氫能運(yùn)輸路徑經(jīng)濟(jì)性分析及跨洋貿(mào)易展望

王紫星

（中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司發(fā)展計(jì)劃部，北京 100728）

氫能作為一種具有廣泛優(yōu)勢(shì)的二次能源，其終端應(yīng)用的零碳排放特性使氫能成為一種可有效支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，是交通運(yùn)輸、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇。在全球能源轉(zhuǎn)型悄然加速，新能源革命和數(shù)字技術(shù)開(kāi)啟能源行業(yè)深度裂變的背景下，保障能源安全對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)“3060”目標(biāo)，具有重要意義。

隨著可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，其間歇性、不穩(wěn)定性、發(fā)電側(cè)與用電側(cè)地域錯(cuò)配的特點(diǎn)日益凸顯，加之鋰電儲(chǔ)能成本大幅提高，迫切需要更加經(jīng)濟(jì)、高效、便捷的儲(chǔ)能方式。氫能因其與可再生能源極強(qiáng)的耦合性以及在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)中獨(dú)特的適配性，成為未來(lái)實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)大規(guī)模儲(chǔ)能的最優(yōu)解決方案。隨著氫能產(chǎn)業(yè)在全球的廣泛發(fā)展，風(fēng)光較好地區(qū)帶來(lái)的綠氫成本紅利和與消納地區(qū)的地域錯(cuò)位為氫能跨洋貿(mào)易帶來(lái)了可能，低成本、長(zhǎng)距離輸氫是實(shí)現(xiàn)氫能跨洋貿(mào)易的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 國(guó)際氫能貿(mào)易發(fā)展的必要性

全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)氫能供給和需求存在較大差異，隨著氫能發(fā)展，跨國(guó)貿(mào)易將成為必然。從各個(gè)國(guó)家情況來(lái)看，日本將成為氫能主要進(jìn)口國(guó)，IEA預(yù)計(jì)，到2030年日本從澳大利亞進(jìn)口的綠氫，通過(guò)氨或液態(tài)有機(jī)氫載體運(yùn)輸至國(guó)內(nèi)的成本將降至約5.5美元/千克（37.8元人民幣/千克），比國(guó)內(nèi)氫氣生產(chǎn)成本低約16%[1]。同時(shí)，日本正探索從沙特進(jìn)口氨的可行性，用于日本摻氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。沙特、俄羅斯、澳大利亞等傳統(tǒng)的能源出口國(guó)也在積極尋找氫氣出口機(jī)會(huì)。俄羅斯計(jì)劃2030年前向中國(guó)、日本、韓國(guó)和德國(guó)每年供應(yīng)220萬(wàn)噸氫氣，占這些國(guó)家進(jìn)口總量的23%。澳大利亞把氫能貿(mào)易作為未來(lái)貿(mào)易的重要戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)未來(lái)每年的氫貿(mào)易額將達(dá)17億美元。新西蘭政府發(fā)布了《塔拉納基氫氣路線圖》，把氫能貿(mào)易作為能源出口戰(zhàn)略的一部分，預(yù)計(jì)2030年氫氣出口規(guī)模達(dá)1 200萬(wàn)噸/年，2025年后氫能貿(mào)易量將明顯增加，年均增長(zhǎng)近150萬(wàn)噸/年，澳大利亞和中東地區(qū)將是其出口增量的主要地區(qū)。

2 氫能?chē)?guó)際貿(mào)易的技術(shù)路徑選擇

在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)中，適合氫氣大宗跨洋運(yùn)輸?shù)臍淠苜Q(mào)易技術(shù)路線主要有液化氫、液氨、甲基環(huán)己烷和甲醇等方式。

