氢气运输：不同运输方式的成本测算

氢气从制氢厂到加氢站需要经历运输环节。氢气的运输方式可根据氢气状态不同分为气态氢气(GH2)输送、液态氢气(LH2)输送和固态氢气(SH2)输送。

选择何种运输方式,需基于以下四点综合考虑:运输过程的能量效率、氢的运输量、运输过程氢的损耗和运输里程。

在用量小、用户分散的情况下,气氢通常通过储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送,用量大时一般采用管道输送。液氢运输多用车船等运输工具。

虽然氢气运输方式众多,但从发展趋势来看,我国主要以气氢拖车运输(tubetrailer)、气氢管道运输(pipeline)和液氢罐车运输(liquidtruck)三种运氢方式为主,本文将主要分析这三种方式的成本。

长管拖车运输:当前主流运氢方式,经济性受距离制约

长管拖车是最普遍的运氢方式,但运输效率不高

长管拖车由动力车头、整车拖盘和管状储存容器3部分组成,其中储存容器是将多只(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,用于存放高压氢气。

长管拖车是国内最普遍的运氢方式。这种方法在技术上已经相当成熟。但由于氢气密度很小,而储氢容器自重大,所运输氢气的重量只占总运输重量的1~2%。

因此长管拖车运氢只适用于运输距离较近(运输半径200公里)和输送量较低的场景。

其工作流程如下:将净化后的产品氢气经过压缩机压缩至20MPa,通过装气柱装入长管拖车,运输至目的地后,装有氢气的管束与车头分离,经由卸气柱和调压站,将管束内的氢气卸入加氢站的高压、中压、低压储氢罐中分级储存。

加氢机按照长管拖车、低压、中压、高压储氢罐的顺序先后取出氢气对燃料电池车进行加注。

该方法的运输效率较低。国内标准规定长管拖车气瓶公称工作压力为10-30MPa,运输氢气的气瓶多为20MPa。

以上海南亮公司生产的TT11-2140-H2-20-I型集装管束箱为例,其工作压力为20MPa,每次可充装体积为4164Nm3、质量为347kg的氢气,装载后总质量33168kg,运输效率1.05%。

国内生产长管拖车的主要厂商有中集安瑞科、鲁西化工、上海南亮、浦江气体、山东滨华氢能源等。

长管拖车运氢成本测算

为测算长管拖车运氢的成本,我们的基本假设如下:

(1)加氢站规模为500kg/天,距离氢源点100km;

(2)长管拖车满载氢气质量350kg,管束中氢气残余率20%,每日工作时间15h;

(3)拖车平均时速50km/h,百公里耗油量25升,柴油价格7元/升;

(4)动力车头价格40万元/台,以10年进行折旧;管束价格120万元/台,以20年进行折旧,折旧方式均为直线法;

(5)拖车充卸氢气时长5h;

(6)氢气压缩过程耗电1kwh/kg,电价0.6元/kwh;

(7)每台拖车配备两名司机,灌装、卸气各配备一名操作人员,工资10万元/人·年;

(8)车辆保险费用1万元/年,保养费用0.3元/km,过路费0.6元/km;根据以上假设,可测算出规模为500kg/d、距离氢源点100km的加氢站,运氢成本为8.66元/kg。

测算过程如下表:

运输成本随距离增加大幅上升。当运输距离为50km时,氢气的运输成本5.43元/kg,随着运输距离的增加,长管拖车运输成本逐渐上升。

距离500km时运输成本达到20.18元/kg。

考虑到经济性问题,长管拖车运氢一般适用于200km内的短距离运输。

从拆分的成本结构来看,人工费与油费是推动成本上升的主要因素。固定成本占运输成本的40%-70%,随着距离增加,其占比逐渐下降。

为保证氢气供应量,加氢站所需拖车数量随着距离增加也相应增加:当距离小于50km时,仅需1台拖车便可满足当日氢气供应,50~300km的距离需要2台拖车,超过300km后则需要3台拖车。

