氫氣液化及輸送經(jīng)濟性分析
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傳遞能源最新政策、改革觀點爭鳴，前沿領域研究進展、技術、項目及投融資數(shù)據(jù)信息。
文/馬思瑤 邱瑞玲 趙文忠 李進鋒，中國石化工程建設有限公司，當代石油石化
液氫具有儲存方便、儲氫密度大、單位質量熱值高等優(yōu)點，是氫能應用的重要途徑。氫氣液化儲存是一種深冷的氫氣存儲技術，大致可分為利用焦耳–湯姆遜效應的簡易林德法和在此基礎上附加絕熱膨脹的方法，后者又可分為利用氦氣絕熱膨脹產(chǎn)生低溫來液化氫氣的氦氣逆布雷頓法，以及讓氫氣本身絕熱膨脹的氫氣克勞德法。簡易林德法裝置簡單，運行可靠，但其能耗高、效率低、技術相對落后，不適合大規(guī)模應用；氦氣逆布雷頓法的氫氣液化系統(tǒng)復雜，能耗較高，在大型氫液化系統(tǒng)中尚未得到廣泛應用。
與簡易林德法相比，氫氣克勞德法的效率高出50%~70%，是目前大型氫氣液化裝置的基礎技術。在實際應用中，需要根據(jù)制造難度、設備投資以及系統(tǒng)規(guī)模進行液化循環(huán)技術的合理選擇。
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2.1裝置規(guī)模是影響液氫經(jīng)濟性的首要因素
氫氣液化裝置按照生產(chǎn)能力一般分為小型、中型和大型，小型裝置產(chǎn)能一般在2.0t/d以下，中型裝置產(chǎn)能為2.0~30.0t/d，大型裝置為30.0t/d以上。目前來看，簡易林德法投資低，技術簡單，多用于實驗室級別；氦氣逆布雷頓法效率優(yōu)于簡易林德法，一般用于5.0t/d以下的裝置；克勞德法效率高，一般用于大規(guī)模液氫裝置。為分析液氫裝置的規(guī)模效應，分別選取規(guī)模1.5t/d、5.0t/d、30.0t/d的液氫裝置，依據(jù)投資估算、公用工程消耗數(shù)據(jù)選擇適合的工藝技術，計算出3種液氫裝置的液化費用（見表1）。
從表1看出，
液氫規(guī)模在1.5t/d或5.0t/d時，采用的是氦氣逆布雷頓法，液化費用在53~58元/kg，成本較高，經(jīng)濟性較弱；當液氫規(guī)模擴大到30.0t/d時，工藝技術改用氫氣克勞德法，液化費用降至18.45元/kg，降低了65%以上。
由此可得，裝置規(guī)模是影響氫氣液化經(jīng)濟性的首要因素。
氫氣液化成本分成固定成本和可變成本，固定成本占比大致為50%~60%，可變成本占比為50%~40%。
固定成本中與投資相關的制造費用占比較大，主要通過技術和材料的進步來降低項目投資，從而降低制造成本?？勺兂杀局凶钪饕某杀緸殡娏ο?，降低電力消耗有2種方式：降低電量消耗和降低電力價格。
對不同規(guī)模液氫裝置成本構成分析發(fā)現(xiàn)，裝置規(guī)模越大，外購電費占比越小。30.0t/d液氫裝置的外購電費占總成本費用的31%，而5.0t/d規(guī)模液氫裝置的外購電費成本占比高達45%，遠超過折舊等費用（見表2）。由此可得，電價成為氫氣液化過程中的關鍵影響因素，也是液氫項目規(guī)模效益的重要影響因素之一。
進一步分析不同電價下的氫氣液化成本。以30.0t/d液氫裝置為例，當電價為0.10元/kWh時，液化費用為15.40元/kg；電價為0.30元/kWh，液化費用上漲3.05元/kg，增至18.45元/kg；當電價為0.56元/kWh，液化費用上漲到22.41元/kg。表3為30.0t/d液氫裝置在不同電價下的成本費用占比分解。
從表3可以看出，隨著電價增加，外購電成本占比越來越高。當電價為0.10元/kWh時，外購電成本占總成本比重僅為13%；當電價為0.56元/kWh時，外購電成本占比達46%。因此，液氫裝置更適合建設在電力資源豐富且電價較低的地區(qū)，以獲得更低的氫氣液化成本。
2.3與液化天然氣（LNG）資源耦合是降低液氫能耗的有效途徑