2.1 技術(shù)路線介紹

2.1.1 液化氫

液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣壓縮后深冷至21K 以下使之液化成液氫，然后存入特制的絕熱真空容器中保存，若不考慮能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟(jì)性，液氫儲(chǔ)存是一種極為理想的儲(chǔ)氫方式。但液氫儲(chǔ)存有兩個(gè)缺陷：一是液氫轉(zhuǎn)換能量損耗大，工程實(shí)際中氫液化耗費(fèi)的能量占總制氫能耗的30%；二是液氫儲(chǔ)存容器的制造成本高，為控制槽內(nèi)液氫蒸發(fā)損失和確保儲(chǔ)槽的安全（抗凍、承壓），對(duì)儲(chǔ)槽及其絕熱材料的選材和儲(chǔ)槽的設(shè)計(jì)均有很高要求[2]。

2.1.2 液氨

液氨儲(chǔ)氫技術(shù)是將氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)生成液氨，作為氫能的載體進(jìn)行利用。液氨在常壓、400℃條件下分解即可得到氫，常用的催化劑包括釕系、鐵系、鈷系與鎳系，其中釕系的活性最高。氨作為儲(chǔ)氫載體的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：氨氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下液化溫度為–33℃，液化能耗比液氫??；液氨儲(chǔ)氫量為17.6%（w），體積儲(chǔ)氫密度是液氫的1.5倍；合成氨工業(yè)已趨成熟。但是，液氨有強(qiáng)烈刺激性氣味，在運(yùn)輸和使用過(guò)程中需要特別注意對(duì)周邊環(huán)境的影響。在大規(guī)模集中管理時(shí)，因其刺激性氣味和高溶解度，發(fā)現(xiàn)泄漏后處理較容易。因此，液氨適于化工園區(qū)內(nèi)集中放氫的應(yīng)用場(chǎng)景，而分布式放氫的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)因其刺激性氣味大而增加管理成本[3]。

2.1.3 甲基環(huán)己烷

甲基環(huán)己烷屬于有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)的一種，具有較高儲(chǔ)氫密度，通過(guò)加氫、脫氫過(guò)程可實(shí)現(xiàn)有機(jī)液體的循環(huán)利用，成本相對(duì)較低。然而，有機(jī)液體儲(chǔ)氫也存在很多缺點(diǎn)：如需配備相應(yīng)的加氫、脫氫裝置，成本較高；脫氫反應(yīng)效率較低，且易發(fā)生副反應(yīng)，氫氣純度不高；脫氫反應(yīng)常在高溫下進(jìn)行，催化劑易結(jié)焦失活等[4]。

2.1.4 甲醇

甲醇儲(chǔ)氫是利用一氧化碳與氫氣在一定條件下反應(yīng)生成液體甲醇，作為氫能的載體進(jìn)行利用。在一定條件下，甲醇可分解得到氫氣，用于燃料電池，同時(shí)，甲醇還可直接用作燃料。為了推動(dòng)船舶碳減排的實(shí)施，丹麥馬士基航運(yùn)訂購(gòu)了12艘以綠色甲醇為燃料的集裝箱船并公布了綠色甲醇采購(gòu)方案。冰島的碳循環(huán)國(guó)際公司一直走在綠色發(fā)展的前列，該公司的工業(yè)化技術(shù)稱(chēng)為排放制液體（ETL）技術(shù)。同時(shí)，甲醇沒(méi)有刺激性氣味，儲(chǔ)存條件為常溫常壓，是一種較好的儲(chǔ)氫介質(zhì)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性比較

從氫的儲(chǔ)運(yùn)方式看，目前主流的儲(chǔ)運(yùn)方式主要包括高壓氣態(tài)、低溫液氫、液態(tài)氫載體儲(chǔ)運(yùn)和固態(tài)氫化物儲(chǔ)運(yùn)等方式。根據(jù)IHS Markit 對(duì)運(yùn)氫方式成本的比較，液氨儲(chǔ)氫與低溫液氫的運(yùn)輸成本相當(dāng)，優(yōu)于甲醇儲(chǔ)氫（見(jiàn)圖1）。通過(guò)牛津大學(xué)測(cè)算，液氨、甲醇和甲基環(huán)己烷遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本相當(dāng)，但是由于甲基環(huán)己烷運(yùn)輸氫氣體量很小，液氨和甲醇是未來(lái)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑ㄒ?jiàn)圖2）。