每增加一台拖车,折旧费与人工费会有明显提升。除此之外,油费也会随距离增加显著上升,占比由20%上升至40%,是推动成本上升的第二大因素。

提高管束工作压力可降低运氢成本

由于国内标准约束,长管拖车的最高工作压力限制在20MPa,而国际上已经推出50MPa的氢气长管拖车。

若国内放宽对储运压力的标准,相同容积的管束可以容纳更多氢气,从而降低运输成本。

当运输距离为100km时,工作压力分别为20MPa、50MPa的长管拖车运输成本为8.66元/kg、5.60元/kg,后者约为前者的64.67%。

管道运输:具有发展潜力的低成本运氢方式

我国氢气管网发展不足,建设提速

低压管道运氢适合大规模、长距离的运氢方式。由于氢气需在低压状态(工作压力1~4MPa)下运输,因此相比高压运氢能耗更低,但管道建设的初始投资较大。

我国布局氢气管网布局有较大提升空间。美国和欧洲是世界上最早发展氢气管网的地区,已有70年历史。

根据PNNL在2016年的统计数据,全球共有4542公里的氢气管道,其中美国有2608公里的输氢管道,欧洲有1598公里的输氢管道,而中国仅有100公里。

随着氢能产业的快速发展,日益增加的氢气需求量将推动我国氢气管网建设。

国内氢气管网建设提速。我国的输氢管道主要分布在环渤海湾、长三角等地,目前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(42km)两个。

根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》所制定的氢能产业基础设施发展路线,到2030年,我国燃料电池汽车将达200万辆,同时将建成3000公里以上的氢气长输管道。

该目标将有效推进我国氢气管道建设。

氢气管道造价高、投资大,天然气管道运氢可降低成本

天然气管道相比氢气管道更为发达。

天然气管道是世界上规模最大的管道,占世界管道总长度的一半以上,相比之下氢气管道数量很少。

据IEA报告,目前世界上有300万公里的天然气管道,氢气管道仅有5000公里,现有的氢气管道均由制氢企业运营,用于向化工和炼油设备运送成品氢气。

运氢管材的特殊性使氢气管道造价高于天然气管道。

由于管材易发生氢脆现象(即金属与氢气反映而引起韧性下降),从而造成氢气逃逸,因此需选用含炭量低的材料作为运氢管道。美国氢气管道的造价为31~94万美元/km,而天然气管道的造价仅为12.5~50万美元/km,氢气管道的造价是天然气管道造价的两倍以上。

氢气的输送成本高于天然气。

虽然氢气在管道中的流速是天然气的2.8倍,但由于氢气的体积能量密度小,同体积氢气的能量密度仅为天然气的三分之一,因此用同一管道输送相同能量的氢气和天然气,用于押送氢气的泵站压缩机功率高于压送天然气的压缩机功率,导致氢气的输送成本偏高。

在氢能发展初期,可采用天然气管道输送氢气以降低成本。

氢气输运网络基础设施建设需要巨大的资本投入和较长的建设周期,管道的建设还涉及占地拆建问题,这些因素都阻碍了氢气管道的建设。

研究表明,含20%体积比氢气的天然气-氢气混合燃料可以直接使用目前的天然气输运管道,无需任何改造。

在天然气管网中掺混不超过20%的氢气,运输结束后对混合气体进行氢气提纯,这样既可以充分利用现有管道设施,出于经济性考虑,也能降低氢气的运送成本。

目前国外已有部分国家采用了这种方法。

管道运氢成本测算

为测算管道运氢的成本,我们参考济源-洛阳氢气管道的基本参数,做出如下假设:

(9)管道长度25km,总投资额1.46亿元,则单位长度投资额584万元/km;

(10)年输氢能力为10.04万吨,运输过程中氢气损耗率8%;

(11)管线配气站的直接与间接维护费用以投资额的15%计算;

(12)氢气压缩过程耗电1kwh/kg,电价0.6元/kwh;

(13)管道寿命20年,以直线法进行折旧。

根据以上假设,可测算出长度25m、年输送能力10.04万吨的氢气管道,运氢价格为0.86元/kg。

测算过程如下表:

