近日莽简,研究機構EVTank聯(lián)合伊維經濟研究院發(fā)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(yè)發(fā)展研究報告(2019)》娄勒。在研究報告中像屋,伊維經濟研究院從主要儲氫技術的對比研究涮巩、不同儲氫技術的成本分析麻献、氫氣運輸?shù)牟煌绞街业郏煌瑲錃膺\輸方式成本對比分析等方面進行了詳細的研究纽材,并重點梳理了在國內進行氫氣存儲和運輸?shù)钠髽I(yè)基本情況。
關于儲氫技術龙喂,伊維經濟研究院在《中國氫氣存儲與運輸產業(yè)發(fā)展研究報告(2019)》中進行了總結和分析蝇硅。伊維經濟研究院將氫氣的儲存技術分為高壓氣態(tài)儲氫、低壓液化氫儲存及儲氫材料儲存等三大類谓蹂。就目前而言,伊維經濟研究院認為高壓氣態(tài)儲氫以其技術難度低峰礁、成本低漠恰、匹配當前氫能產業(yè)現(xiàn)狀等特征優(yōu)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(yè)化極少鞠洪,基本處在小規(guī)模實驗階段蹲自。
高壓氣態(tài)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乏唤。目前颗介,高壓氣態(tài)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)苇经、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)四代產品赘理,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)儲氫扇单。
伊維經濟研究院在報告中分析認為I型商模、II型儲氫瓶由于質量儲氫密度較低、氫脆問題嚴重蜘澜,難以滿足車載儲氫系統(tǒng)的質量儲氫密度要求;而III型施流、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鄙信,氣瓶質量較輕瞪醋,單位質量儲氫密度有所提高。因此装诡,車載儲氫瓶大多使用III型银受、IV型。國外目前已經實現(xiàn)IV型儲氫瓶在車用領域70MPa的應用鸦采,國內IV型儲氫瓶受到禁用蚓土,主要以35MPa III型瓶為主,70MPa型號技術較國外落后。
在研究報告中澄俘,伊維經濟研究院認為高壓氣態(tài)儲氫技術成本低棱硝,能耗低,是目前發(fā)展最成熟的儲氫技術酸儿,國內外均有廣泛的運用着届。但其致命的缺點在于體積比容量太低,儲氫量少昵鳍,即使是供太空用的鈦瓶抢必,其儲氫重量也僅為瓶重的5%左右,國內更低难宋,同時安全性能相對較差;儲氫密度受壓力影響較大耗鲸,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乙闰。因此懒潘,高壓氣態(tài)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互墓。當前各國都在積極推動更先進的儲氫材質必尼、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篡撵。
低溫液態(tài)儲氫是將氫氣通過低溫液化后以液態(tài)的形式儲存判莉,由于液態(tài)氫具有很高的密度,常溫育谬、常壓下液氫的密度為氣態(tài)氫的800倍以上券盅,能夠使得儲運簡單,體積比容量大膛檀。但問題在于渗饮,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宿刮,把氣態(tài)的氫變成液態(tài)的氫難度仍然較大互站。并且,液態(tài)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僵缺,避免沸騰汽化胡桃,導致容器制造難度大、成本高昂磕潮。
