，2014年日本氢气售价的构成主要由氢气原材料、氢气的生产运输成本、加氢站的固定和可变成本以及加氢站运营维护几个部分组成。其中涉及到氢气的制备和储运的成本占38%。而对比看来，汽油售价的重要组成部分则是汽油的消费税。

　　影响我国氢气售价的最主要因素是包括制氢和储运氢气在内的氢气成本部分。比较日本和我国的加氢站氢气售价价格组成可以发现，影响日本氢气售价的最主要的两个因素是氢气成本（约占38%）和加氢站固定成本（约占26%），而影响我国氢气售价最主要的因素是氢气成本（约占65%）。

日本和我国加氢站氢气售价价格组成

日本

我国

　　要降低我国的氢气售价，在补贴力度较强的现阶段来看，选择合适的氢源，并降低氢气运输与储藏的成本，是最适当的选择；长远来看，随着行业的发展和补贴额度的下降，通过提高关键设备的国产化率水平来降低加氢站的建设成本则是未来降低氢气售价的明智之选。

　　通过比较分析各种制氢方式的成本、优劣势和我们认为：在现阶段，选择成本较低、氢气产物纯度较高的氯碱工业副产氢的路线，已经可以满足下游燃料电池车运营的氢气需求；在未来氢能产业链发展得比较完善的情况下，利用可再生能源电解水制氢将成为终极能源解决方案。

　　因此，在暂时选定氯碱工业副产氢的现阶段，选择技术能够达到标准且成本低廉的运输氢气和储存氢气的方法，是目前降低氢气售价的第二关键要素。

　　运氢的方式主要分为：气氢拖车运输（tube trailer）、气氢管道运输（pipeline）和液氢罐车运输（liquid truck）。氢能供应链中运氢环节定义为包括集中制氢厂的运输准备环节（氢气压缩/液化、存储及加注）和车辆/管道运输过程所涉及所有设备。

　　储氢的方式主要分为：低温液态储氢、高压气态储氢和储氢材料三种。其中储氢材料主要包含两种形式——氢化物储氢和吸附储氢；1）氢化物储氢主要包括金属氢化物、络合化合物、有机化合物；2）吸附储氢主要包括碳基材料、金属骨架化合物和多孔聚合物。

　　通过假设一般物流车百公里油耗为10L，燃料电池物流车百公里耗氢量为1.48kg（通过统计现有FCV物流车指标测算而得），我们统计出了（见图表5）与汽油价格具有同等竞争力的氢气成本价：28.47元/kg。如果使氢燃料电池车具有较强的竞争力（百公里耗氢成本较百公里耗油成本低20%以上），则氢气成本需控制在22.78元/kg以下。

　　从现阶段加氢站对运输距离（＜500km,200km为宜）和运输规模（10t/d）的需求来看，氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车，其成本可以达到2.02元/kg，而在同等条件下的液氢运输成本可以达到12.25元/kg。未来在液化氢技术达到标准且氢气需求量规模上升（100t/d）的情况下，将考虑采用液氢运输的方式运送氢气。

　　我们认为现阶段最佳的制氢和运氢方式搭配为：氯碱工业副产氢+气氢拖车运输，其氢气成本范围在17.9~19.2元/kg。该氢源路线的选择主要是基于成本和环保的角度考虑的。

　　2、集中制氢厂的运输准备环节：氢气压缩/液化、存储及加注

　　氢的质量能量密度很高，大约是汽油的3倍，但体积能量极低，常温常压下比汽油低4个数量级。较为现实的做法是在生产厂将制得的氢气压缩或液化后进行运输和储存（运输准备环节）。

　　气氢拖车和气氢管道运输的方式需要配备氢气压缩和氢气储存设备，而液氢罐车运输方式需要配备氢气液化和液氢储存设备来满足后续运输需要和连续供应。此外，为实现从生产厂向运输设备输氢，气氢拖车和液氢罐车运输方式分别需要安装气氢加注器和液氢加注器；而管道运输方式则不需要配备加注器。