氢气管网相比长管拖车具备成本优势。

由于压缩每公斤氢气所消耗的电量是一定的,管道运氢成本增长的驱动因素主要是与输送距离正相关的管材折旧及维护费用。

当输送距离为100km时,运氢成本为1.20元/kg,仅为同等距离下气氢拖车成本的1/5,通过管道运输氢气是一种降低成本的可靠方法。

管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响。

虽然测算结果显示管道运氢成本较低,但达到该成本的前提是管道的运能利用率达到100%,即加氢站有足够的氢气需求。

运氢成本随着利用率的下降而上升,当运能利用率仅为20%时,管道运氢的成本已经接近长管拖车运氢。

在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下,管道运氢的成本优势并不明显。

但随着氢能产业逐步发展,氢气管网终将成为低成本运氢方式的最佳选择。

液氢罐车运输:适合长距离运输,国内外应用差距明显

液氢运输相比气氢效率更高,但国内应用程度有限

液氢罐车运输系统由动力车头、整车拖盘和液氢储罐3部分组成。

由于液氢的运输温度需保持在-253℃以下,与外部环境温差较大,为保证液氢储存的密封和隔热性能,对液氢储罐的材料和工艺有很高的要求,使其初始投资成本较高。

液氢罐车运输具有更高的运输效率,但液化过程能耗大。

液氢罐车运输是将将氢气深度冷冻至21K液化,再将液氢装在压力通常为0.6兆帕的圆筒形专用低温绝热槽罐内进行运输的方法。

由于液氢的体积能量密度达到8.5MJ/L,液氢槽罐车的容量大约为65m3,每次可净运输约4000kg氢气,是气氢拖车单车运量的10倍多,大大提高了运输效率,适合大批量、远距离运输。

但缺点是制取液氢的能耗较大(液化相同热值的氢气耗电量是压缩氢气的11倍以上),并且液氢储存、输送过程均有一定的蒸发损耗。

国外已有广泛应用,国内标准缺失掣肘液氢发展。

在国外尤其是欧、美、日等国家,液氢技术发展已经相对较为成熟,液氢在储运等环节已进入规模化应用阶段,某些地区液氢槽车运输超过了气氢运输规模。

而国内目前仅用于航天及军事领域,这是由于液氢生产、运输、储存装置等标准均为军用标准,无民用标准,极大地限制了液氢罐车在民用领域的应用。

国内相关企业已着手研发相应的液氢储罐、液氢槽车,如中集圣达因、富瑞氢能等公司已开发出国产液氢储运产品。

液氢标准出台指日可待。

2019年6月26日,全国氢能标准化技术委员会发布关于对《氢能汽车用燃料液氢》、《液氢生产系统技术规范》和《液氢贮存和运输安全技术要求》三项国家标准征求意见的函。

液氢相关标准和政策规范形成后,储氢密度和传输效率都更高的低温液态储氢将是未来重要的发展方向。

液氢槽车运输成本测算

为测算液氢槽车运输的成本,我们的基本假设如下:

(14)加氢站规模为500kg/天,距离氢源点100km;

(15)槽车装载量为15000加仑(约68m3,即4000kg),每日工作时间15h;

(16)槽车平均时速50km/h,百公里耗油量25升,柴油价格7元/升;

(17)液氢槽车价格约为50万美元/辆,以10年进行折旧,折旧方式为直线法;

(18)槽车充卸液氢时长6.5h;

(19)氢气压缩过程耗电11kwh/kg,电价0.6元/kwh;

(20)每台拖车配备两名司机,灌装、卸载各配备一名操作人员,工资10万元/人·年;

(21)车辆保险费用1万元/年,保养费用0.3元/km,过路费0.6元/km。根据以上假设,可测算出规模为500kg/d、距离氢源点100km的加氢站,运氢成本为13.57元/kg。

测算过程如下表:

液氢罐车成本变动对距离不敏感。当加氢站距离氢源点50~500km时,液氢槽车的运输价格在13.51~14.01元/kg范围内小幅提升。

虽然运输成本随着距离增加而提高,但提高的幅度并不大。这是因为成本中占比最大的一项——液化过程中消耗的电费(约占60%左右)仅与载氢量有关,与距离无关。

而与距离呈正相关的油费、路费等占比并不大,液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。

液氢罐车成本变动对距离不敏感。当加氢站距离氢源点50~500km时,液氢槽车的运输价格在13.51~14.01元/kg范围内小幅提升。

虽然运输成本随着距离增加而提高,但提高的幅度并不大。这是因为成本中占比最大的一项——液化过程中消耗的电费(约占60%左右)仅与载氢量有关,与距离无关。

而与距离呈正相关的油费、路费等占比并不大,液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。

发展趋势:成本最低的管道运输是未来发展方向

将上述测算结果进行对比发现:在0~1000km范围中,管道运输的成本最低。

运输距离在250km内时,长管拖车运输成本低于液氢槽车,超过250km则后者更具成本优势。

《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》提出了未来氢能运输环节的发展路径:在氢能市场渗入前期,氢的运输将以长管拖车、低温液氢、管道运输方式因地制宜、协同发展。

中期(即2030年),氢的运输将以高压、液态氢罐和管道输运相结合,针对不同细分市场和区域同步发展。

远期(即2050年)氢气管网将密布城市、乡村,成为主要运输方式。