氫氣液化及輸送經(jīng)濟(jì)性分析

馬思瑤，邱瑞玲，趙文忠，李進(jìn)鋒

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

1 氫氣液化技術(shù)

液氫具有儲(chǔ)存方便、儲(chǔ)氫密度大、單位質(zhì)量熱值高等優(yōu)點(diǎn)，是氫能應(yīng)用的重要途徑。氫氣液化儲(chǔ)存是一種深冷的氫氣存儲(chǔ)技術(shù)，大致可分為利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)的簡(jiǎn)易林德法和在此基礎(chǔ)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[1]。簡(jiǎn)易林德法裝置簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，但其能耗高、效率低、技術(shù)相對(duì)落后，不適合大規(guī)模應(yīng)用；氦氣逆布雷頓法的氫氣液化系統(tǒng)復(fù)雜，能耗較高，在大型氫液化系統(tǒng)中尚未得到廣泛應(yīng)用[2]。與簡(jiǎn)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(chǔ)技術(shù)[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)制造難度、設(shè)備投資以及系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行液化循環(huán)技術(shù)的合理選擇。

2 氫氣液化經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 裝置規(guī)模是影響液氫經(jīng)濟(jì)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2.0 t/d以下，中型裝置產(chǎn)能為2.0～30.0 t/d，大型裝置為30.0 t/d以上。目前來看，簡(jiǎn)易林德法投資低，技術(shù)簡(jiǎn)單，多用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別；氦氣逆布雷頓法效率優(yōu)于簡(jiǎn)易林德法，一般用于5.0 t/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(yīng)，分別選取規(guī)模1.5 t/d、5.0 t/d、30.0 t/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(shù)，計(jì)算出3 種液氫裝置的液化費(fèi)用（見表1）。

表1 不同規(guī)模氫氣液化裝置液化費(fèi)用對(duì)比

從表1看出，液氫規(guī)模在1.5 t/d或5.0 t/d時(shí)，采用的是氦氣逆布雷頓法，液化費(fèi)用在53～58元/kg，成本較高，經(jīng)濟(jì)性較弱；當(dāng)液氫規(guī)模擴(kuò)大到30.0 t/d時(shí)，工藝技術(shù)改用氫氣克勞德法，液化費(fèi)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(jì)性的首要因素。

2.2 電力消耗是氫氣液化成本的重要構(gòu)成

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(guān)的制造費(fèi)用占比較大，主要通過技術(shù)和材料的進(jìn)步來降低項(xiàng)目投資，從而降低制造成本?？勺兂杀局凶钪饕某杀緸殡娏ο模档碗娏ο挠? 種方式：降低電量消耗和降低電力價(jià)格。

對(duì)不同規(guī)模液氫裝置成本構(gòu)成分析發(fā)現(xiàn)，裝置規(guī)模越大，外購(gòu)電費(fèi)占比越小。30.0 t/d液氫裝置的外購(gòu)電費(fèi)占總成本費(fèi)用的31%，而5.0 t/d 規(guī)模液氫裝置的外購(gòu)電費(fèi)成本占比高達(dá)45%，遠(yuǎn)超過折舊等費(fèi)用（見表2）。由此可得，電價(jià)成為氫氣液化過程中的關(guān)鍵影響因素，也是液氫項(xiàng)目規(guī)模效益的重要影響因素之一。

表2 不同規(guī)模液氫裝置成本費(fèi)用占比估算 %

進(jìn)一步分析不同電價(jià)下的氫氣液化成本。以30.0 t/d液氫裝置為例，當(dāng)電價(jià)為0.10元/kWh時(shí)，液化費(fèi)用為15.40元/kg；電價(jià)為0.30元/kWh，液化費(fèi)用上漲3.05元/kg，增至18.45元/kg；當(dāng)電價(jià)為0.56元/kWh，液化費(fèi)用上漲到22.41元/kg。表3為30.0 t/d液氫裝置在不同電價(jià)下的成本費(fèi)用占比分解。

表3 不同電價(jià)下30.0 t/d液氫裝置成本費(fèi)用占比估算 %

從表3 可以看出，隨著電價(jià)增加，外購(gòu)電成本占比越來越高。當(dāng)電價(jià)為0.10元/kWh時(shí)，外購(gòu)電成本占總成本比重僅為13%；當(dāng)電價(jià)為0.56元/kWh時(shí)，外購(gòu)電成本占比達(dá)46%。因此，液氫裝置更適合建設(shè)在電力資源豐富且電價(jià)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(jì)可節(jié)省氫氣液化能耗53.9%。以50.0 t/d液氫生產(chǎn)規(guī)模為例，與氮循環(huán)預(yù)冷流程相比，采用LNG與液氮聯(lián)合預(yù)冷工藝，可節(jié)省電量39.1×104kWh/d。依托LNG接收站，實(shí)現(xiàn)LNG冷能回收與氫預(yù)冷流程的深度耦合，是發(fā)展大規(guī)模氫液化技術(shù)的途徑之一?？稍谖覈?guó)風(fēng)光資源豐富的西部地區(qū)探索液氫與LNG耦合的應(yīng)用場(chǎng)景，將電解水轉(zhuǎn)化成氫能資源，通過長(zhǎng)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(shí)與LNG資源耦合制備液氫，實(shí)現(xiàn)氫氣的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

