氫氣的運輸方式有幾種？

目前氫氣的主要運輸手段有三種，即高壓氣氫運輸、液氫運輸和管道輸氫，其中高壓氣 氫運輸是當前廣泛使用的運輸方式。

1.高壓氣氫運輸：目前最為主流的運氫方式

氣態的氫能通常進行加壓后儲存在壓力容器中，再通過集裝格、長管拖車運輸，該技術 相對成熟，是加氫站使用的主要運氫方式，但存在效率低下、成本較高的問題，比較適 用于近距離、小體量運氫場景。其中，集裝格由多個水容積為 40L 的高壓氫氣鋼瓶組成， 壓力通常為 15MPa，在少量的靈活運輸方面具有優勢。長管拖車使用的儲氫容器則通常 是壓力為 20MPa 左右的無縫鋼瓶，儲氫量可以達到 3500Nm3。但由于氫氣密度小，儲氫容器自重大，所以長管拖車所運氫氣的質量只占總質量的 1%~2%，國內常見的單車運氫 量約為 260~460kg，未來通過提高壓力有望進一步提升運氫能力。另外氫氣瓶卸車時間較 長，需要約 2~6 小時，效率較低。具體流程包括經壓縮機壓縮、裝氣柱、卸氣柱，經減 壓并入氫氣管網等。

我們測算，20Mpa 長管拖車運氫成本在運輸距離為 100km 時為 6.65 元/kg，50MPa 的長 管拖車在運輸距離為 100km 時為 3.19 元/kg，高壓運氫的成本優勢明顯。核心假設如下： (1)20MPa 的長管拖車滿載氫氣質量 350kg，管束中氫氣殘余率 20%；(2)氫源距離加氫站 100km，加氫站每天用氫 500kg；(3)拖車百公里耗油量 25L，柴油價格 7.5 元/L；（4）拖 車每天工作 15 小時，平均時速為 50km/h，拖車裝、卸氫均需 5 小時；(5)每臺車拖車車 頭和管束共 70 萬元，10 年折舊，折舊方式均為直線法；(6)每車配 1 名司機和 1 名裝卸 操作員，人員費用 10 萬元/人·年，車輛保險費用 1 萬元/車·年，保養費用 0.3 元/km，過 路費 0.6 元/km；(7)每次氫氣壓縮過程耗電 1kWh/kg，電價 0.6 元/kWh；(8)運氫毛利 15%。 為了在拖車的工作時限內將足夠量的氫氣運至加氫站，以滿足其要求，可以計算出所需 長管拖車的數量為 2 臺。這樣一來，可測算出 20MPa 的長管拖車在運輸距離為 100km 時 為 6.65 元/kg。若把容器罐壓力提高到 50Mpa，使其可運載 1200kg 氫氣，則僅需一臺長 管拖車便可滿足加氫站的氫氣需求，同理，可測算出 50MPa 的長管拖車在運輸距離為 100km 時為 3.19 元/kg。50MPa 的長管拖車在相同設定下比 20MPa 的長管拖車成本下降 了 52.03%，因此從經濟性角度出發，加大鋼瓶儲氫壓力能較大地降低成本，是未來高壓 氣氫運輸的發展方向。

從成本構成來看，人工費用和油費是最主要的組成部分。對于 20Mpa 長管拖車來說，人 工費用和油費占總成本的比重達到 62.48%，而對于 50Mpa 長管拖車來說，人工費用和油 費占總成本的 54.98%，電費在總成本中的占比高于油費。由于長管拖車運氫量增加，所 需的長管拖車量數減少，這在很大程度上減少了人工費用和油費，另外折舊費用也從 0.77 元/kg 減少到 0.38 元/kg。因此，長管拖車的數量是影響運氫成本的重要因素，可以通過 減小運氫距離或加大儲氫容器壓力來減少所需長管拖車數量。