國外70%左右使用液氫運輸昵裁,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暖经,民用還未涉及祈痢。國內一方面技術沒有成熟叽燃,技術、設備成本高昂姚菱,無論是運輸還是車用都選擇高壓氣態(tài)路線;另一方面校惧,國內暫時缺乏液氫相關的技術標準和政策規(guī)范,國內布局液氫的企業(yè)較少皂汞。伊維經濟研究院研究認為低溫液態(tài)儲氫是未來重要發(fā)展方向竣篷,同時可配合大規(guī)模風電、水電熄晕、光電電解水制氫及儲運傲丹。在民用領域,國內企業(yè)正努力實現(xiàn)氫的液化尔网、儲運及加注設備的國產化和產業(yè)化酬俯。
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)通過吸附儲氫顷歌、化學儲氫來實現(xiàn)氫的儲存和釋放锰蓬,目前國內外產業(yè)化均很少,基本處于小規(guī)模的實驗階段衙吩。
吸附儲氫技術主要利用含括金屬合金互妓、碳質材料溪窒、水合物坤塞、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(yōu)勢是安全性澈蚌,但就目前技術而言摹芙,存在化學儲氫放氫難、儲氫密度不高等問題宛瞄,同時其成本相對較高浮禾。以金屬吸附儲氫為例,這種方式是使用金屬間化合物份汗,在一定溫度和壓力下放置于氫氣氛中盈电,就可以吸附大量氫氣,生成金屬氫化物伤刑,在加熱條件下探快,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入撇,其最大的優(yōu)點是安全榨狐、運輸方便,但普遍存在價格高晤裆、壽命短或者儲存咱漱、釋放條件苛刻等問題屈腻。
化學儲氫技術是利用儲氫材料與氫氣反應生成穩(wěn)定化合物,通過改變反應條件實現(xiàn)放氫的技術温履,常用材料有機液體姑王、液氨、配位氫化物垮登、甲醇等帽拘。伊維經濟研究院認為化學儲氫的優(yōu)勢在于儲氫密度較高、安全性較高疙岂,缺陷在于往往需要配備相應的加氫坡疼、脫氫裝置,成本較高昂;脫氫反應效率較低衣陶,氫氣純度不高等柄瑰。在化學儲氫中,以有機物液體儲氫為例剪况,對不飽和的液體有機物在催化劑作用下進行加氫教沾,生成穩(wěn)定化合物達到儲氫目的,當需要氫氣時再進行脫氫译断。有機液體儲氫技術具有較高儲氫密度(50g/L以上)授翻,且成本相對較低。同時孙咪,常用材料(如環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷等)在常溫常壓下堪唐,即可實現(xiàn)儲氫,安全性較高翎蹈。另一方面淮菠,有機物液體儲氫技術(儲油)可以依托傳統(tǒng)的石油基礎設施進行運輸、加注荤堪,方便搭建加氫網絡合陵,相比于其它技術而言,具有獨一無二的安全性和運輸办适、推廣便利優(yōu)勢玉唉。但該技術缺陷在于,熔點点溶、沸點均較高婚拭,需要專門的加氫、脫氫裝置佣锁,操作性差等較多的技術難題郊蹈,未來隨著技術的進步,應用前景廣闊擎津。
三類儲氫方式的比較分析
在《中國氫氣存儲與運輸產業(yè)發(fā)展研究報告(2019)》中房肿,伊維經濟研究院從各國發(fā)展情況分析認為啊嘁,國內儲氫技術發(fā)展相對落后,高壓氣態(tài)儲氫技術落后較大暗环,儲氫量低得多干际,國外70MPa已應用到車上,而儲氫罐關鍵材料依賴進口副瀑,低溫液氫技術弓熏、儲氫材料技術與國外先進水平存在較大差距,產業(yè)化相距甚遠糠睡。
從技術成熟方面來看挽鞠,伊維經濟研究院認為高壓氣態(tài)儲氫最成熟、成本最低狈孔,是現(xiàn)階段主要應用的儲氫技術信认,在基本能與傳統(tǒng)加油方式相媲美,但更高的車載儲氫要求如儲氫量均抽、安全性嫁赏,高壓氣態(tài)儲氫或有不及。從質量儲氫密度上看油挥,液態(tài)儲氫潦蝇、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深寥。從成本方面來看攘乒,液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機液體儲氫成本均較高塞补,不適合目前小批量的應用青烙。
