當前氫能產業(yè)已經進入快速發(fā)展階段，全球氫氣產量超過14.4億標準立方/天，中國氫氣產能也超過15.75百萬標準立方/天。
但由于氫氣體積能量密度極低且液化困難，其運輸成本遠遠超過石油及天然氣等傳統(tǒng)燃料，達到交貨成本的6%左右。
而且隨著規(guī)模經濟與技術進步導致的制氫成本下降，運輸成本的比重還會不斷增加。因此對現(xiàn)有氫氣輸送方案的技術經濟特征進行分析，構建經濟高效的氫氣儲運及配送基礎設施，是氫能產業(yè)發(fā)展必須解決的重大問題。
一、現(xiàn)有氫氣運輸技術及其特性
目前國內外的氫氣運輸技術可以分為高壓氣態(tài)、液態(tài)、有機載體（LOHC）及固態(tài)儲氫運輸?shù)人念悺Ｆ渲懈邏簹鈶B(tài)運輸由于技術實現(xiàn)簡單及成本低等特征，應用最為廣泛，而液態(tài)運輸次之。
有機載體（LOHC）與固態(tài)運輸原理相似，均利用氫氣與有機液體或固態(tài)金屬反應生成氫鍵復合物或金屬氫化物，在目的地進行脫氫處理，從而實現(xiàn)高效運輸。后兩種技術優(yōu)勢明顯，前景可期，但目前成熟度不高。
表1 氫氣運輸方案概況
（一）高壓氣態(tài)運輸
高壓氣態(tài)運輸，是指采用壓縮機將氫氣在常溫下壓縮至較高要求和密度，采用密封容器或管道運輸至目的地再進行調壓的技術方案。具體輸送工具有集裝格、集裝管束及管道運輸?shù)热N。
1.集裝格
集裝格是采用鋼結構框架將10-16只容積40L的單瓶集裝在一起采用常規(guī)車輛進行運輸，鋼瓶壓強可以達到15-20Mpa。由于鋼瓶自重較大，運輸氫氣的重量僅占鋼瓶重量的0.067%，運輸效率低下，成本高。但集裝格操作簡單，運輸方式靈活，適合于短距離、少量需求的供應。
2.集裝管束
集裝管束運輸車(tube trailer)也稱為管狀集裝箱，是將多只（通常6-10只左右）大容積無縫高壓鋼瓶通過瓶身兩端的支撐板固定在框架中構成，采用大型拖車運輸。集裝管束前端配備安全倉，其中設置爆破片安全泄放裝置，后端為操作倉中配置測溫、測壓儀表及控制閥門和存放氣管路系統(tǒng)。國內主要生產商中集安瑞科生產的集裝管束承受壓力20Mpa，每次可裝載氫氣約4000Nm3，重約460kg。
3.管道運輸
管道運輸通過在地下埋設無縫鋼管系統(tǒng)進行氫氣輸送，管道內氫氣壓力一般4Mpa，輸送速度可達到20m/秒。管道運輸具有速度快、效率高的優(yōu)點，但初始投資較高。目前，氫氣管道在美國及歐洲采用較多，我國國內則相當少見。我國已知有一定規(guī)模的管道項目有兩個：濟源-洛陽（25km）及巴陵-長嶺（43km）兩個。根據國際組織2016年的統(tǒng)計數(shù)據，世界范圍內的氫氣運輸管道分布如圖1所示：
圖1 全球氫氣輸送管道分布（單位km）
數(shù)據來源：Pacific Northwest National Laboratory
（二）液態(tài)氫氣運輸
1.槽罐車液氫運輸
液氫運輸是將氫氣于零下253攝氏度的低溫下轉化為液體形態(tài)，采用槽罐車進行運輸。相對于高壓氣態(tài)運輸，液態(tài)氫具有更高的體積能量密度，因而運輸效率大幅度提升。如國外常見的液氫槽罐車（tanker）水容積可達到65m3，單次可裝載液氫約4300kg，運送能力是集裝管束拖車的10倍。但氫氣液化能耗較高，相當于被液化氫氣熱值的約33%，同時在運輸過程中具有極高的保溫要求以防止液氫沸騰，因而成本高昂。
2.有機載體儲氫運輸（LOHC）
有機載體儲氫運輸是一種新型的實現(xiàn)氫氣液態(tài)運輸?shù)募夹g方案。該技術利用某些烯烴或芳香烴等有機液體（LOHC）與氫氣在催化劑作用下產生加氫反應，生成氫鍵復合物，從而實現(xiàn)氫氣在常溫常壓下的安全高效運輸。
在運輸目的地，對復合物進行脫氫處理，以獲取氫氣。該技術方案的優(yōu)勢相當明顯，但目前仍處于試驗階段，技術成熟度低。一方面，LOHC及催化劑的成本尚不明確，另一方面，加氫及脫氫處理使得氫氣的高純度難以保證。
（三）儲氫合金固態(tài)氫運輸
該技術利用稀土系、鈦系、鋯系和鎂系等金屬或合金的吸氫特性，與氫氣反應產生穩(wěn)定氫化物，在常溫常壓下運輸至目的地之后再通過加熱釋放氫氣。利用該技術同樣可以大幅度提升氫氣運輸?shù)捏w積能量密度。理論上，與高壓鋼瓶同等重量的儲氫合金所能吸納的氫氣量是高壓鋼瓶的上千倍。但儲氫合金本身價格昂貴，目前僅用于電池領域，用于大規(guī)模氫氣運輸并不現(xiàn)實。
二、主要氫氣運輸技術成本分析
從上述分析可知，目前從技術上適用于大規(guī)模氫氣運輸?shù)某墒旒夹g方案主要為集裝管束運輸、管道運輸、液氫槽罐車運輸及LOHC運輸。以下分別對不同技術方案的運輸成本加以分析。
（一）集裝管束運輸成本
集裝管束拖車運輸成本主要包括：拖車折舊費、維護保養(yǎng)費、氫氣壓縮耗電、人員工資及運輸油耗等。成本測算假設：目前國內集裝管束拖車的價格約100萬/臺，使用年限10年。每輛拖車配備司機兩名，每人每年工資及福利費共15萬。拖車滿載氫氣可達460kg，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，兩端裝卸時間約5小時，年有效工作時間為4500小時。氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。具體如表2所示。