3 液氫的陸路運(yùn)輸成本分析

液氫槽車運(yùn)輸成本為高壓氫氣（20 MPa）罐車的12.5%～20.0%，在陸路長(zhǎng)距離規(guī)?；\(yùn)輸方面具有明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。且液氫加氫站占地面積小、運(yùn)營(yíng)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(guó)、日本等國(guó)家絕大多數(shù)新建加氫站均采用液氫技術(shù)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[4]。

3.1 液氫槽車和氣氫管道運(yùn)輸?shù)谋容^分析

液氫槽車的有效裝卸重量可達(dá)3 t，綜合考慮槽車排班、車輛油耗、車輛保險(xiǎn)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30.0 t/d（等同于液化氫氣1萬t/a）、距離氫源點(diǎn)356 km時(shí)，液氫槽車的運(yùn)氫費(fèi)用為1.39元/kg（不包括液化費(fèi)用）。

經(jīng)研究，目前管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益與氫氣運(yùn)輸規(guī)模息息相關(guān)，國(guó)內(nèi)國(guó)際存在的氫氣管道均為幾萬噸級(jí)或幾十萬噸級(jí)，規(guī)模越大，氫氣運(yùn)輸成本越低。因此，若管道運(yùn)輸規(guī)模為1萬t/a，采用長(zhǎng)輸管道并不具備經(jīng)濟(jì)性，固定投資費(fèi)用太大，氫氣輸送量少，按50 萬t/a 的長(zhǎng)輸管道、氫氣運(yùn)輸356 km計(jì)算，運(yùn)氫費(fèi)用為1.73元/kg。

當(dāng)液氫規(guī)模達(dá)到1 萬t/a 時(shí)，陸路運(yùn)輸?shù)膯挝贿\(yùn)氫成本（1.39 元/kg）低于50 萬t/a 的管道運(yùn)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(jìn)去，這樣比較有失公允。因此，真正比較2 種儲(chǔ)運(yùn)方式經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(dá)到管道運(yùn)輸?shù)臄?shù)量級(jí)，液氫槽車仍然在長(zhǎng)距離運(yùn)輸方面具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。管道運(yùn)輸在地點(diǎn)較為分散時(shí)需要配合其他交通工具，如高壓長(zhǎng)管拖車等，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)目的。

與運(yùn)輸356 km 相比，液氫運(yùn)輸2 000 km 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(cè)算出規(guī)模為30.0 t/d、距離氫源點(diǎn)2 000 km 時(shí)，液氫槽車運(yùn)氫成本為5.8元/kg，單位質(zhì)量運(yùn)氫成本較356 km（單位質(zhì)量成本1.39 元/kg，每100 km 為0.39 元/kg）運(yùn)輸距離時(shí)有所增加，但每100 km僅為0.35元/kg，由此可見，盡管運(yùn)輸距離增加，但液氫的單位距離運(yùn)輸成本仍維持在較低水平。

3.2 液氫槽車和氣氫槽車運(yùn)輸?shù)谋容^分析

根據(jù)某供氫中心向1.5 t/d、110 km加氫站輸送氫氣的數(shù)據(jù)測(cè)算，比較氣氫（22 MPa）槽車與液氫槽車的經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)輸效率（見表4）。

表4 氣氫槽車與液氫槽車運(yùn)輸方式經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

根據(jù)上述測(cè)算，高壓氣態(tài)長(zhǎng)管拖車具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但是需消耗更多的車次、時(shí)間和人工時(shí)。而液氫雖然在液化部分價(jià)格較貴，但槽車運(yùn)輸方面具有明顯效率和人工、空間優(yōu)勢(shì)（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(yùn)氫價(jià)格遠(yuǎn)低于氣氫槽車，但是由于目前氫氣液化單價(jià)較高，導(dǎo)致液化成本疊加起來接近60元/kg，遠(yuǎn)高于氣氫運(yùn)輸價(jià)格5 元/kg。因此在城市，用液氫運(yùn)輸比氣態(tài)槽車運(yùn)輸成本高，這也是液氫目前不能快速普及的原因。

4 液氫在交通用氫領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性分析

隨著裝置規(guī)模增加、單位電價(jià)降低，氫氣液化費(fèi)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(yùn)輸性仍可能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 液氫與氣氫終端價(jià)格計(jì)算