從儲氫成本角度來看径瘪,伊維經濟研究院認為高壓氣態(tài)儲氫具備一定成本優(yōu)勢喻丐,主要體現(xiàn)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(fā)損耗,能耗最大;而儲氫材料儲氫由于技術的復雜性等問題患敢,目前尚停留在試驗階段腔水,但由成本對比可知,未來儲氫材料技術大有可為邦孽。
氫氣的運輸方式分析
針對氫氣的儲存方式已堆,伊維經濟研究院研究發(fā)現(xiàn)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揣喻。國內加氫站的外進氫氣均采用氣氫拖車進行運輸你拗,比較適用于運輸距離較近、輸送量較低汰畔、氫氣日用量為噸級的用戶括绣。長管拖車把氫氣上到加氫站酌省,進入壓縮機內被壓縮,并先后被輸送至高壓监氢、中壓布蔗、低壓儲氣罐中分級儲存,需要對汽車加氫時浪腐,加氫機可以從長管拖車纵揍、低壓儲氫罐、中壓议街、高壓按順序取氣加注泽谨。
管道運輸應用于大規(guī)模、長距離的氫氣運輸特漩,可有效降低運輸成本隔盛。管道輸送方式以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主。管道“摻氫”和“氫油同運”技術是實現(xiàn)長距離拾稳、大規(guī)模輸氫的重要環(huán)節(jié)吮炕。全球管道輸氫起步已有80余年,美國访得、歐洲已分別建成2400km龙亲、1500km 的輸氫管道。我國已有多條輸氫管道在運行左启,如中國石化洛陽煉化濟源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km吻讽,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 技腻,主要用于輸送焦爐煤氣和氫氣混合氣值资。
液態(tài)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倍以上仓筷,運輸效率提高雏仆,綜合成本降低。但是該運輸方式增加了氫氣液化深冷過程聂弓,對設備狠浮、工藝、能源的要求更高拔若。液氫槽罐車運輸在國外應用較為廣泛门冷,國內目前僅用于航天及軍事領域。
三種運輸方式成本分析
在《中國氫氣存儲與運輸產業(yè)發(fā)展研究報告(2019)》中驳楞,伊維經濟研究院從成本構成維度對三種運輸方式進行了對比研究叮凸。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献烦、油料費等)滓窍。為了測算成本趣些,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年贰您。每輛拖車配備司機以及多名操作人員坏平,人員費用共32萬。拖車滿載氫氣可達300kg锦亦,每百公里消耗柴油約25升舶替。拖車平均運行速度假設為50km/小時,兩端裝卸氫氣時間約8小時杠园,年有效工作時間為4500小時顾瞪。氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。
由上表可知單車氣氫運輸變動成本取決于運輸距離抛蚁,可得到不同運輸距離(百公里)內的運輸成本曲線:
液氫槽罐車的運輸成本結構與集裝管束車類似陈醒,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/輛瞧甩,每次裝載液氫約4000kg钉跷,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%湖弱。液化過程耗電10kwh/kg册榔。槽罐車充卸一次約耗時0.5小時。
計算可得單位氫氣的運輸成本
管道氫氣運輸?shù)某杀局饕ㄇ捌诠艿澜ㄔO費用祖修、折舊與攤銷瘤薪、直接運行維護費用(材料費、維修費炊健、輸氣損耗揽仔、職工薪酬等)、管理費及氫氣壓縮成本等凰茫。伊維經濟研究院根據(jù)國內“濟源-洛陽”項目測算琅戏,采用φ508mm管道,年輸送能力10.04萬噸迫赞,建設成本為616萬/km啼阵,管道使用壽命20年册血。運行期間維護成本及管理費用按建設成本的8%計算扑轮。