表2 集裝管束運輸成本構成
注：柴油價格按6元/升，電費0.6元/度
在年運輸總量較大的情況下，可以調整集裝管束車的數(shù)量以應對運輸量的變動，以保證車輛的滿載運行，從而單車的年運輸量取決于輸送距離。由上可知集裝管束年固定成本為4,10000元，可變成本則取決于運輸距離。假設運輸距離為Xkm,則車輛往返運輸一次耗時為(2X/50+5)小時，每年可以往返運輸次數(shù)為4500/(2X/50+5)，運輸里程為4500/(2X/50+5)*X*2km，共運送氫氣4500/(2X/50+5)*460kg，計算可得單位氫氣的運輸成本如圖2所示。
圖2 單位氫氣運輸成本（元/噸公里）
（二）液氫槽罐車
液氫槽罐車的運輸成本結構與集裝管束車類似，只是增加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45萬/輛，每次裝載液氫約4300kg，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11kwh/kg。槽罐車充卸一次約耗時6.5小時。
表2 槽罐車液氫運輸成本構成
注：柴油價格按6元/升，電費0.6元/度，損耗氫氣成本11.1元/kg
由上可知槽罐車年固定成本為355000元，可變成本同樣取決于運輸距離。假設運輸距離為Xkm,則車輛往返運輸一次耗時為(2X/50+6.5)小時，每年可以往返運輸次數(shù)為4500/(2X/50+6.5)，運輸里程為4500/(2X/50+6.5)*2X km，共運送氫氣4500/(2X/50+6.5)*4300kg，計算可得單位氫氣的運輸成本如下圖3所示：
圖3 槽罐車液氫運輸單位運輸成本（元/噸公里）
（三）管道氫氣運輸
管道氫氣運輸?shù)某杀局饕ü艿澜ㄔO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。根據國內最近建成運營的氫氣輸送管道“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。據統(tǒng)計氫氣管道在滿載輸送過程中損耗為1252kg/km年。成本費用結構如下表3所示：
表3 氫氣管道運輸成本結構
管道輸送的年運輸能力取決于設計能力，而與運輸距離基本無關。按照φ502mm的管道計算，年輸送能力為10.04萬噸。假設輸送距離為Xkm，則滿負荷運行下年總輸送成本為：TC=（308000+24640）X+10.04*10000000*0.42+13897*X 元。單位運輸成本測算如下：
圖4 管道氫氣運輸單位成本（元/噸公里）
可以發(fā)現(xiàn)，管道運輸?shù)膰嵐锍杀臼苓\能利用率的顯著影響，隨著運能利用率的下降單位運輸成本大幅度提升，在利用率提升到40%以上之后運輸成本的變化幅度減緩。
三、各方案技術經濟對比
1.運輸成本
從以分析可以發(fā)現(xiàn)，在滿負荷運營狀態(tài)下，管道運輸?shù)某杀久黠@優(yōu)于集裝管束與液氫槽罐車運輸。在300km運輸距離之內，集裝管束的運輸成本優(yōu)于槽罐車，而運距超過300km之后，槽罐車運輸成本開始低于集裝管束。
圖5 三種方案運輸成本對比
圖片來源：玖牛研究院根據公開資料整理
2.對市場需求風險的適應性
由于集裝管束與槽罐車的單車運輸量不大，在市場需求波動時可以通過調整運輸車數(shù)量保持車輛處于滿載運輸狀態(tài)，年總運輸量變化對單位運輸成本的影響很小。
因此這兩種運輸方式的對市場需求波動具有較強適應性。而氫氣輸送管道盡管滿負荷運營狀態(tài)下單位運輸成本極低，但其成本優(yōu)勢是由其巨大的運輸能力保證的，單位運輸成本受運輸量影響明顯，一旦市場需求下降到原設計運能的20%（20080噸）以下，管道運輸?shù)某杀緦⒏哂诹硗鈨煞N方案。
3.對生產要素市場風險適應性
集裝管束運輸成本中占比最高的是勞動力成本，因此其成本對勞動力市場價格具有一定敏感性。液氫槽罐車運輸?shù)闹饕杀驹谟跉錃庖夯娏M用，其對電力價格敏感性較強。而管道運輸?shù)闹饕杀驹谟诮ㄔO投資，其建成之后運營成本對生產要素市場價格變化不具有敏感性。
表4 各方案技術特征對比
四、結論
在可以預見的未來，全國氫氣儲運基礎設施構建中，從大規(guī)模制氫企業(yè)向城市門戶的氫氣輸送主干道應當以氫氣管道為主。其低廉的運輸成本將有利于大規(guī)模制氫企業(yè)布局于生產成本低的區(qū)域。
而在城市內部或區(qū)域之間的中短距離配送以集裝管束運輸為主，而液氫槽罐車則能在300km以上的遠距離不穩(wěn)定需求中發(fā)揮優(yōu)勢，或作為管道運輸?shù)难a充。
有機載體LOHC技術相比集裝管束與液氫槽罐車均有明顯優(yōu)勢，如果能夠成功走向成熟則有望取代兩者成為新的中短距離運輸有效方案。