液氫生產(chǎn)中存在能耗高的問題，可通過與乙烯、丙烷脫氫、LNG冷能的高效耦合集成利用，有效降低氫氣液化能耗。如，通過LNG為–153~20℃溫區(qū)提供冷量，共計可節(jié)省氫氣液化能耗53.9%。以50.0t/d液氫生產(chǎn)規(guī)模為例，與氮循環(huán)預冷流程相比，采用LNG與液氮聯(lián)合預冷工藝，可節(jié)省電量39.1萬kWh/d。
依托LNG接收站，實現(xiàn)LNG冷能回收與氫預冷流程的深度耦合，是發(fā)展大規(guī)模氫液化技術的途徑之一。
可在我國風光資源豐富的西部地區(qū)探索液氫與LNG耦合的應用場景，將電解水轉化成氫能資源，通過長輸管道“西氫東送”至渤海灣等LNG接收站集中的港口，解決東部沿海地區(qū)用氫的同時與LNG資源耦合制備液氫，實現(xiàn)氫氣的遠距離運輸。
液氫槽車運輸成本為高壓氫氣（20MPa）罐車的12.5%~20.0%，在陸路長距離規(guī)模化運輸方面具有明顯經(jīng)濟優(yōu)勢。
且液氫加氫站占地面積小、運營成本低、安全性高，特別適用于建筑密度大、人口密集、用地成本高的城市地區(qū)。近年美國、日本等國家絕大多數(shù)新建加氫站均采用液氫技術路線（已占加氫站總量的30%），再次提升大規(guī)模氫液化裝置的需求量。
液氫槽車的有效裝卸重量可達3t，綜合考慮槽車排班、車輛油耗、車輛保險及工人工資等因素，經(jīng)過成本核算得到，氫氣液化裝置規(guī)模為30.0t/d（等同于液化氫氣1萬t/a）、距離氫源點356km時，液氫槽車的運氫費用為1.39元/kg（不包括液化費用）。
經(jīng)研究，目前管道運輸?shù)慕?jīng)濟效益與氫氣運輸規(guī)模息息相關，國內國際存在的氫氣管道均為幾萬噸級或幾十萬噸級，規(guī)模越大，氫氣運輸成本越低。因此，若管道運輸規(guī)模為1萬t/a，采用長輸管道并不具備經(jīng)濟性，固定投資費用太大，氫氣輸送量少，按50萬t/a的長輸管道、氫氣運輸356km計算，運氫費用為1.73元/kg。
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當液氫規(guī)模達到1萬t/a時，陸路運輸?shù)膯挝贿\氫成本（1.39元/kg）低于50萬t/a的管道運輸成本（1.73元/kg），但是由于規(guī)模不同，液化成本并沒有考慮進去，這樣比較有失公允。因此，真正比較2種儲運方式經(jīng)濟性要從源頭到終端綜合考量。然而，從另一角度看，液氫槽車運輸具有管道無法比擬的靈活性，因此液氫規(guī)模即使沒有達到管道運輸?shù)臄?shù)量級，液氫槽車仍然在長距離運輸方面具有經(jīng)濟優(yōu)勢。管道運輸在地點較為分散時需要配合其他交通工具，如高壓長管拖車等，實現(xiàn)轉運目的。
與運輸356km相比，液氫運輸2000km需要的槽車數(shù)量及工人數(shù)量均大幅增加，綜合考慮槽車排班及油耗、工人工資等，可測算出規(guī)模為30.0t/d、距離氫源點2000km時，液氫槽車運氫成本為5.8元/kg，單位質量運氫成本較356km（單位質量成本1.39元/kg，每100km為0.39元/kg）運輸距離時有所增加，但每100km僅為0.35元/kg，由此可見，盡管運輸距離增加，但液氫的單位距離運輸成本仍維持在較低水平。
根據(jù)某供氫中心向1.5t/d、110km加氫站輸送氫氣的數(shù)據(jù)測算，比較氣氫（22MPa）槽車與液氫槽車的經(jīng)濟性與運輸效率（見表4）。
根據(jù)上述測算，高壓氣態(tài)長管拖車具有明顯的價格優(yōu)勢，但是需消耗更多的車次、時間和人工時。而液氫雖然在液化部分價格較貴，但槽車運輸方面具有明顯效率和人工、空間優(yōu)勢（占用車位數(shù)量少）。
由此可見，在城市百公里半徑范圍，液氫槽車運氫價格遠低于氣氫槽車，但是由于目前氫氣液化單價較高，導致液化成本疊加起來接近60元/kg，遠高于氣氫運輸價格5元/kg。因此在城市，用液氫運輸比氣態(tài)槽車運輸成本高，這也是液氫目前不能快速普及的原因。
隨著裝置規(guī)模增加、單位電價降低，氫氣液化費用大幅下降，但仍然維持在20~30元/kg的較高水平。但從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，液氫的靈活運輸性仍可能帶來一定的經(jīng)濟效益。