管道運輸單位運輸成本測算如下:
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(yōu)勢吠昭,但管道運輸前期投資建設成本較高喊括,在氫能及燃料電池汽車產業(yè)成熟之前有較大風險,其運輸成本受運能利用率影響矢棚,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(yōu)勢郑什,中遠距離運輸府喳,液氫占優(yōu),且在400公里后液氫的成本優(yōu)勢大于管道運輸蘑拯。
另一方面钝满,由于目前氫能及燃料電池汽車市場規(guī)模較小,氫需求量較小申窘,考慮到國內氫氣源地和使用地的距離弯蚜,氣氫拖車和液氫罐車可靈活應用,包括調整拖車數(shù)量來適應市場的需求剃法,具有一定更便利性碎捺。而從市場的長遠期來看,未來隨著市場規(guī)模的擴大贷洲、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掖猬,管道運輸將具備較大優(yōu)勢。
氫氣儲運行業(yè)參與企業(yè)分析
雖然高壓氣態(tài)儲氫技術比較成熟诀次、應用普遍赃律,但是體積比容量小,是該技術一個致命的弱點凳慈。伊維經濟研究院認為未來麻坯,高壓氣態(tài)儲氫還需向輕量化、高壓化檬舀、低成本毙帚、質量穩(wěn)定的方向發(fā)展。國內目前生產高壓儲氫罐的天海工業(yè)腹痹、中材科技熔布、沈陽斯林達等。
低溫液態(tài)儲氫在國外的加氫站體系中有較大范圍的應用下伙,但是在車載系統(tǒng)中的應用不成熟默徘。我國的液氫工廠僅為航天火箭發(fā)射服務,代表企業(yè)為中國航天科技集團101所吗浩。受法規(guī)所限建芙,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(yè)化能力的企業(yè)有富瑞氫能懂扼、中科富海等禁荸。
目前在儲氫材料領域產業(yè)化較低,國內儲氫材料代表企業(yè)有稀土儲氫材料的北京浩運金能阀湿、廈門鎢業(yè)赶熟、內蒙古稀奧貯氫等。其中,有機液體儲氫技術的在中國的發(fā)展已有所成就映砖,代表企業(yè)如武漢氫陽能源间坐,選用的有機液態(tài)儲氫材料為氮乙基咔唑,建立了全球第一個常溫常壓液態(tài)有機儲氫材料工廠邑退。
在《中國氫氣存儲與運輸產業(yè)發(fā)展研究報告(2019)》最后竹宋,伊維經濟研究院預測了氫氣儲運行業(yè)未來趨勢,總結如下:
(1)低溫液化儲氫技術受制于成本和能耗問題地技,無法規(guī)氖徘耍化利用,預計在氫能產業(yè)規(guī)模擴大快混、配套設備和技術提升之后未來可期愚矗。
(2)儲氫材料技術的儲氫量較大,其未來的發(fā)展研究應集中在提高材料的熱交換性能穿互,提升吸放氫的效率椭药,降低加氫脫氫裝置的成本,實現(xiàn)儲氫材料技術的規(guī)南炕眨化應用蓬甩。
(3)有機液態(tài)儲氫擁有較大的推廣優(yōu)勢,可依托現(xiàn)有傳統(tǒng)汽油輸送方式和加油站構架建設氫油站绣首,未來技術的研究重點突破相關制備珠慧、配套設備技術,提高脫氫效率施旱。
(4)氣氫拖車運輸比較適合當前氫能產業(yè)的發(fā)展規(guī)模唬辛。一方面,氣氫拖車具有成本低乌迎、充放氫快速的優(yōu)點泉扛,另一方面國內加氫站均為站外供氫。但隨著氫能產業(yè)区转、液氫運輸苔巨、管道輸氫的發(fā)展,氣氫拖車運輸將被部分取代废离。
(5)液氫罐車成本降低有賴于罐材的改進侄泽。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蜻韭,而液氫在鐵路和海上運輸當前國外也僅少量應用悼尾,國內暫未涉及。未來解決液氫液化湘捎、運輸過程中的損耗問題诀豁,液氫罐車在中遠距離的輸氫將有較大前景窄刘。
(6)雖然管道運輸前期投資非常高窥妇,但管道運輸?shù)男氏鲜ぁ⒊杀径季邇?yōu)勢,隨著氫能產業(yè)規(guī)模的擴大活翩,在未來長距離烹骨、大規(guī)模的氫氣運輸中,管道輸氫有望成為為最優(yōu)運輸方式矩袖。