一、文章背景
这段时间对加氢站的氢气来源进行调研，并测算了灰氢、蓝氢和绿氢的制取→加氢口价格。
分析中对不同制氢工艺流程以及每个环节费用进行了分析和对比。虽然都是很常规的话题了，但是还是想详细分析并且量化这些信息，成本计算在文末。
图1 绿氢成本核算
灰氢、蓝氢和绿氢，这三个“异父异母的氢兄弟”虽然来源不同，但是总体上来讲原材料或者电都在成本中占了大头，其次是运输成本。实际上，按照现如今的长管拖车方式运氢，对于灰氢和蓝氢而言，运输成本已经占了40%以上的成本；而绿氢，随着以后可再生能源的应用，部分电能无法并网，运输成本甚至会成为主要成本。以什么样最合适的方式把氢气“请”出来，显得愈发重要。因此，分享这篇文章。文章中部分数据和内容参考了一号新能源的《氢能展业深度调研与投资战略规划分析报告》。
二、运氢方式及设备
氢气运输方式主要包括气态运输、液氢运输、固态储氢运输及管道运输等。氢气运输方式选择与运输半径和输送量相关。高压气态运输，当距离较长、运输量较大时，适宜采用管道运输；运输量小且用户分散时，适宜采用车、船输送。液氢也适用于长距离输送，运输工具以车、船为主。固态运输通常是利用固体储氢材料将氢气储存后进行输送。
表1 不同运输方式对比
1、长管拖车运输
长管拖车又叫鱼雷车、管束车。气态输送可分为长管拖车和管道输送两种方式，其中长管拖车是氢气近距离输送的重要方式，技术成熟。国内常以 20MPa 长管拖车运输，单车运氢约 300 公斤。长管拖车储氢容器 自重大，氢气的重量只占总运输重量的 1~2%，鉴于该方法氢气储存密度小，因此只适用于运 输距离较近(运输半径 200 Km 以内)和输运氢量较少的场景。目前国内标准中长管拖车的最高 工作压力为 20 MPa，而国际上已经推出 50 MPa 的氢气长管拖车，相同容积的管束可容纳约 2 倍的氢气，大大降低了运输成本。
图2 氢气长管拖车
2、管道运输
管道输送具有输氢量大、能耗小和成本低等优势，适合大规模、长距离、点对点运氢，但管道建设的初始投资较大，氢脆的存在导致安全隐患。另外，除纯氢管道运输外，还可将氢以一定比例掺入天然气，组成掺氢天然气，再利用 现有天然气管网输送。掺氢天然气可被直接利用，或者将氢与天然气分离后分别单独使用。该方法被认为是实现氢以较低成本远距离输送的方法。例如，2020 年 1 月，英国首个氢气注 入天然气网络为住宅和企业供热的示范项目 HyDeploy 投入运营。其实，早在 2011 年，荷兰 Ameland 将风电氢掺入当地天然气管网，氢气掺入体积分数高达 12%，2013 年德国的 Falkenhagen 建设 2MW 电转氢示范电厂，制取的氢气被直接送入天然气管线。而法国环境与 能源控制署(ADEME)赞助的“GRHYD”项目则将可再生能源制得的氢气掺入天然气中供加氢站 和居民使用，掺氢体积分数高达 20%。
图3 氢气管道运输
我国也于 2019 年 9 月完成了国内首个电解制氢掺入天 然气项目，即朝阳可再生能源掺氢示范项目。我国目前仅在工业园区或者厂区内建有少量氢气管道运输，氢气管网有较大提升空间， 中石化巴陵石化“巴陵—长岭”氢气输送管线于 2014 年 4 月顺利投用，是中国目前管径最大、压力最高、输量最高的氢气管道。该氢气输送管线全长 42 公里，年输量 10.04 万吨。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的规模建设。
3、液氢运输
液氢运输是将液化的氢气装在专用的低温绝热容器内运输，可以满足较大输氢量的要求， 具有经济、快速运氢的特点，且液氢罐车运输的成本随着规模的增大而大幅降低，而成本随 运输距离变长而升高的幅度并不大。但是液化设备的前期投入成本较高，能耗高，低温氢气 液化所需的能耗约为总氢能的 30%。液氢也可用船运输，船用低温绝热罐存储容量可达 1000m3 的液氢，比陆上的铁路或高速公路运输经济且安全。例如，美国利用驳船把液氢通过海路从路易斯安那州运送到佛罗里达州的肯尼迪空间发射中心。日本川崎重工的全球首艘液氢运输 船已经成功下水，成功将澳大利亚生产的液氢运向日本，德国、加拿大也有类似应用。欧、美、日等国家的液氢技术发展相对较为成熟，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。
图4 液氢运输船
国内液氢仅用于航天及军事领域，近年 来中集圣达因、国富氢能、鸿达兴业等公司也已开发出部分国产液氢储罐、液氢槽车等液氢 储运产品，但是离上路输运和应用还有差距。
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函。
4、固体储氢材料运输
利用储氢材料技术将氢存储在材料中与氢气形成稳定氢化物，氢气压力可以控制在目前 常规使用的钢瓶压力范围内，氢气上路运输和使用都非常方便，将可以实现货车、火车、轮 船、飞机等将固体氢化物高效、安全地进行运输，是非常重要的发展方向。
图5 固态储氢装置
三、成本对比
1、长管拖车运输环节成本分析
为测算长管拖车运氢的成本，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。
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
当运输距离为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。
表2 长管拖车运氢成本测算
图6 运输成本与运输距离关系图
图7 成本结构拆分
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。
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%。
2、管道运输成本分析
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。
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（即金属与氢气反应而引起韧性下降），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，用于压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。
为测算管道运氢的成本，参考济源-洛阳氢气管道的基本参数，做出如下假设：
（1）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；
（2）年输氢能力为10.04万吨，运输过程中氢气损耗率8%；
（3）管线配气站的直接与间接维护费用以投资额的15%计算；
（4）氢气压缩过程耗电 1kwh/kg，电价 0.6 元/kwh；
（5）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。
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。
图8 管道运氢成分构成
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。
3、液氢槽车运输环节成分分析
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。
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。
为测算液氢槽车运输的成本，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）槽车装载量为约68m3，即4000kg，每日工作时间15h；
（3）槽车平均时速 50km/h，百公里耗油量25升，柴油价格7 元/升；
（4）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；
（5）槽车充卸液氢时长6.5h；氢气压缩过程耗电11kwh/kg，电价0.6元/kwh；
（6）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；
（7）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。
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。
四、总结
氢气能否以低成本的方式运输到加氢站，关系到氢能能否在交通领域的成功应用。从文章可以总结：
（1）长管拖车：50-500公里范围内，长管拖车的氢气运输价格约在5.43元-20.18元/kg；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。
（2）管道输氢：25-500公里范围内，管道的氢气运输价格约在0.86元-3.02元/kg；管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响。
（3）液态输氢：50-500公里范围内，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。
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。
液氢运输则可能更偏向于大规模，超长距离的船舶运输。
原文始发于微信公众号（氢能小鱼）：长管拖车、管道输氢、液氢运输成本测算与分析