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行业报告丨中国氢气储运技术与成本分析 管道输氢或是最优运输方式

来源:EVTank、北极星氢能网 最后更新:2019-07-10 16:28:25 作者:佚名 浏览:186次

伊维经济研究院认为,虽然管道运输前期投资非常高,但管道运输的效率、成本都具优势,随着氢能产业规模的扩大,在未来长距离、大规模的氢气运输中,管道输氢有望成为为最优运输方式。

近日,研究机构EVTank联合伊维经济研究院发布了其关于氢气存储与运输领域的研究成果《中国氢气存储与运输产业发展研究报告(2019)》。在研究报告中,伊维经济研究院从主要储氢技术的对比研究、不同储氢技术的成本分析、氢气运输的不同方式,不同氢气运输方式成本对比分析等方面进行了详细的研究,并重点梳理了在国内进行氢气存储和运输的企业基本情况。

关于储氢技术,伊维经济研究院在《中国氢气存储与运输产业发展研究报告(2019)》中进行了总结和分析。伊维经济研究院将氢气的储存技术分为高压气态储氢、低压液化氢储存及储氢材料储存等三大类。就目前而言,伊维经济研究院认为高压气态储氢以其技术难度低、成本低、匹配当前氢能产业现状等特征优势得以应用最广;低温液氢储存在国外应用较多,国内技术尚处于航空用阶段;储氢材料储氢技术目前国内外产业化极少,基本处在小规模实验阶段。

高压气态储氢技术即利用高压将氢气压缩到耐高压的储气瓶中,储气瓶工作压力须在35~70MPa。目前,高压气态储氢瓶主要分为纯钢制金属瓶(I型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II型)、铝内胆纤维缠绕瓶(III型)和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)四代产品,主要应用场景为车载式(车用及储运)和固定式(制氢厂、加氢站等)储氢。

伊维经济研究院在报告中分析认为I型、II型储氢瓶由于质量储氢密度较低、氢脆问题严重,难以满足车载储氢系统的质量储氢密度要求;而III型、IV型瓶由内胆、碳纤维强化树脂层及玻璃纤维强化树脂层组成,气瓶质量较轻,单位质量储氢密度有所提高。因此,车载储氢瓶大多使用III型、IV型。国外目前已经实现IV型储氢瓶在车用领域70MPa的应用,国内IV型储氢瓶受到禁用,主要以35MPaIII型瓶为主,70MPa型号技术较国外落后。

在研究报告中,伊维经济研究院认为高压气态储氢技术成本低,能耗低,是目前发展最成熟的储氢技术,国内外均有广泛的运用。但其致命的缺点在于体积比容量太低,储氢量少,即使是供太空用的钛瓶,其储氢重量也仅为瓶重的5%左右,国内更低,同时安全性能相对较差;储氢密度受压力影响较大,主要受储罐材质限制;国内储氢罐关键材料、核心部件当前仍然依赖进口。因此,高压气态储氢研究热点在于储罐材质的改进,近年来国内铝内胆外缠碳纤维树脂成本下降较快。当前各国都在积极推动更先进的储氢材质、更高能量密度的储氢瓶的研究,以无内胆纤维缠绕瓶作为下一代储氢瓶的研究热点。

低温液态储氢是将氢气通过低温液化后以液态的形式储存,由于液态氢具有很高的密度,常温、常压下液氢的密度为气态氢的800倍以上,能够使得储运简单,体积比容量大。但问题在于,目前氢气的液化能耗较大,液化过程以及运输过程有能量的损耗,把气态的氢变成液态的氢难度仍然较大。并且,液态氢的储存容器需要极好的耐超低温和保持超低温的绝热装置来隔热,避免沸腾汽化,导致容器制造难度大、成本高昂。

国外70%左右使用液氢运输,安全运输基本问题已经得到充分验证。国内应用目前仅限于航天领域,民用还未涉及。国内一方面技术没有成熟,技术、设备成本高昂,无论是运输还是车用都选择高压气态路线;另一方面,国内暂时缺乏液氢相关的技术标准和政策规范,国内布局液氢的企业较少。伊维经济研究院研究认为低温液态储氢是未来重要发展方向,同时可配合大规模风电、水电、光电电解水制氢及储运。在民用领域,国内企业正努力实现氢的液化、储运及加注设备的国产化和产业化。

储氢材料储氢技术是利用固体储氢材料如稀土合金等、有机液体材料(烷烃类化合等)通过吸附储氢、化学储氢来实现氢的储存和释放,目前国内外产业化均很少,基本处于小规模的实验阶段。

