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雖然管道運輸前期投資非常高，但管道運輸的效率、成本都具優勢，隨著氫能產業規模的擴大，在未來長距離、大規模的氫氣運輸中，管道輸氫有望成為為最優運輸方式。
（來源：微信公眾號“EVTank” ID：EVTank 作者：趙滿祥）
近日，研究機構EVTank聯合伊維經濟研究院發布了其關于氫氣存儲與運輸領域的研究成果《中國氫氣存儲與運輸產業發展研究報告（2019）》。在研究報告中，伊維經濟研究院從主要儲氫技術的對比研究、不同儲氫技術的成本分析、氫氣運輸的不同方式，不同氫氣運輸方式成本對比分析等方面進行了詳細的研究，并重點梳理了在國內進行氫氣存儲和運輸的企業基本情況。
關于儲氫技術，伊維經濟研究院將氫氣的儲存技術分為高壓氣態儲氫、低壓液化氫儲存及儲氫材料儲存等三大類。就目前而言，伊維經濟研究院認為高壓氣態儲氫以其技術難度低、成本低、匹配當前氫能產業現狀等特征優勢得以應用最廣；低溫液氫儲存在國外應用較多，國內技術尚處于航空用階段；儲氫材料儲氫技術目前國內外產業化極少，基本處在小規模實驗階段。
高壓氣態儲氫技術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，高壓氣態儲氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)四代產品，主要應用場景為車載式（車用及儲運）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
伊維經濟研究院在報告中分析認為I型、II型儲氫瓶由于質量儲氫密度較低、氫脆問題嚴重，難以滿足車載儲氫系統的質量儲氫密度要求；而III型、IV型瓶由內膽、碳纖維強化樹脂層及玻璃纖維強化樹脂層組成，氣瓶質量較輕，單位質量儲氫密度有所提高。因此，車載儲氫瓶大多使用III型、IV型。國外目前已經實現IV型儲氫瓶在車用領域70MPa的應用，國內IV型儲氫瓶受到禁用，主要以35MPa III型瓶為主，70MPa型號技術較國外落后。
常見幾種儲氫技術
高壓氣態儲氫技術成本低，能耗低，是目前發展最成熟的儲氫技術，國內外均有廣泛的運用。但其致命的缺點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，國內更低，同時安全性能相對較差；儲氫密度受壓力影響較大，主要受儲罐材質限制；國內儲氫罐關鍵材料、核心部件當前仍然依賴進口。因此，高壓氣態儲氫研究熱點在于儲罐材質的改進，近年來國內鋁內膽外纏碳纖維樹脂成本下降較快。當前各國都在積極推動更先進的儲氫材質、更高能量密度的儲氫瓶的研究，以無內膽纖維纏繞瓶作為下一代儲氫瓶的研究熱點。
低溫液態儲氫是將氫氣通過低溫液化后以液態的形式儲存，由于液態氫具有很高的密度，常溫、常壓下液氫的密度為氣態氫的800倍以上，能夠使得儲運簡單，體積比容量大。但問題在于，目前氫氣的液化能耗較大，液化過程以及運輸過程有能量的損耗，把氣態的氫變成液態的氫難度仍然較大。并且，液態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，導致容器制造難度大、成本高昂。
國外70%左右使用液氫運輸，安全運輸基本問題已經得到充分驗證。國內應用目前僅限于航天領域，民用還未涉及。國內一方面技術沒有成熟，技術、設備成本高昂，無論是運輸還是車用都選擇高壓氣態路線；另一方面，國內暫時缺乏液氫相關的技術標準和政策規范，國內布局液氫的企業較少。伊維經濟研究院研究認為低溫液態儲氫是未來重要發展方向，同時可配合大規模風電、水電、光電電解水制氫及儲運。在民用領域，國內企業正努力實現氫的液化、儲運及加注設備的國產化和產業化。
儲氫材料儲氫技術是利用固體儲氫材料如稀土合金等、有機液體材料（烷烴類化合等）通過吸附儲氫、化學儲氫來實現氫的儲存和釋放，目前國內外產業化均很少，基本處于小規模的實驗階段。
