氢储运技术研究发展与成本分析

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文章来源：全球氢能

氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的重要纽带。现阶段，氢能已被众多发达国家提到国家能源战略层面。

美国作为氢能发展先行者和发展氢燃料电池的主要国家，预计其2030—2040年将全面实现氢能源经济；日本国内能源短缺，早已将可再生能源与氢能作为能源发展的主要方向，2025年被定为“氢能走出去元年”；德国于2016年重新修订了氢能源交通战略规划，预计到2023年将建成加氢站400座。

图 中集旗下企业生产的高压氢气管束运输车。图源能动

随着“碳达峰、碳中和”和“3060”目标的提出，我国加快了氢能产业的布局，国家大型能源集团等众多企业投身其中，目前已形成京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等7个氢能产业集群。虽然我国制氢能力较强，但氢能技术的发展还处于起步阶段，制氢、储运、用氢环节较多，多项技术还未得到成熟的工程应用，除了煤气化制氢等有特殊优势外，电解水制氢、天然气重整制氢等技术与国外仍有差距；在质子交换膜组、传感器等核心产品上尚有技术难点要攻关；氢燃料电池总体上也尚处于工程化开发阶段。氢气储运环节受制于氢储运效率较低的问题，一直是制约我国氢能产业发展的瓶颈所在。

一

氢气储运

”

氢气储运过程中，根据不同的应用场景选择适宜的储氢方式十分重要，常见的三种储氢技术如图所示。

图 三种常见储氢技术

高压气态储氢具有成本较低、能耗低、易脱氢和工作条件较宽等特点，是发展最成熟、最常用的储氢技术；低温液态储氢是将氢气液化后储存在低温绝热容器中进行运输；固态储氢方式是通过化学或物理吸附的原理将氢气吸附后储存，储氢载体一般是纳米材料和金属氢化物。三种典型储氢技术的具体情况对比如图所示。

图 三种典型储氢技术对比

目前，高压气态储氢技术成熟，应用广泛，车用储氢容器承压已从 35 MPa提升到 70 MPa。其车载用储氢罐装备方面，35 MPa高压储氢罐目前已经是成熟产品，国内生产的氢燃料电池汽车配备的储氢罐主要以 35 MPa Ⅲ型瓶为主；而IV型高压储氢罐，国外已经实现在车用领域 70 MPa的应用，但国内的研究还处于起步阶段，相关使用标准尚未制订。因此，我国车载储氢领域，未来主要的研发方向在高质量的碳纤维材料和更轻、承压能力能强的高压储罐上，研制出安全可靠、低成本和大容量的车载储氢容器。

图 IV型氢气瓶结构示意

低温液态储氢技术需要使用专用特种槽车，目前美国、日本等已经实现了大规模的商业应用，国内已有少数公司引进掌握，但仅限于军事、航天等特殊领域。低温液态储氢的单车装载量在 3 种储氢方式里是最高的，但氢气在液化储存时的能耗高（初步测算为 11 (千瓦⋅时)/千克），同时对储存容器、保温绝热等设备要求高，国内仅有少数几家单位在研究，目前民用还未形成，未来应在材料方面进一步突破，以研制出质量更轻、承压能力更好的容器。

此外，国内的液态储氢技术尚不成熟，缺乏液氢相关的技术标准和政策规范。这在一定程度上阻碍了低温液态储氢技术的发展和应用。目前，液氢工厂的建设成本非常昂贵，关键设备与核心零部件依靠国外进口，而短距离小规模的运氢量又使得液氢的储运成本过高。基于国内氢能的发展现状，未来如果燃料电池车被大规模普及，氢能被大量使用，液态储氢将会很有竞争力，特别对产氢量大的单位和用氢量大的单位更具优势。

固态储氢技术装载运输量相对灵活。以镁基合金固态储氢为例，目前单车最大运输量为 1200 千克/车。国内金属固态储氢技术目前还未实现成熟的商业应用，但首个示范项目已落户山东济宁。金属氢化物储氢技术相对比较前沿，储运成本适中，对于中长距离的运输，其优势更为明显。

图 金属氢化物固态储氢容器

综合来看，固态储氢方式具有良好的潜力，具备常温常压储氢以及储氢和放氢过程可控等优势，但限于目前技术水平，仍需加大科研及示范项目的力度，以期寻找性能更优、造价更低的储氢媒介来降低储氢成本，并通过寻找更合适的热源来降低放氢成本。未来应进一步开发性能更优、造价更低的储氢媒介，以国产设备和零部件代替进口；同时，随着我国氢能源汽车产量的提升，对加氢站和氢气的需求将显著增加，使得氢气的应用市场规模扩大，如能平衡好储氢放热和放氢吸热，进一步降低放氢成本，金属固态储氢技术在氢能领域将会有更加广阔的应用前景。

二

 储氢成本分析

”

氢气的运输成本是选择氢气运输方式的重要指标。由于氢气储运方式的多元化以及应用场景的不同，难以对每种成本进行直接比较，需要设定统一的工况和边界条件，在同条件下进行经济性比较。