圖1 IHS 測(cè)算2018 年4 種氫氣運(yùn)輸成本對(duì)比

圖2 牛津大學(xué)測(cè)算4 種氫氣遠(yuǎn)距離輸送經(jīng)濟(jì)性比較數(shù)據(jù)來(lái)源：英國(guó)牛津大學(xué)[5]

3 綠氫跨國(guó)貿(mào)易經(jīng)濟(jì)性測(cè)算

3.1 中東至歐洲氫貿(mào)易測(cè)算

近年來(lái)，沙特新能源電價(jià)屢創(chuàng)新低，2021年6月，沙特600兆瓦的Al Shuaiba光伏項(xiàng)目以1.04美分/千瓦時(shí)的低價(jià)出售電能[6]。本文選取沙特Al Shuaiba 光伏項(xiàng)目發(fā)電價(jià)格作為基準(zhǔn)測(cè)算，利用大規(guī)模堿水制氫技術(shù)（規(guī)模2 萬(wàn)噸/年），合成氨規(guī)模10萬(wàn)噸/年，綠色合成氨成本0.33美元/千克（2 190 元/噸），基本與化石原料制氨成本接近。如表1 所示，根據(jù)全球氫能理事會(huì)模型數(shù)據(jù)，綠氫合成氨從沙特到荷蘭鹿特丹港，考慮歐盟進(jìn)口液氨關(guān)稅5.5%，綠氨到岸綜合價(jià)格為630～730美元/噸（4 095～4 745元人民幣/噸）。

表1 沙特制綠氨船運(yùn)至荷蘭鹿特丹港價(jià)格測(cè)算

隨著歐洲天然氣價(jià)格高企和歐洲碳配額價(jià)格的走高，2022年，歐洲氨氣價(jià)格約為910美元/噸，高于沙特綠氨到岸價(jià)（630～730 美元/噸）。初步判斷，如果按照光伏發(fā)電成本1.04美分/千瓦時(shí)建設(shè)光伏制綠氫轉(zhuǎn)換綠氨工廠，沙特綠氨運(yùn)往歐洲替代目前天然氣制氨具備經(jīng)濟(jì)性。但是該模型中，工廠的投資攤銷(xiāo)和運(yùn)費(fèi)數(shù)據(jù)不確定，使得綠氨成本偏低，即便進(jìn)口綠氨成本與歐盟本土合成氨價(jià)格持平，在大宗商品高企和歐盟碳價(jià)走高，并考慮歐盟碳邊境調(diào)解稅的情況下，從中東向歐盟出口綠氨未來(lái)也具有貿(mào)易機(jī)會(huì)。

3.2 我國(guó)綠色甲醇出口日本經(jīng)濟(jì)性測(cè)算

選取我國(guó)風(fēng)光資源較好的內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)建設(shè)風(fēng)光耦合發(fā)電制綠氫項(xiàng)目，以當(dāng)?shù)孛夯て髽I(yè)捕集的CO2作為原料，就地制備綠色甲醇，通過(guò)天津港出口至日本，再由日本加氫站站內(nèi)制氫變換為氫氣進(jìn)行加注。

該項(xiàng)目計(jì)劃在內(nèi)蒙古鄂爾多斯建設(shè)3萬(wàn)噸/年風(fēng)光耦合發(fā)電制綠氫裝置，并建設(shè)10 萬(wàn)噸/年甲醇工廠，需消耗CO2約14萬(wàn)噸/年。CO2來(lái)源于附近的煤化工項(xiàng)目碳捕集裝置，成本按100元/噸計(jì)算，運(yùn)輸半徑200 千米范圍內(nèi)封存，綠色甲醇生產(chǎn)成本3 418元/噸。鄂爾多斯到天津港運(yùn)輸距離約900千米，到岸綠色甲醇價(jià)格約4 868元/噸。在日本本土建設(shè)加氫站內(nèi)甲醇撬裝式制氫裝置（500標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)），在甲醇成本4 868元/噸情況下，綠氫成本約45元/千克（見(jiàn)表2）。目前，日本群馬高琦加氫站銷(xiāo)售價(jià)格為1 100日元/千克（約72元人民幣/千克），按此銷(xiāo)售價(jià)格測(cè)算，該項(xiàng)目毛利約27元/千克。