吸附储氢技术主要利用含括金属合金、碳质材料、水合物、金属框架物等对氢的吸附来达到储氢的作用。伊维经济研究院认为吸附储氢最大的优势是安全性,但就目前技术而言,存在化学储氢放氢难、储氢密度不高等问题,同时其成本相对较高。以金属吸附储氢为例,这种方式是使用金属间化合物,在一定温度和压力下放置于氢气氛中,就可以吸附大量氢气,生成金属氢化物,在加热条件下,金属氢化物重新释放出氢气。目前具备潜在应用价值的金属合金包括稀土合金等,其最大的优点是安全、运输方便,但普遍存在价格高、寿命短或者储存、释放条件苛刻等问题。

化学储氢技术是利用储氢材料与氢气反应生成稳定化合物,通过改变反应条件实现放氢的技术,常用材料有机液体、液氨、配位氢化物、甲醇等。伊维经济研究院认为化学储氢的优势在于储氢密度较高、安全性较高,缺陷在于往往需要配备相应的加氢、脱氢装置,成本较高昂;脱氢反应效率较低,氢气纯度不高等。在化学储氢中,以有机物液体储氢为例,对不饱和的液体有机物在催化剂作用下进行加氢,生成稳定化合物达到储氢目的,当需要氢气时再进行脱氢。有机液体储氢技术具有较高储氢密度(50g/L以上),且成本相对较低。同时,常用材料(如环己烷和甲基环己烷等)在常温常压下,即可实现储氢,安全性较高。另一方面,有机物液体储氢技术(储油)可以依托传统的石油基础设施进行运输、加注,方便搭建加氢网络,相比于其它技术而言,具有独一无二的安全性和运输、推广便利优势。但该技术缺陷在于,熔点、沸点均较高,需要专门的加氢、脱氢装置,操作性差等较多的技术难题,未来随着技术的进步,应用前景广阔。

三类储氢方式的比较分析

在《中国氢气存储与运输产业发展研究报告(2019)》中,伊维经济研究院从各国发展情况分析认为,国内储氢技术发展相对落后,高压气态储氢技术落后较大,储氢量低得多,国外70MPa已应用到车上,而储氢罐关键材料依赖进口,低温液氢技术、储氢材料技术与国外先进水平存在较大差距,产业化相距甚远。

从技术成熟方面来看,伊维经济研究院认为高压气态储氢最成熟、成本最低,是现阶段主要应用的储氢技术,在基本能与传统加油方式相媲美,但更高的车载储氢要求如储氢量、安全性,高压气态储氢或有不及。从质量储氢密度上看,液态储氢、有机液体储氢质量储氢密度较高,但目前两种技术均存在成本高等问题。从成本方面来看,液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢成本均较高,不适合目前小批量的应用。

从储氢成本角度来看,伊维经济研究院认为高压气态储氢具备一定成本优势,主要体现在能耗和使用成本上;而低温液化储氢在氢的液化和运输过程中都伴随氢的挥发损耗,能耗最大;而储氢材料储氢由于技术的复杂性等问题,目前尚停留在试验阶段,但由成本对比可知,未来储氢材料技术大有可为。

氢气的运输方式分析

针对氢气的储存方式,伊维经济研究院研究发现氢气目前主要通过气氢拖车、液氢槽车和氢气管道三种方式运输。国内加氢站的外进氢气均采用气氢拖车进行运输,比较适用于运输距离较近、输送量较低、氢气日用量为吨级的用户。长管拖车把氢气上到加氢站,进入压缩机内被压缩,并先后被输送至高压、中压、低压储气罐中分级储存,需要对汽车加氢时,加氢机可以从长管拖车、低压储氢罐、中压、高压按顺序取气加注。

管道运输应用于大规模、长距离的氢气运输,可有效降低运输成本。管道输送方式以高压气态或液态氢的管道输送为主。管道“掺氢”和“氢油同运”技术是实现长距离、大规模输氢的重要环节。全球管道输氢起步已有80余年,美国、欧洲已分别建成2400km、1500km的输氢管道。我国已有多条输氢管道在运行,如中国石化洛阳炼化济源—洛阳的氢气输送管道全长为25km,年输气量为10.04万吨;乌海—银川焦炉煤气输气管线管道全长为216.4km,年输气量达16.1×108m3,主要用于输送焦炉煤气和氢气混合气。

液态氢运输主要利用液氢槽车,液氢的单车运氢能力是气氢的10倍以上,运输效率提高,综合成本降低。但是该运输方式增加了氢气液化深冷过程,对设备、工艺、能源的要求更高。液氢槽罐车运输在国外应用较为广泛,国内目前仅用于航天及军事领域。

