【深度报告】氢气运输方案经济分析
导读
当前氢能产业已经进入快速发展阶段，全球氢气产量超过14.4亿标准立方/天，中国氢气产能也超过15.75百万标准立方/天。但由于氢气体积能量密度极低且液化困难，其运输成本远远超过石油及天然气等传统燃料，达到交货成本的6%左右。而且随着规模经济与技术进步导致的制氢成本下降，运输成本的比重还会不断增加。因此对现有氢气输送方案的技术经济特征进行分析，构建经济高效的氢气储运及配送基础设施，是氢能产业发展必须解决的重大问题。
一、现有氢气运输技术及其特性
目前国内外的氢气运输技术可以分为高压气态、液态、有机载体（LOHC）及固态储氢运输等四类。其中高压气态运输由于技术实现简单及成本低等特征，应用最为广泛，而液态运输次之。有机载体（LOHC）与固态运输原理相似，均利用氢气与有机液体或固态金属反应生成氢键复合物或金属氢化物，在目的地进行脱氢处理，从而实现高效运输。后两种技术优势明显，前景可期，但目前成熟度不高。
表1 氢气运输方案概况
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
（一）高压气态运输
高压气态运输，是指采用压缩机将氢气在常温下压缩至较高要求和密度，采用密封容器或管道运输至目的地再进行调压的技术方案。具体输送工具有集装格、集装管束及管道运输等三种。
1.集装格
集装格是采用钢结构框架将10-16只容积40L的单瓶集装在一起采用常规车辆进行运输，钢瓶压强可以达到15-20Mpa。由于钢瓶自重较大，运输氢气的重量仅占钢瓶重量的0.067%，运输效率低下，成本高。但集装格操作简单，运输方式灵活，适合于短距离、少量需求的供应。
2.集装管束
集装管束运输车(tube trailer)也称为管状集装箱，是将多只（通常6-10只左右）大容积无缝高压钢瓶通过瓶身两端的支撑板固定在框架中构成，采用大型拖车运输。集装管束前端配备安全仓，其中设置爆破片安全泄放装置，后端为操作仓中配置测温、测压仪表及控制阀门和存放气管路系统。国内主要生产商中集安瑞科生产的集装管束承受压力20Mpa，每次可装载氢气约4000Nm3，重约460kg。
3.管道运输
管道运输通过在地下埋设无缝钢管系统进行氢气输送，管道内氢气压力一般4Mpa，输送速度可达到20m/秒。管道运输具有速度快、效率高的优点，但初始投资较高。目前，氢气管道在美国及欧洲采用较多，我国国内则相当少见。我国已知有一定规模的管道项目有两个：济源-洛阳（25km）及巴陵-长岭（43km）两个。根据国际组织2016年的统计数据，世界范围内的氢气运输管道分布如图1所示：
图1 全球氢气输送管道分布（单位km）
数据来源：Pacific Northwest National Laboratory
（二）液态氢气运输
1.槽罐车液氢运输
液氢运输是将氢气于零下253摄氏度的低温下转化为液体形态，采用槽罐车进行运输。相对于高压气态运输，液态氢具有更高的体积能量密度，因而运输效率大幅度提升。如国外常见的液氢槽罐车（tanker）水容积可达到65m3，单次可装载液氢约4300kg，运送能力是集装管束拖车的10倍。但氢气液化能耗较高，相当于被液化氢气热值的约33%，同时在运输过程中具有极高的保温要求以防止液氢沸腾，因而成本高昂。
2.有机载体储氢运输（LOHC）
有机载体储氢运输是一种新型的实现氢气液态运输的技术方案。该技术利用某些烯烃或芳香烃等有机液体（LOHC）与氢气在催化剂作用下产生加氢反应，生成氢键复合物，从而实现氢气在常温常压下的安全高效运输。在运输目的地，对复合物进行脱氢处理，以获取氢气。该技术方案的优势相当明显，但目前仍处于试验阶段，技术成熟度低。一方面，LOHC及催化剂的成本尚不明确，另一方面，加氢及脱氢处理使得氢气的高纯度难以保证。
（三）储氢合金固态氢运输
该技术利用稀土系、钛系、锆系和镁系等金属或合金的吸氢特性，与氢气反应产生稳定氢化物，在常温常压下运输至目的地之后再通过加热释放氢气。利用该技术同样可以大幅度提升氢气运输的体积能量密度。理论上，与高压钢瓶同等重量的储氢合金所能吸纳的氢气量是高压钢瓶的上千倍。但储氢合金本身价格昂贵，目前仅用于电池领域，用于大规模氢气运输并不现实。
二、主要氢气运输技术成本分析
从上述分析可知，目前从技术上适用于大规模氢气运输的成熟技术方案主要为集装管束运输、管道运输、液氢槽罐车运输及LOHC运输。以下分别对不同技术方案的运输成本加以分析。
（一）集装管束运输成本
集装管束拖车运输成本主要包括：拖车折旧费、维护保养费、氢气压缩耗电、人员工资及运输油耗等。成本测算假设：目前国内集装管束拖车的价格约100万/台，使用年限10年。每辆拖车配备司机两名，每人每年工资及福利费共15万。拖车满载氢气可达460kg，每百公里消耗柴油约25升。拖车平均运行速度假设为50km/小时，两端装卸时间约5小时，年有效工作时间为4500小时。氢气压缩过程耗电1kwh/kg。具体如表2所示。
表2 集装管束运输成本构成
数据来源：玖牛研究院根据公开资料整理
注：柴油价格按6元/升，电费0.6元/度