吸附儲氫技術主要利用含括金屬合金、碳質材料、水合物、金屬框架物等對氫的吸附來達到儲氫的作用。伊維經濟研究院認為吸附儲氫最大的優勢是安全性，但就目前技術而言，存在化學儲氫放氫難、儲氫密度不高等問題，同時其成本相對較高。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。目前具備潛在應用價值的金屬合金包括稀土合金等，其最大的優點是安全、運輸方便，但普遍存在價格高、壽命短或者儲存、釋放條件苛刻等問題。
化學儲氫技術是利用儲氫材料與氫氣反應生成穩定化合物，通過改變反應條件實現放氫的技術，常用材料有機液體、液氨、配位氫化物、甲醇等。伊維經濟研究院認為化學儲氫的優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的加氫、脫氫裝置，成本較高昂；脫氫反應效率較低，氫氣純度不高等。
在化學儲氫中，以有機物液體儲氫為例，對不飽和的液體有機物在催化劑作用下進行加氫，生成穩定化合物達到儲氫目的，當需要氫氣時再進行脫氫。有機液體儲氫技術具有較高儲氫密度（50g/L以上），且成本相對較低。
同時，常用材料（如環己烷和甲基環己烷等）在常溫常壓下，即可實現儲氫，安全性較高。另一方面，有機物液體儲氫技術（儲油）可以依托傳統的石油基礎設施進行運輸、加注，方便搭建加氫網絡，相比于其它技術而言，具有獨一無二的安全性和運輸、推廣便利優勢。但該技術缺陷在于，熔點、沸點均較高，需要專門的加氫、脫氫裝置，操作性差等較多的技術難題，未來隨著技術的進步，應用前景廣闊。
三類儲氫方式的比較分析
從各國發展情況分析來看，國內儲氫技術發展相對落后，高壓氣態儲氫技術落后較大，儲氫量低得多，國外70MPa已應用到車上，而儲氫罐關鍵材料依賴進口，低溫液氫技術、儲氫材料技術與國外先進水平存在較大差距，產業化相距甚遠。
從技術成熟方面來看，高壓氣態儲氫最成熟、成本最低，是現階段主要應用的儲氫技術，在基本能與傳統加油方式相媲美，但更高的車載儲氫要求如儲氫量、安全性，高壓氣態儲氫或有不及。從質量儲氫密度上看，液態儲氫、有機液體儲氫質量儲氫密度較高，但目前兩種技術均存在成本高等問題。從成本方面來看，液態儲氫、金屬氫化物儲氫及有機液體儲氫成本均較高，不適合目前小批量的應用。
從儲氫成本角度來看，伊維經濟研究院認為高壓氣態儲氫具備一定成本優勢，主要體現在能耗和使用成本上；而低溫液化儲氫在氫的液化和運輸過程中都伴隨氫的揮發損耗，能耗最大；而儲氫材料儲氫由于技術的復雜性等問題，目前尚停留在試驗階段，但由成本對比可知，未來儲氫材料技術大有可為。
氫氣的運輸方式分析
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輸。國內加氫站的外進氫氣均采用氣氫拖車進行運輸，比較適用于運輸距離較近、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，進入壓縮機內被壓縮，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，加氫機可以從長管拖車、低壓儲氫罐、中壓、高壓按順序取氣加注。
管道運輸應用于大規模、長距離的氫氣運輸，可有效降低運輸成本。管道輸送方式以高壓氣態或液態氫的管道輸送為主。管道“摻氫”和“氫油同運”技術是實現長距離、大規模輸氫的重要環節。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行，如中國石化洛陽煉化濟源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km，年輸氣量為10.04萬噸；烏海—銀川焦爐煤氣輸氣管線管道全長為 216.4km，年輸氣量達 16.1×108m3 ，主要用于輸送焦爐煤氣和氫氣混合氣。
液態氫運輸主要利用液氫槽車，液氫的單車運氫能力是氣氫的10倍以上，運輸效率提高，綜合成本降低。但是該運輸方式增加了氫氣液化深冷過程，對設備、工藝、能源的要求更高。液氫槽罐車運輸在國外應用較為廣泛，國內目前僅用于航天及軍事領域。
三種運輸方式成本分析
從成本構成維度對三種運輸方式進行對比。
氣氫拖車運輸成本主要包括：固定成本（折舊費、人員工資等）和變動成本（包括氫氣壓縮耗電費、油料費等）。