表2 內(nèi)蒙古制綠色甲醇船運(yùn)至日本制綠氫價(jià)格測(cè)算

初步判斷，該項(xiàng)目所制綠氫成本低于日本當(dāng)?shù)貧錃馐蹆r(jià)，具有一定的利潤(rùn)空間，具備初步的經(jīng)濟(jì)性。但是此模型中，工廠的投資攤銷(xiāo)和運(yùn)費(fèi)數(shù)據(jù)不是很確定，加氫站攤銷(xiāo)費(fèi)用沒(méi)有計(jì)算，使得綠氫成本偏低，遠(yuǎn)洋運(yùn)輸根據(jù)船型和貿(mào)易量不同價(jià)格也會(huì)有調(diào)整，但是該項(xiàng)目沒(méi)有考慮我國(guó)的碳惠收益和未來(lái)可能存在國(guó)際碳邊境稅利好的情況，因此，此方案未來(lái)具有貿(mào)易機(jī)會(huì)。

4 啟示與建議

一是依托重點(diǎn)港口打造“氫貿(mào)易產(chǎn)業(yè)鏈。我國(guó)可以發(fā)揮在化石原料制氫結(jié)合碳捕集、利用與封存（CCUS）方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)港區(qū)和相關(guān)企業(yè)合作，在港口附近打造以藍(lán)氫生產(chǎn)基地為核心的氫能產(chǎn)業(yè)鏈，利用港區(qū)的煤炭和天然氣生產(chǎn)氫氣，就近供應(yīng)港區(qū)作業(yè)車(chē)輛、公交和小型船舶，打造局部“無(wú)碳區(qū)”；同時(shí)可以考慮借助港口區(qū)位優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展對(duì)日韓的氫貿(mào)易。

二是依托氫能交易平臺(tái)構(gòu)建氫能貿(mào)易體系。2022年8月26日，上海市發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于支持中國(guó)（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，上海將探索建立氫交易平臺(tái)，支持國(guó)內(nèi)氫能龍頭企業(yè)、碳交易專(zhuān)業(yè)平臺(tái)機(jī)構(gòu)等在臨港新片區(qū)聯(lián)合設(shè)立統(tǒng)一、高效的氫能交易平臺(tái)，并逐步探索建設(shè)全國(guó)性氫交易所。從化石能源的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)看，市場(chǎng)化、金融化和國(guó)際化將成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟的重要標(biāo)志，建設(shè)匹配氫能產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展的交易平臺(tái)是必要條件。建議以交易平臺(tái)為中心，構(gòu)建制、儲(chǔ)、運(yùn)、貿(mào)的全產(chǎn)業(yè)鏈貿(mào)易體系和標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)提速發(fā)展。

三是適時(shí)布局綠氨、綠色甲醇等產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)氨燃料的試點(diǎn)示范及推廣應(yīng)用。目前重點(diǎn)應(yīng)該是大規(guī)模實(shí)施現(xiàn)有技術(shù)，而不是開(kāi)發(fā)新的突破性技術(shù)，因?yàn)榭稍偕眱r(jià)值鏈中的大多數(shù)副產(chǎn)物都已證實(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益。目前部署的重點(diǎn)應(yīng)在于提高氨合成工藝的靈活性、提高電解槽的性能、提高氨裂解裝置的性能以及降低當(dāng)前技術(shù)的成本。通過(guò)部署現(xiàn)有技術(shù)來(lái)創(chuàng)造短期市場(chǎng)，從而長(zhǎng)遠(yuǎn)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。