在年运输总量较大的情况下，可以调整集装管束车的数量以应对运输量的变动，以保证车辆的满载运行，从而单车的年运输量取决于输送距离。由上可知集装管束年固定成本为4,10000元，可变成本则取决于运输距离。假设运输距离为Xkm,则车辆往返运输一次耗时为(2X/50+5)小时，每年可以往返运输次数为4500/(2X/50+5)，运输里程为4500/(2X/50+5)*X*2km，共运送氢气4500/(2X/50+5)*460kg，计算可得单位氢气的运输成本如图2所示。
图2 单位氢气运输成本（元/吨公里）
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
（二）液氢槽罐车
液氢槽罐车的运输成本结构与集装管束车类似，只是增加氢气液化成本及运输途中液氢的沸腾损耗。槽罐车市场价格约45万/辆，每次装载液氢约4300kg，运输途中由于液氢沸腾平均每小时损耗0.01%，液化过程损耗0.5%。液化过程耗电11kwh/kg。槽罐车充卸一次约耗时6.5小时。
表2 槽罐车液氢运输成本构成
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
注：柴油价格按6元/升，电费0.6元/度，损耗氢气成本11.1元/kg
由上可知槽罐车年固定成本为355000元，可变成本同样取决于运输距离。假设运输距离为Xkm,则车辆往返运输一次耗时为(2X/50+6.5)小时，每年可以往返运输次数为4500/(2X/50+6.5)，运输里程为4500/(2X/50+6.5)*2X km，共运送氢气4500/(2X/50+6.5)*4300kg，计算可得单位氢气的运输成本如下图3所示：
图3 槽罐车液氢运输单位运输成本（元/吨公里）
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
（三）管道氢气运输
管道氢气运输的成本主要包括管道建设费用折旧与摊销、直接运行维护费用（材料费、维修费、输气损耗、职工薪酬等）、管理费及氢气压缩成本等。根据国内最近建成运营的氢气输送管道“济源-洛阳”项目测算，采用φ508mm管道，年输送能力10.04万吨，建设成本为616万/km，管道使用寿命20年。运行期间维护成本及管理费用按建设成本的8%计算。据统计氢气管道在满载输送过程中损耗为1252kg/km年。成本费用结构如下表3所示：
表3 氢气管道运输成本结构
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
管道输送的年运输能力取决于设计能力，而与运输距离基本无关。按照φ502mm的管道计算，年输送能力为10.04万吨。假设输送距离为Xkm，则满负荷运行下年总输送成本为：TC=（308000+24640）X+10.04*10000000*0.42+13897*X 元。单位运输成本测算如下：
图4 管道氢气运输单位成本（元/吨公里）
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
可以发现，管道运输的吨公里成本受运能利用率的显著影响，随着运能利用率的下降单位运输成本大幅度提升，在利用率提升到40%以上之后运输成本的变化幅度减缓。
三、各方案技术经济对比
1.运输成本
从以分析可以发现，在满负荷运营状态下，管道运输的成本明显优于集装管束与液氢槽罐车运输。在300km运输距离之内，集装管束的运输成本优于槽罐车，而运距超过300km之后，槽罐车运输成本开始低于集装管束。
图5 三种方案运输成本对比
图片来源：玖牛研究院根据公开资料整理
2.对市场需求风险的适应性
由于集装管束与槽罐车的单车运输量不大，在市场需求波动时可以通过调整运输车数量保持车辆处于满载运输状态，年总运输量变化对单位运输成本的影响很小。因此这两种运输方式的对市场需求波动具有较强适应性。而氢气输送管道尽管满负荷运营状态下单位运输成本极低，但其成本优势是由其巨大的运输能力保证的，单位运输成本受运输量影响明显，一旦市场需求下降到原设计运能的20%（20080吨）以下，管道运输的成本将高于另外两种方案。
3.对生产要素市场风险适应性
集装管束运输成本中占比最高的是劳动力成本，因此其成本对劳动力市场价格具有一定敏感性。液氢槽罐车运输的主要成本在于氢气液化电力费用，其对电力价格敏感性较强。而管道运输的主要成本在于建设投资，其建成之后运营成本对生产要素市场价格变化不具有敏感性。
表4 各方案技术特征对比
资料来源：玖牛研究院根据公开资料整理
四、结论
在可以预见的未来，全国氢气储运基础设施构建中，从大规模制氢企业向城市门户的氢气输送主干道应当以氢气管道为主。其低廉的运输成本将有利于大规模制氢企业布局于生产成本低的区域。而在城市内部或区域之间的中短距离配送以集装管束运输为主，而液氢槽罐车则能在300km以上的远距离不稳定需求中发挥优势，或作为管道运输的补充。有机载体LOHC技术相比集装管束与液氢槽罐车均有明显优势，如果能够成功走向成熟则有望取代两者成为新的中短距离运输有效方案。
玖牛研究院 汽车团队
完