　　氢气的压缩和液化过程都需要消耗相当数量的电力。氢气压缩的电耗（从反应器压力提升到储存压力）大约在0.7~1kwh/kg之间，相当于氢气低热值（120Mj/kg）的2%~3%；而氢气的液化过程能耗更高，包括一系列的压缩、冷却和膨胀过程，即使是实现大规模的液化氢气，其电耗也达到了11kwh/kg的水平，相当于氢气低热值的33%。

　　高压储氢装置：一般有两种方式，一种是用具有较大容积的气瓶，该类气瓶的单个水容积在600L～1500L之间，为无缝锻造压力容器；另一种是采用小容积的气瓶，单个气瓶的水容积在45L～80L。从成本角度看，大型储氢瓶的前期投资成本较高，但后期维护费用低，且安全性和可靠性较高。

　　氢气压缩设备：常用的氢气压缩设备为隔膜式压缩机，该型压缩机靠金属膜片在气缸中作往复运动来压缩和输送气体。氢气压缩机在加氢站中占据重要地位，目前我国加氢站所采用的氢气压缩机仍需外购。未来国内加氢站与生产压缩机的外资企业加强合作以及加快国产化速度的情况下，有望将压缩机的成本减少50%以上。

　　氢气加注设备：氢气加注设备与天然气加注设备原理相似，由于氢气的加注压力达到35Mpa，远高于天然气25Mpa的压力，因此对于加氢机的承压能力和安全性要求更高。根据加注对象的不同，加氢机设置不同规格的加氢枪。如安亭加氢站设置TK16和TK25两种规格的加氢枪，最大加注流量分别为2kg/min和5kg/min。加注一辆轿车约用3-5分钟，加注一辆公交车约需要10-15分钟。

　　3、气氢运输：拖车运输前期投资低，管道输氢适用于大规模运输

　　一 气氢拖车成本与运输距离相关性强，适用于距离较短的运输

　　拖车运输适用于将制氢厂的氢气输送到距离不太远而同时需用氢气量不很大的用户。我国常用的高压管式拖车一般装8根高压储气管。其中高压储气管直径0.6m, 长11m, 工作压力35MPa, 工作温度为-40~60℃单只钢瓶水容积为2.25m3 , 重量2730kg。这种车总重26030kg, 装氢气300kg以上, 输送氢气的效率只有1.1%。可见, 由于常规的高压储氢容器的本身重量很重, 而氢气的密度又很小, 所以装运的氢气重量只占总运输重量的1~2%左右。未来更高压力的存储会提升载氢能力。

　　气氢拖车系统的运行过程如下：空载气氢拖车在集中制氢厂加氢到满载，然后车辆行驶到加氢站，直接卸下车上管状储存容器作为加氢站的存贮设备，同时拾起原本位于加氢站的“空载”管状容器，运回集中生产厂开始新一轮的加载。

　　我们收集了如图表11和图表12的相关数据，在假设车速为60km/h，单车每天工作15小时的情况下，得出在运输距离为200km的情况下，气氢拖车运输氢气的成本约为2.02元/kg。

　　车用氢气气瓶：高压气态存储压力需要达到35Mpa，甚至70Mpa，而车用天然气气瓶的工作压力一般仅为20~25Mpa，这对车用氢气瓶提出了严苛的要求。车用氢气钢瓶主要向着高压化、轻量化、低成本、质量稳定的方向发展。DoE的终极目标是质量储氢密度达到0.075kgH2/kg。

　　在标准制定方面，有国际标准化组织的ISO/TS 15869-2009《车用氢气及氢混合气体气瓶》、日本的JARI S001-2004《车用高压储氢氢气瓶技术标准》等。

　　目前我国采用材料-工艺-结构一体化的优化设计方法制造的70Mpa车用高压缠绕氢气瓶，多项技术指标也达到了国际先进水平。

　　二 管道输氢适合点对点、规模大的氢气运输，前期投入成本较高

　　气氢的管道运输用于大规模的输送。由于氢气自身体积能量密度小和防止管材“氢脆”现象，氢气管道运输成本往往大于同能量流率下天然气管道运输的成本。一般而言，管道运输的成本主要来源于管道的初始投资建设，运行成本比例很小，现实中根据运输距离的长短和管道压力的大小判断是否中途安装管道加压设备。