2.液氫運輸：國外技術較為成熟，國內尚未商業化使用

液氫運輸提高了氫氣的能量密度，效率較高，但制取液氫能耗較大，運輸過程存在一定 蒸發損失，對設備、工藝、能源的要求更高，目前國內僅用于航天及軍事領域。液氫運 輸主要是指將氣態氫降溫至 21K 液化，再通過 0.6MPa 的專用低溫絕熱槽罐進行運輸的 方法，為了保證液氫儲存的密封性和隔熱性，其中液氫儲罐由特殊材料和工藝制成。由 于液氫的密度達 71g/L，所以 65m3 的液氫槽罐車每次可容納約 4000kg 的氫氣，是長管拖 車每次運氫量的 10 倍以上。國外加氫站采用槽車液氫運輸的方式要略多于氣態氫氣的運 輸方式，但從國內情況來看液氫在短期內還無法成為運氫的主要手段，一是由于我國的 液氫關鍵設備（如透平膨脹機、3000m3 以上大型液氫儲罐、液氫泵等）與發達國家差距 較大，很大程度上依然依賴進口；二是由于液氫運輸相應的法律法規不完善，導致液氫 運輸審批困難，限制了液氫罐車在民用領域的應用。

液氫適合遠距離、大體量運輸場景，可以利用鐵路和輪船進行長距離或跨洲際輸送。深 冷鐵路槽車長距離運輸液氫是一種既能滿足較大的輸氫量要求又比較快速、經濟的運氫 方法。這種鐵路槽車常用水平放置的圓筒形杜瓦槽罐，其儲存液氫的容量可達 100m3，特 殊的更大容量的鐵路槽車甚至可以運輸 120～200m3 的液氫，在國際上，俄羅斯的液氫儲 罐容量跨度可達到 25~1437m3。但目前僅有非常少量的氫氣采用鐵路運輸，僅在國外有 非常少量的氫氣鐵路運輸路線。總的來說，若液氫液化、運輸過程中的損耗問題未來得 到解決，液氫運輸在中遠距離的輸氫將有較大前景。 我們測算，從成本來看，考慮液氫的蒸發損耗后其運輸成本在運輸距離為 100km 時為 24.05 元/kg，在長距離運輸場景具備優勢。核心假設如下：(1)65m3 的液氫槽罐車滿載氫 氣質量 4000kg；(2)氫源距離加氫站 100km，加氫站每天用氫 500kg；(3)液氫槽罐車百公 里耗油量 25L，柴油價格 7.5 元/L；（4）槽罐車每天工作 15 小時，平均時速為 50km/h， 拖車裝、卸氫均需 6.5 小時，損耗氫氣成本 11.1 元/kg；(5)液氫槽罐車價格約為 45 萬元/ 輛，10 年折舊，折舊方式均為直線法；(6)每車配 1 名司機和 1 名裝卸操作員，人員費用 10 萬元/人·年，車輛保險費用 1 萬元/車·年，保養費用 0.3 元/km，過路費 0.6 元/km；(7) 每次氫氣壓縮過程耗電 11kWh/kg，電價 0.6 元/kWh；(8)運氫毛利 20%。因此可以測算出 對于用氫量 500kg/天，距離氫源 100km 的加氫站來說，使用液氫運輸的價格為 24.05 元 /kg。從成本構成可以看到，氫氣在液化、運輸過程中的損耗占總成本的比重較大，達到 57.70%，因此降低液氫損耗是未來亟需解決的問題。另外，與距離呈正相關的油費、路 費等占比并不大，因此液氫罐車在長距離運輸下更具成本優勢。

3.管道輸氫：前期投資大，適用于遠距離、大規模輸氫

氫氣管道可分為長距離輸送管道和短距離配送管道，具有投資大、能耗低的特點。長輸 管道輸氫壓力較高，管道直徑較大，主要用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的長距 離、大規模輸送；配送管道輸氫壓力較低，管道直徑較小，主要用于氫氣站與各個用戶 之間的中低壓氫氣的配送。氫氣輸送管道投資成本高，主要成本為路權，另外由于錳鋼、 鎳鋼以及其它高強度鋼長期暴露在氫氣中，尤其在高溫高壓下，強度會大大降低甚至導 致失效，產生“氫脆”現象，所以目前氫氣長輸管道的造價為 63 萬美元/公里左右，約為天 然氣管道造價的 2.5 倍。由于氫氣在低壓狀態下運輸，因此能耗相比高壓運氫更低，并且 運營成本也相對較低，使用壽命可達 40-80 年。