4.1.1 全產(chǎn)業(yè)鏈：低電價(jià)遠(yuǎn)距離液氫用于交通用氫價(jià)格

液化氫氣價(jià)格即液態(tài)加氫站加氫槍出口的氫氣價(jià)格，是氫氣出廠價(jià)（制氫裝置產(chǎn)出的氫氣價(jià)格）、液化費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、液氫加氫站費(fèi)用（液氫經(jīng)過液氫加氫站加注到燃料電池車上的費(fèi)用）的總和。

以從2 000 km外電力資源豐富的西部地區(qū)獲得廉價(jià)的氫氣，液化后經(jīng)由槽車運(yùn)輸?shù)綎|部地區(qū)液氫加氫站為例，計(jì)算液氫加氫站出站價(jià)格，與東部地區(qū)氣態(tài)加氫站出站價(jià)格進(jìn)行比較。西部地區(qū)較為低廉的氫氣出廠價(jià)為15元/kg，按較便宜的電價(jià)0.3元/kWh計(jì)，可得液化費(fèi)用為18.45元/kg，運(yùn)輸費(fèi)用為5.8 元/kg。液氫加氫站費(fèi)用參考國(guó)外液氫加氫站，其成本是氣氫的50%[5]，調(diào)研得到國(guó)內(nèi)某加氫站費(fèi)用為20 元/kg，按照50%考慮，判斷液氫加氫站費(fèi)用為10 元/kg。最終得到液化氫氣價(jià)格為49.25元/kg，如果距離調(diào)整為356 km處的加氫站，則液化氫氣價(jià)格為44.80 元/kg（運(yùn)輸費(fèi)用為1.35 元/kg，其他不變）。從交通用氫的角度，液氫輻射范圍2 000 km內(nèi)，氫氣出站價(jià)格可以控制在50元/kg以內(nèi)。

4.1.2 全產(chǎn)業(yè)鏈：氣氫用于交通領(lǐng)域價(jià)格

對(duì)于氣氫輸送而言，考慮目前氣態(tài)槽車運(yùn)輸能力（每100 km 運(yùn)費(fèi)5元/kg），并不適合長(zhǎng)距離跨多區(qū)域運(yùn)輸。另外，氫氣從出廠經(jīng)過加壓、氣態(tài)運(yùn)輸?shù)郊託湔?，成本不斷攀升?/p>

假設(shè)向運(yùn)輸半徑100 km以內(nèi)的某東部城市內(nèi)部運(yùn)輸氣態(tài)氫氣，氫氣源頭來自附近煉化企業(yè)，計(jì)算氣態(tài)氫氣價(jià)格，即氣態(tài)氫氣加氫槍出口時(shí)價(jià)格。目前來看，城市加氫站的氣態(tài)氫氣價(jià)格為氫氣出廠價(jià)（加壓至20 MPa，為30元/kg）、運(yùn)輸費(fèi)用（5元/kg）、加氫站費(fèi)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(biāo)市場(chǎng)，即東部發(fā)達(dá)用氫區(qū)域作為目標(biāo)，比較液氫和氣氫加氫槍出口的氫氣價(jià)格?？梢钥闯?，當(dāng)氫氣在2 000 km以外以低電價(jià)進(jìn)行液化，運(yùn)輸加注后價(jià)格僅49.25 元/kg，略低于東部城市當(dāng)?shù)貧鈿鋬r(jià)格55 元/kg；如果距離是356 km，液氫價(jià)格只需要44.80元/kg，價(jià)格優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步加大。因此，在長(zhǎng)距離運(yùn)輸、氫氣液化地電價(jià)低廉的條件下，液氫具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，來自低電價(jià)區(qū)域的液氫價(jià)格顯著低于目前市場(chǎng)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(yùn)輸、液氫加氫站可以實(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。未來我國(guó)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(zhǔn)備。

6 結(jié)語

液氫具有較強(qiáng)的靈活性和良好的運(yùn)輸成本優(yōu)勢(shì)，其大型化、規(guī)?；l(fā)展是未來氫能發(fā)展的重要方向。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，氫氣液化的瓶頸在于能耗（電耗），應(yīng)通過多種方式的耦合，降低氫氣液化的能耗（電耗）或價(jià)格。在產(chǎn)業(yè)規(guī)劃或者項(xiàng)目策劃時(shí)，應(yīng)從源頭到終端規(guī)劃液氫發(fā)展，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性方案比選，在液氫裝置關(guān)鍵設(shè)備（氫透平膨脹機(jī)、真空冷箱、液氫儲(chǔ)備設(shè)備）的大型化技術(shù)上加大研發(fā)力度，以推動(dòng)液氫技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展，為氫能儲(chǔ)運(yùn)提供更為高效的路徑。