　　目前Hydrogen Analysis Resource Center统计的数据中显示，全球共铺设4284公里输氢管道，其中56%设在美国，37%位于欧洲。此外，Air Liquide公司在中国的上海、天津、辽阳也铺设了输氢管道。

　　欧洲大约有1500公里输氢管。世界最长的输氢管道建在法国和比利时之间,长约400公里。目前使用的输氢管线一般为钢管, 运行压力为1~2MPa, 直径0.25~0.30m。

　　目前氢气的运输管道长度较天然气管道长度相差几个数量级，成本方面，氢气管道的造价约为天然气管道造价的2倍以上。以美国为例，其天然气管道的长度约为55x104km，氢气管道的长度约为2389km。造价方面，天然气管道的造价仅为12.5~50万美元/公里，氢气管道的造价大约为30~100万美元/公里。

　　除造价成本外，管道输氢还有一部分可变的输气成本，这是由于气体在管道中输送能量的大小，取决于输送气体的体积和流速。氢气在管道中的流速大约是天然气的2.8倍, 但是同体积氢气的能量密度仅为天然气的1/3。因此用同一管道输送相同能量的氢气和天然气, 用于压送氢气的泵站压缩机功率要比压送天然气的压缩机功率大很多, 导致氢气的输送成本比天然气输送成本高。

　　改造现有的天然气管道用于输送氢气的主要方式是提升钢管材质中的含碳量，低碳钢更适合输送纯氢；而塑料管道由于压力较小，不能用于输氢。

　　我们认为，如果能够通过改造现有天然气管道，用于输送纯氢气将对未来氢能的发展将产生帮助。但管道输氢更适合点对点运输的方式，且两端产生和使用氢气的

　　4、液氢罐车运输：单车载氢能力是气态载氢的10倍以上，经济性与储量大小相关

　　液化储氢是将氢气压缩后深冷到21K以下使之液化成液氢，然后存入特制的绝热真空容器中保存。液氢的密度为常温、常压下气态氢的845倍，体积能量密度比压缩存储要高出好几倍。

　　从质量密度和体积密度上考虑，液氢储存是一种极为理想的储氢方式，但是面临两大技术难点：

　　1）液氢储存容器的绝热；由于储槽内液氢与环境温差大，为控制槽内液氢蒸发损失和确保储槽的安全（抗冻、承压），对储槽和绝热材料的选材和储槽的设计均有很高的要求。

　　2）氢液化能耗大，工程实际中氢液化耗费的能量占到了总氢能的30%。

　　液氢储存罐是液化氢储存的关键。液化氢储罐分为内外两层：储罐内胆一般采用铝合金、不锈钢等材料制成。内胆通过支承物置于外层壳体中心，盛装温度为20K的液氨。支承物由玻璃纤维带制成，具有良好的绝热性。内外夹层中间填充多层镀铝涤纶薄膜，减少热辐射，薄膜之间放上绝热纸增加热阻，吸附低温下的残余气体。用真空泵抽去夹层内的空气，形成高真空便可避免气体对流漏热。

　　液氢储运的经济性与储量大小密切相关。液化相同热值的氢气，比氢气压缩的耗电量高11倍以上，加之液氢储存罐的选材和技术水平要求高，前期投入成本高。根据我们的测算，液化过程的相关成本（设备投资和电耗成本）占运氢成本的最大份额，比例达到70%~80%。由于液化设备的强规模效应，液氢罐车运输方式的运氢成本随着运输规模的增大而大幅降低，随运输距离的增大，成本也升高，但升高的幅度不大。

　　我们假设车速60km/h，一辆车一天工作15h计算, 一辆车一天可以跑900km。计算得出在10t/d的运输规模下，200km的运氢价格为12.25元/kg、500km的运氢价格为12.54元/kg；在100t/d的运输规模下，200km的运氢价格为8.57元/kg，500km的运氢价格为8.85元/kg。

