鄭賢玲

摘要：氫氣是無(wú)限資源，但也是區(qū)域成本差異很大的二次能源，不同的制取方式、不同的儲(chǔ)運(yùn)方式將使得氫氣成本有較大的差異性，未來(lái)不同的地區(qū)應(yīng)該根據(jù)自身的特點(diǎn)選擇不同的氣源和運(yùn)輸方式，來(lái)化解客觀存在的成本約束。

1、氫氣短缺導(dǎo)致運(yùn)行成本高企

去年10月，中國(guó)（佛山）國(guó)際氫能與燃料電池技術(shù)及產(chǎn)品展覽會(huì)期間，我的同事拉我去看一塊佛山市政府預(yù)備批給我們公司的一塊產(chǎn)業(yè)園用地，他把我?guī)У侥虾^(qū)一片空地旁邊的樓頂，一邊給我講解著土地的規(guī)劃，一邊指著不遠(yuǎn)處一片雜草地說(shuō)：“那邊是公交車站，那里停的都是氫燃料公交車，因?yàn)闆](méi)有氫氣，所以，這些幾百萬(wàn)一輛的車就停在這里。'這與樵山文化中心熱情洋溢的展覽與論壇很不相稱。

近期媒體開(kāi)始關(guān)注到佛山氣源短缺的問(wèn)題，記者爆出，由于距離佛山最近的副產(chǎn)氫東莞的巨正源公司制氫項(xiàng)目無(wú)法按期正常投運(yùn)，致使佛山上游氣體供應(yīng)跟不上下游車輛投放的需求。

佛山全市已開(kāi)通56條氫能公交線路，購(gòu)置上牌氫能公交車1000輛，而投運(yùn)的氫燃料電池汽車只有不到一半，其中物流車448輛，氫能客車3輛；建成加氫站24座，其中已投入運(yùn)營(yíng)17座。但在做大需求端的同時(shí)，供給端不足的矛盾日益凸顯，佛山的氫氣供應(yīng)非常吃緊，原本就比上海和山東更貴的價(jià)格在供不應(yīng)求的形勢(shì)下進(jìn)一步上竄：

“佛山大部分氫燃料電池汽車的加氫價(jià)格已經(jīng)由去年的70元/kg漲到80元/kg，使得這些車輛每消耗一公斤氫氣就虧損10元?！保淙剂想姵卣搲?/span>

這個(gè)價(jià)格比國(guó)家“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策要求的'氫能示范城市的氫氣價(jià)格在35元/kg以下'高出一倍以上。

對(duì)一輛常規(guī)的氫燃料電池物流車來(lái)說(shuō)，每跑百公里所耗氫量大約3kg，按照目前佛山氫氣80/kg的價(jià)格，每百公里成本約240元，這遠(yuǎn)高于柴油車在110元左右的成本，而且汽油車的百公里油耗成本通常不到柴油車的一半，這樣燃料電池車的市場(chǎng)化就存在很大的疑問(wèn)了。

2、無(wú)限資源獲取的有限條件

如果人類追溯到農(nóng)耕的時(shí)代，我們的祖先賴以生存的能源都來(lái)自大自然中的陽(yáng)光、空氣、水和火。即使往前推40年、50年，中國(guó)還有很多的農(nóng)村沒(méi)有通電，沒(méi)有洗衣機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇，也沒(méi)有汽車、拖拉機(jī)，我們家用的主要能源來(lái)自秸稈和木材，而陽(yáng)光、空氣、水是這個(gè)世界所有生命的能源保障。

能源，我們今天熟悉的能源，煤炭、石油、天然氣，這些高密度能源都是工業(yè)文明的產(chǎn)物，煤炭成就了蒸汽機(jī)和機(jī)械化、電氣化，石油天然氣成就了汽車、飛機(jī)、船舶等交通產(chǎn)業(yè)，但化石能源帶來(lái)了二氧化碳排放和空氣污染，也帶來(lái)了資源約束下的戰(zhàn)爭(zhēng)與博弈。

人類期待能夠回到?jīng)]有約束、沒(méi)有污染的無(wú)限供給的能源時(shí)代，致力于太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能源和氫能等可再生能源的研究，它們?nèi)≈槐M用之不竭。然而工業(yè)社會(huì)對(duì)能源的需求不僅是曬干衣服或是做幾條風(fēng)干魚(yú)，只有提高這些原始能源的密度才能滿足工業(yè)和交通的需求。

氫氣作為能源是補(bǔ)充可再生能源的不足，是世界上含量最多的元素。盡管氫充斥在我們生活的很多物質(zhì)中，但卻從來(lái)都無(wú)法單獨(dú)存在，因此，這種無(wú)限資源的獲取就受制于有限的條件：氫從哪里來(lái)？怎樣獲取獨(dú)立的氫氣？

氫對(duì)我們并不陌生，氫氣球、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、和航天都用到氫氣，獲取少量的氫氣并不是一件困難的事情，但如果將氫作為能源則需要大規(guī)模可提取氫氣的物質(zhì)，這包括化石能源中的煤、天然氣和工業(yè)排放的尾氣中含的氫氣，以及世界上最多的水。

但這些大規(guī)模的物質(zhì)依然是有條件的：

比如工業(yè)副產(chǎn)氫必須是現(xiàn)有的冶煉或化工廠，也就是說(shuō)上海、武漢、山東等重工業(yè)城市在工業(yè)副產(chǎn)氫上更具有優(yōu)勢(shì)。