4.1.1全產(chǎn)業(yè)鏈：低電價遠距離液氫用于交通用氫價格
液化氫氣價格即液態(tài)加氫站加氫槍出口的氫氣價格，是氫氣出廠價（制氫裝置產(chǎn)出的氫氣價格）、液化費用、運輸費用、液氫加氫站費用（液氫經(jīng)過液氫加氫站加注到燃料電池車上的費用）的總和。
以從2000km外電力資源豐富的西部地區(qū)獲得廉價的氫氣，液化后經(jīng)由槽車運輸?shù)綎|部地區(qū)液氫加氫站為例，計算液氫加氫站出站價格，與東部地區(qū)氣態(tài)加氫站出站價格進行比較。西部地區(qū)較為低廉的氫氣出廠價為15元/kg，按較便宜的電價0.3元/kWh計，可得液化費用為18.45元/kg，運輸費用為5.8元/kg。液氫加氫站費用參考國外液氫加氫站，其成本是氣氫的50%，調研得到國內某加氫站費用為20元/kg，按照50%考慮，判斷液氫加氫站費用為10元/kg。最終得到液化氫氣價格為49.25元/kg，如果距離調整為356km處的加氫站，則液化氫氣價格為44.80元/kg（運輸費用為1.35元/kg，其他不變）。從交通用氫的角度，液氫輻射范圍2000km內，氫氣出站價格可以控制在50元/kg以內。
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4.1.2全產(chǎn)業(yè)鏈：氣氫用于交通領域價格
對于氣氫輸送而言，考慮目前氣態(tài)槽車運輸能力（每100km運費5元/kg），并不適合長距離跨多區(qū)域運輸。另外，氫氣從出廠經(jīng)過加壓、氣態(tài)運輸?shù)郊託湔荆杀静粩嗯噬?/span>
假設向運輸半徑100km以內的某東部城市內部運輸氣態(tài)氫氣，氫氣源頭來自附近煉化企業(yè)，計算氣態(tài)氫氣價格，即氣態(tài)氫氣加氫槍出口時價格。目前來看，城市加氫站的氣態(tài)氫氣價格為氫氣出廠價（加壓至20MPa，為30元/kg）、運輸費用（5元/kg）、加氫站費用（20元/kg）之和，可以控制在55元/kg。
4.2液氫與氣氫全產(chǎn)業(yè)鏈比較分析
以同一目標市場，即東部發(fā)達用氫區(qū)域作為目標，比較液氫和氣氫加氫槍出口的氫氣價格?？梢钥闯觯敋錃庠?000km以外以低電價進行液化，運輸加注后價格僅49.25元/kg，略低于東部城市當?shù)貧鈿鋬r格55元/kg；如果距離是356km，液氫價格只需要44.80元/kg，價格優(yōu)勢進一步加大。因此，在長距離運輸、氫氣液化地電價低廉的條件下，液氫具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。同時，來自低電價區(qū)域的液氫價格顯著低于目前市場上在售交通用氫（60~90元/kg）。
選擇氫氣源頭液化、液態(tài)槽車運輸、液氫加氫站可以實現(xiàn)氫能交通全產(chǎn)業(yè)鏈液化，能夠極大降低氫能交通產(chǎn)業(yè)鏈的成本，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。未來我國要加快大型液氫球罐的研發(fā)工作，為迎接氫能源革命做好準備。
液氫具有較強的靈活性和良好的運輸成本優(yōu)勢，其大型化、規(guī)模化發(fā)展是未來氫能發(fā)展的重要方向。從技術經(jīng)濟性分析，氫氣液化的瓶頸在于能耗（電耗），應通過多種方式的耦合，降低氫氣液化的能耗（電耗）或價格。在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃或者項目策劃時，應從源頭到終端規(guī)劃液氫發(fā)展，進行經(jīng)濟性方案比選，在液氫裝置關鍵設備（氫透平膨脹機、真空冷箱、液氫儲備設備）的大型化技術上加大研發(fā)力度，以推動液氫技術的大規(guī)模發(fā)展，為氫能儲運提供更為高效的路徑。
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