　　5、氢气运输方式选择：气氢拖车适用于规模小距离近、液氢罐车适合长距离

　　随着运输规模和运输距离的变化，三种氢气运输方式的成本表现出不同的变化规律。依照其特定的变化规律，在运输规模和运输距离确定的情况下，可以选出成本最低的运氢方式。

　　主要的三种氢气运输方式（气氢拖车、管道输氢和液氢罐车运输）的成本组成可以划分为：存储设备投资、压缩、液化和加注设备投资、电力成本、管道投资、车辆投资（包括车载储氢容器）、车辆燃料成本、人力成本和其他运行维护费用（包括固定运行维护费用和可变运行维护费用中的非燃料运行维护费用等）。

　　成本分析主要结论：

　　1）对于气氢拖车运输方式，运氢成本受规模影响不大，主要受距离因素影响；

　　2）对于管道输氢方式，管道投资成本在运氢成本中占最大份额，适用于运氢规模大，距离近的情况；

　　3）对于液氢罐车运输方式，运氢成本随着运输规模的增大大幅降低，随运输距离的增大而上升，但上升幅度远小于气氢拖车的运输方式。

　　在能耗方面的分析发现，三种运氢方式的单位能耗与运氢规模基本无关，仅与运输距离有关。管道输氢方式的能耗最低，而对于液氢罐车运输方式，在氢气液化之后，由于其高能量密度，需要很少的柴油消耗来满足车辆运行，因此运输距离对液氢罐车运输方式能耗的影响幅度很小。

　　结合成本和能耗两方面因素综合考虑，我们认为气氢拖车运输适合小规模、短距离运输情景；气氢管道运输适合大规模、短距离运输情景；液氢罐车运输适合长距离运输。

　　6、氢气的存储：储氢材料体积密度大，是未来的发展方向

　　储氢的几种主要方式主要包括物理储氢（上文所讨论的高压气态和低温液态）、氢化物储氢和吸附储氢，其中氢化物储氢和吸附储氢都主要依赖于不同储氢材料的性质特点。这两种方式都是通过利用氢气与储氢材料之间的物理或者化学变化来转化为固溶体或者氢化物的方式进行储存。

　　储氢材料的主要优点在于储氢体积密度大，操作简单、运输方便、成本低、安全等。但目前储氢材料路线仍存在着一些技术问题亟待解决。

　　金属氢化物储氢材料：根据构成二元合金的原子比不同，目前已开发的储氢合金主要包括AB5型、AB2型、AB型和A2B型等四大类。目前储氢合金的研究热点方向主要致力于储存容量高、综合性能好、轻质储氢合金的开发和性能研究等。

　　物理吸附型储氢材料：物理吸附主要是靠材料和氢分子之间的范德华力实现可逆储氢的，氢分子不发生解离，属于弱的分子间相互作用力。其储氢容量取决于吸附材料的比表面积，通常材料的比表面积越大，吸附温度越低，储氢量就越大。目前适用于低温物理吸附的材料，主要分为碳基有机非金属材料（如活性炭、碳纳米管、石墨等）和金属有机框架材料(MOFs)两类。研究的方向集中在吸附材料的制备和表面改性，以期通过调制内部结构和表面改性实现较温和的条件下提高储氢容量。

　　配位氢化物：具有较高的含氢量，能够满足车载储氢材料的能量密度要求，但不同程度地存在着脱加氢温度过高、动力学性能较差或可逆性差等问题，有待进一步发展。

　　美国能源部（DoE）针对车载氢气存储系统提出其2015年的研发目标：100℃下的质量储氢密度和体积储氢密度达到5.5wt%和62kgH2/m3；能在小于10Mpa的条件下4分钟完成加氢，成本低于$2/kwh。DoE的最终目标是7.5wt%。传统金属氢化物质量分数低于3wt%，无法满足车载储氢材料的要求。

　　有16种以上的氢化物理论储氢量超过DoE最终目标超过7.5wt%，至少6种理论储氢量大于12wt%。但此类氢化物的加/脱氢只能在较高温度下进行，这是制约氢化物实际应用于储氢设备的主要原因。