三种运输方式成本分析

在《中国氢气存储与运输产业发展研究报告(2019)》中,伊维经济研究院从成本构成维度对三种运输方式进行了对比研究。气氢拖车运输成本主要包括:固定成本(折旧费、人员工资等)和变动成本(包括氢气压缩耗电费、油料费等)。为了测算成本,伊维经济研究院在报告中假设目前国内集装管束拖车的价格约120万/台,使用年限10年。每辆拖车配备司机以及多名操作人员,人员费用共32万。拖车满载氢气可达300kg,每百公里消耗柴油约25升。拖车平均运行速度假设为50km/小时,两端装卸氢气时间约8小时,年有效工作时间为4500小时。氢气压缩过程耗电1kwh/kg。

由上表可知单车气氢运输变动成本取决于运输距离,可得到不同运输距离(百公里)内的运输成本曲线:

液氢槽罐车的运输成本结构与集装管束车类似,但增加了氢气液化成本及运输途中液氢的沸腾损耗。槽罐车市场价格约50万/辆,每次装载液氢约4000kg,运输途中由于液氢沸腾平均每小时损耗0.01%,液化过程损耗0.5%。液化过程耗电10kwh/kg。槽罐车充卸一次约耗时0.5小时。

管道氢气运输的成本主要包括前期管道建设费用、折旧与摊销、直接运行维护费用(材料费、维修费、输气损耗、职工薪酬等)、管理费及氢气压缩成本等。伊维经济研究院根据国内“济源-洛阳”项目测算,采用φ508mm管道,年输送能力10.04万吨,建设成本为616万/km,管道使用寿命20年。运行期间维护成本及管理费用按建设成本的8%计算。

管道运输单位运输成本测算如下:

通过对比三种运输方式成本,伊维经济研究院认为管道的运输成本具有明显优势,但管道运输前期投资建设成本较高,在氢能及燃料电池汽车产业成熟之前有较大风险,其运输成本受运能利用率影响,运能利用率越高越经济;气氢拖车在300公里以内运输具有成本优势,中远距离运输,液氢占优,且在400公里后液氢的成本优势大于管道运输。

另一方面,由于目前氢能及燃料电池汽车市场规模较小,氢需求量较小,考虑到国内氢气源地和使用地的距离,气氢拖车和液氢罐车可灵活应用,包括调整拖车数量来适应市场的需求,具有一定更便利性。而从市场的长远期来看,未来随着市场规模的扩大、集中式氢气生产基地增加将提高对输氢管道一定的运能利用率的贡献,管道运输将具备较大优势。

氢气储运行业参与企业分析

虽然高压气态储氢技术比较成熟、应用普遍,但是体积比容量小,是该技术一个致命的弱点。伊维经济研究院认为未来,高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。国内目前生产高压储氢罐的天海工业、中材科技、沈阳斯林达等。

低温液态储氢在国外的加氢站体系中有较大范围的应用,但是在车载系统中的应用不成熟。我国的液氢工厂仅为航天火箭发射服务,代表企业为中国航天科技集团101所。受法规所限,还无法应用于民用领域。国内目前有液氢储运技术储备和产业化能力的企业有富瑞氢能、中科富海等。

目前在储氢材料领域产业化较低,国内储氢材料代表企业有稀土储氢材料的北京浩运金能、厦门钨业、内蒙古稀奥贮氢等。其中,有机液体储氢技术的在中国的发展已有所成就,代表企业如武汉氢阳能源,选用的有机液态储氢材料为氮乙基咔唑,建立了全球第一个常温常压液态有机储氢材料工厂。

在《中国氢气存储与运输产业发展研究报告(2019)》最后,伊维经济研究院预测了氢气储运行业未来趋势,总结如下:

(1)低温液化储氢技术受制于成本和能耗问题,无法规模化利用,预计在氢能产业规模扩大、配套设备和技术提升之后未来可期。

(2)储氢材料技术的储氢量较大,其未来的发展研究应集中在提高材料的热交换性能,提升吸放氢的效率,降低加氢脱氢装置的成本,实现储氢材料技术的规模化应用。

(3)有机液态储氢拥有较大的推广优势,可依托现有传统汽油输送方式和加油站构架建设氢油站,未来技术的研究重点突破相关制备、配套设备技术,提高脱氢效率。

(4)气氢拖车运输比较适合当前氢能产业的发展规模。一方面,气氢拖车具有成本低、充放氢快速的优点,另一方面国内加氢站均为站外供氢。但随着氢能产业、液氢运输、管道输氢的发展,气氢拖车运输将被部分取代。

(5)液氢罐车成本降低有赖于罐材的改进。目前国外多采用液氢罐车运输,国内液氢拖车仅用于航天领域,而液氢在铁路和海上运输当前国外也仅少量应用,国内暂未涉及。未来解决液氢液化、运输过程中的损耗问题,液氢罐车在中远距离的输氢将有较大前景。

(6)虽然管道运输前期投资非常高,但管道运输的效率、成本都具优势,随着氢能产业规模的扩大,在未来长距离、大规模的氢气运输中,管道输氢有望成为为最优运输方式。

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