為了測算成本，伊維經濟研究院在報告中假設目前國內集裝管束拖車的價格約120萬/臺，使用年限10年。每輛拖車配備司機以及多名操作人員，人員費用共32萬。拖車滿載氫氣可達300kg，每百公里消耗柴油約25升。拖車平均運行速度假設為50km/小時，兩端裝卸氫氣時間約8小時，年有效工作時間為4500小時。氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。
液氫槽罐車的運輸成本結構與集裝管束車類似，但增加了氫氣液化成本及運輸途中液氫的沸騰損耗。槽罐車市場價格約50萬/輛，每次裝載液氫約4000kg，運輸途中由于液氫沸騰平均每小時損耗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0.5小時。
管道氫氣運輸的成本主要包括前期管道建設費用、折舊與攤銷、直接運行維護費用（材料費、維修費、輸氣損耗、職工薪酬等）、管理費及氫氣壓縮成本等。伊維經濟研究院根據國內“濟源-洛陽”項目測算，采用φ508mm管道，年輸送能力10.04萬噸，建設成本為616萬/km，管道使用壽命20年。運行期間維護成本及管理費用按建設成本的8%計算。
通過對比三種運輸方式成本，伊維經濟研究院認為管道的運輸成本具有明顯優勢，但管道運輸前期投資建設成本較高，在氫能及燃料電池汽車產業成熟之前有較大風險，其運輸成本受運能利用率影響，運能利用率越高越經濟；氣氫拖車在300公里以內運輸具有成本優勢，中遠距離運輸，液氫占優，且在400公里后液氫的成本優勢大于管道運輸。
另一方面，由于目前氫能及燃料電池汽車市場規模較小，氫需求量較小，考慮到國內氫氣源地和使用地的距離，氣氫拖車和液氫罐車可靈活應用，包括調整拖車數量來適應市場的需求，具有一定更便利性。而從市場的長遠期來看，未來隨著市場規模的擴大、集中式氫氣生產基地增加將提高對輸氫管道一定的運能利用率的貢獻，管道運輸將具備較大優勢。
氫氣儲運行業參與企業分析
雖然高壓氣態儲氫技術比較成熟、應用普遍，但是體積比容量小，是該技術一個致命的弱點。伊維經濟研究院認為未來，高壓氣態儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展。國內目前生產高壓儲氫罐的天海工業、中材科技、沈陽斯林達等。
低溫液態儲氫在國外的加氫站體系中有較大范圍的應用，但是在車載系統中的應用不成熟。我國的液氫工廠僅為航天火箭發射服務，代表企業為中國航天科技集團101所。受法規所限，還無法應用于民用領域。國內目前有液氫儲運技術儲備和產業化能力的企業有富瑞氫能、中科富海等。
目前在儲氫材料領域產業化較低，國內儲氫材料代表企業有稀土儲氫材料的北京浩運金能、廈門鎢業、內蒙古稀奧貯氫等。其中，有機液體儲氫技術的在中國的發展已有所成就，代表企業如武漢氫陽能源，選用的有機液態儲氫材料為氮乙基咔唑，建立了全球第一個常溫常壓液態有機儲氫材料工廠。
總結
（1）低溫液化儲氫技術受制于成本和能耗問題，無法規模化利用，預計在氫能產業規模擴大、配套設備和技術提升之后未來可期。
（2）儲氫材料技術的儲氫量較大，其未來的發展研究應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，實現儲氫材料技術的規模化應用。
（3）有機液態儲氫擁有較大的推廣優勢，可依托現有傳統汽油輸送方式和加油站構架建設氫油站，未來技術的研究重點突破相關制備、配套設備技術，提高脫氫效率。
（4）氣氫拖車運輸比較適合當前氫能產業的發展規模。一方面，氣氫拖車具有成本低、充放氫快速的優點，另一方面國內加氫站均為站外供氫。但隨著氫能產業、液氫運輸、管道輸氫的發展，氣氫拖車運輸將被部分取代。
（5）液氫罐車成本降低有賴于罐材的改進。目前國外多采用液氫罐車運輸，國內液氫拖車僅用于航天領域，而液氫在鐵路和海上運輸當前國外也僅少量應用，國內暫未涉及。未來解決液氫液化、運輸過程中的損耗問題，液氫罐車在中遠距離的輸氫將有較大前景。
（6）雖然管道運輸前期投資非常高，但管道運輸的效率、成本都具優勢，隨著氫能產業規模的擴大，在未來長距離、大規模的氫氣運輸中，管道輸氫有望成為為最優運輸方式。