我國氫氣管道總里程數與國外有較大差距，大規模的氫氣管道運輸目前在我國仍未形成。 據統計，全球范圍內氫氣輸送管道總里程已超過 4600km，其中，美國氫氣管道規模最大， 總里程達到 2720km，它擁有位于墨西哥沿岸的全球最大氫氣輸運管網，全長 965km，輸 氫量達 150 萬 Nm3 /h。相比之下，我國氫氣管道網絡的建設較為滯后，現有氫氣輸送管 道總里程僅約 400km，其中自主建設的典型輸氫管道有 2 條，分別是 2014 年建成投產的 巴陵石化的巴陵－長嶺輸氫管道，與 2015 年建成投產的中國石化洛陽分公司的濟源－洛 陽輸氫管道。2021 年，中國石油天然氣管道工程有限公司中標河北定州至高碑店氫氣長 輸管道可行性研究項目，管道全長約 145 公里，是國內目前規劃建設的最長氫氣管道， 設計輸量 10 萬噸/年，同時還將在河北保定附近預留分支節點建立氫氣母站，用于兼顧 河北雄安新區市場需求。據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》預計，到 2030 年，我國將建成 3000 公里以上的氫氣長輸管道。

利用現有的天然氣管網混氫運輸可大幅降低氫氣輸送成本，減少開發新的輸配基礎設施 的投資，具有一定前景。由于氫氣長輸管道昂貴的建設成本，利用現存天然氣管道輸送 氫氣與天然氣混合氣或將天然氣管道改造為氫氣管道的技術受到了研究人員廣泛的關注。 天然氣和氫氣同屬氣體能量載體，在物理性質方面具有一定的相似性，天然氣的壓縮、 儲存、管輸、燃燒設施等基礎設施也對氫氣有一定的適應性，所以該技術在理論上具有 可行性。但是天然氣與氫氣物性又有很多不同，使得這些基礎設施對氫氣的適應具有一 定的范圍，目前來看，運氫管道直徑和設計壓力均小于天然氣管道，因此合理、安全的 摻氫比例范圍需審慎評估并確定。

目前來看，研究表明如果將摻混入天然氣的氫氣含量控制在 15%~20%以內，可以直接 利用現有天然氣管道輸送，意大利、英國等已有類似示范項目。天然氣管道摻入氫氣后 不僅會帶來管道材料的氫脆、氫鼓泡、脫碳及氫腐蝕等風險，也會對管道的輸氣能力有 影響。安全摻氫比例既取決于管道材質，又取決于終端應用方式。一般來說，聚乙烯內 襯管道可輸送 100%的氫氣，而普通管道可摻氫 20%；歐洲燃氣加熱和烹飪器具可適用于 23%摻氫燃氣，而燃氣輪機僅能承受 5%以下的摻氫比例。如果摻氫技術研發成功，并能 解決氫氣與天然氣管道相容性問題，我國西部地區便可利用豐富的光伏和風能資源制氫， 并充分利用現有西氣東輸管道等天然氣主干管道和龐大的支線網絡向東部地區遠距離輸 氫，大大降低國內運氫成本。

我們測算，對于長度 25km、年輸送能力 10.04 萬噸的氫氣管道來說，運氫價格為 0.80 元 /kg。管道氫氣運輸的成本主要包括管道建設費用折舊與攤銷、運行和維護費用（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。根據我國“濟源-洛陽”氫氣 輸送管道項目進行測算，它全長 25km，年輸送氫氣能力為 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 10%計算，據 統計氫氣管道在滿載輸送過程中損耗為 1252kg/km 年，另外假設氫氣壓縮過程耗電 1kWh/kg，電價為 0.6 元/kWh。這樣算出該項目合計成本為 0.68 元/kg，在毛利率為 15% 時運輸價格為 0.80 元/kg。該成本相對于長管拖車與液氫槽車運輸具有很大的優勢，尤其 是當氫能需求達到一定規模時前景光明。