成本分析算法从实际加氢站数量和加氢站规模出发，计算所需长管拖车、液氢槽车或固体罐车的数量，从而确定设备投资；然后根据人工、能耗以及折旧成本，计算出氢气的储运成本。长管拖车、液氢槽车和固体罐车这3种方式的运输成本模型的数学原理相差不大，都是利用每天需要运输的次数和长管拖车、液氢槽车或固体罐车每天可运输次数计算出储运车的数量，然后再确定投资与折旧。整个算法的关键在于分析出标量建立模型计算出储氢车及容器的数量。

1、模型建立

氢气的单位储运成本主要包括设备折旧费、人工费、运输油费、制氢单位的单位氢气压缩费用以及卸氢单位的单位氢气压缩费用，其中设备折旧费、人工费以及油费与储氢容器和车辆相关，因此单位氢气储运成本测算的关键在于，根据氢气规模和运输距离计算出运输设备车辆的数量，令氢气储运成本为C_h（单位：元），则可按模型公式h(1)计算：

 式中各参数如下所示：

• k₁、k₂和k₃分别为单位氢气的设备投资折旧系数、人工费用系数和运输油费系数，元/千克；

• N_dd为长管拖车每天需要运输的次数；

• s为加氢站规模，千克/天；n_s为加氢站数量；

• t₁为制氢站内管束灌充氢气的时间，t₂为氢源点装、卸管束时间，t₃为运输一次路上来回时间，t₄为用氢点卸氢时间，t_ot为整车实际可运营时间，时间单位均为天；

• m_td参考中集安瑞科控股有限公司的氢气车型号12管II型玻纤缠绕车，氢气最大允许充装量为456千克，考虑到拖车在加氢站放氢后剩余压力5MPa，按照管束温度30°C进行测算，长管拖车运输一趟可输送的有效氢气量m_td=324千克，约为标况下3600m³；

• C_p1为制氢单位的单位氢气压缩成本（计算得值为0.85元/千克），C_p2为卸氢单位的单位氢气压缩成本（计算得值为0.43元/千克）。

2、储运成本测算

对于上述三种典型储氢技术的储运成本，可使用模型公式(1)进行计算。由于金属固态储氢技术尚处于实验室研发阶段，而低温液态储氢用于航天军事领域也并无实际运行项目下的基础数据，这里的成本数据基于对相关厂家的走访调研及相关资料基础上，结合设定的边界条件，最终通过公式(1)测算得出。边界条件设定为：

• 用氢单位（加氢站）规模为500千克/天；

• 储运车以20年进行折旧，折旧方式均为直线法；

• 电价0.6元/(千瓦⋅时)；

• 柴油5.5元/升；

• 工作人员年薪10万元。

在上述边界条件下，根据不同的运输距离，如100~1000km（间隔100km），需要配置的槽车和车头的数量不尽相同，三种储氢技术的储运成本分别如图所示。

图 不同氢储运技术运氢量为500千克/天的储运成本

通过对图分析得出，氢气的储运成本与加氢站的远近即运输距离有关，短距离运输时高压气态储运方式较为经济，距离阈值为500km，当运输距离小于500km时，高压气态储运方式是首选，其次是低温液态储氢，而金属镁固态储氢成本最高；当运输距离大于500km时，低温液态储运成本最低，并且随着距离增加，低温液态储氢技术和金属固态储氢技术的优势更加明显，且低温液态储氢优势尤为突出，而高压气态储氢成本则大幅上升。低温液态储氢技术和金属镁固态储氢技术的运输距离阈值为200km，当运输距离小于200km时，低温液态储运方式单位质量氢气储运成本低于金属镁固态储运方式，但两者相差不大。

三

氢储运技术未来展望

”

随着氢能产业的发展，储氢技术受到广泛关注。我国高压气态储氢虽然较为成熟，但储氢罐在承压和储氢密度方面低于国外水平，未来努力的方向是开发出更加安全可靠、低成本、大容量的车载储氢容器；低温液态储氢在国外应用较为广泛，国内仅用于航天及军事领域，优势明显，但储存液化能耗高，目前民用还未形成，未来主要是关键设备与核心零部件的国产化，以推动该技术在商用上的发展；固态储氢具备常温常压储氢、储氢和放氢过程可控等优势，有较大潜力，未来仍需加大科研及示范项目的力度，寻找性能更优、造价更低的储氢媒介来降低储氢和放氢成本。

目前由于各种储氢技术在技术成熟度、安全可靠性、成本造价以及能耗水平等方面存在一定问题，如何提高储运效率、降低储运成本，是未来储氢技术的研发重点。预计2025年以前，我国以高压气氢运输为主，低温液氢运输试点；由于液氢的生产和应用成本具有较强的规模经济性，预计至2035年，将以低温液氢运输为主，高压气氢运输作为补充；至2050年，低温液氢运输和管道气氢运输的使用场景将更为广阔。同时，随着高密度储氢材料及其可逆吸/放氢技术的成熟，固态储氢技术以其在安全性和经济性方面的优势或将成为一种更具前景的技术路线选择。

参考资料

[1]香橙会-《香橙会氢能沙龙文字实录：线上激辩氢气储运难在哪里》

[2]丁镠,唐涛,王耀萱,康宁,许鑫.氢储运技术研究进展与发展趋势[J/OL].天然气化工—C1化学与化工:1-6[2022-04-19].

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  编辑：戴欣馨联系邮箱：[e-mail]

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