而化石能源制氫則受制于煤炭、天然氣資源，就像日本用汶萊和澳洲的褐煤制氫一樣，依然是需要有資源，在國(guó)內(nèi)，內(nèi)蒙、山西更傾向用煤化工制取氫氣。

電解水制氫是初中生在實(shí)驗(yàn)室就要經(jīng)歷的最簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，但條件是電，通常，5度電生產(chǎn)1標(biāo)方氫氣，但只有光伏、風(fēng)電、水電、核電這些可再生能源制氫才能做到真正的環(huán)保。按照我國(guó)目前光伏裝機(jī)容量，10%不能上網(wǎng)的可再生能源若用于制氫，按6小時(shí)/天利用率，能耗55kWh/kgH2，可制氫1萬(wàn)噸/天，足夠?yàn)?0萬(wàn)輛重卡提供燃料。目前成渝地區(qū)的水電和西北地區(qū)的光伏成本更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

表1 氫氣的主要來(lái)源

根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，去年下半年，巨正源PDH副產(chǎn)氫停后，佛山氫氣緊張，業(yè)主采購(gòu)的渠道比較多。有原來(lái)的普萊克斯、液空、華特等，市場(chǎng)價(jià)到站大概40元/kg；本地甲醇制氫氣源到站46-50元/kg；補(bǔ)充的有新引進(jìn)距離遠(yuǎn)的市場(chǎng)價(jià)大約60-80元/kg之間；外地氣源甚至高達(dá)110-130元/kg。佛山平均氫氣價(jià)格達(dá)到70-80元/kg。而來(lái)自長(zhǎng)三角地區(qū)的氫氣到站價(jià)格只有30-35元/kg。

表2 國(guó)內(nèi)典型地區(qū)氫氣價(jià)格成本比較

資料來(lái)源：實(shí)地調(diào)研

佛山氫氣的短缺簡(jiǎn)單地歸咎于巨正源純化項(xiàng)目只是其中一個(gè)理由，主要原因還是由廣東省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和資源稟賦決定的，當(dāng)?shù)厝绻麤](méi)有豐富的副產(chǎn)氫、化石能源或是充足的可再生能源，就缺乏氫氣資源的成本優(yōu)勢(shì)。

從距離資源較遠(yuǎn)的城市開(kāi)始啟動(dòng)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的好處是會(huì)遇到更多的問(wèn)題，找出更多的解決方案；壞處則是遭遇更多的挫折，花費(fèi)更高的成本。

有人奇怪深圳這個(gè)創(chuàng)新精神很強(qiáng)的城市在氫能產(chǎn)業(yè)示范城市上不積極，認(rèn)為是比亞迪屏蔽了燃料電池產(chǎn)業(yè)，其實(shí)，以深圳的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和寸土寸金的城市規(guī)劃，現(xiàn)階段發(fā)展氫能不一定是一個(gè)好的時(shí)機(jī)。選擇距離氫氣生產(chǎn)地比較近的上海、山東、武漢、西南、西北等率先推廣燃料電池汽車試點(diǎn)的代價(jià)會(huì)小得多。

燃料電池技術(shù)在試用過(guò)程中日趨成熟，成本也將在規(guī)模化的過(guò)程中快速下降，但氣體的來(lái)源和成本將影響各城市燃料電池汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。一家燃料電池企業(yè)說(shuō)，他們每天用于測(cè)試的氫氣就有400公斤左右，如果氫氣成本相差10元/公斤，按照每月22個(gè)工作日計(jì)算每個(gè)月的測(cè)試費(fèi)就差88000元，如果應(yīng)用端每天每輛車加氫10公斤，每輛車每天的運(yùn)行成本就差100元，每個(gè)月就差3000元，如果1000輛車運(yùn)行每年就相差3600萬(wàn)元的成本。

03 儲(chǔ)運(yùn)成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵

自人類能源革命以來(lái)不僅遵從減碳加氫的發(fā)展規(guī)律，同時(shí)也是能源密度不斷提升的過(guò)程，這一過(guò)程伴隨著能源形態(tài)從固體到液體、再到氣體、甚至是沒(méi)有形態(tài)和體積的電。

能源從固體到液體再到氣體，能量的密度越來(lái)越高，碳的含量越來(lái)越低，氫氣的比例越來(lái)越高，儲(chǔ)運(yùn)的難度越來(lái)越大，石油的運(yùn)輸比煤炭更復(fù)雜，天然氣的運(yùn)輸又比石油的運(yùn)輸更復(fù)雜。

表3 能源的形態(tài)與運(yùn)輸方式

氣體的擴(kuò)散性決定了其管理的難度，儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的突破是氣體能源得以大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。

早在公元前2000年人類就發(fā)現(xiàn)了天然氣的存在，直到1890年，人類發(fā)明了防漏管線連接技術(shù)，天然氣的運(yùn)輸才取得了突破。管道運(yùn)輸和液化天然氣（LNG）技術(shù)的成熟是天然氣得以貿(mào)易和大規(guī)模利用的基礎(chǔ)，LNG是天然氣（甲烷CH4）在經(jīng)凈化及超低溫狀態(tài)下（-162℃、一個(gè)大氣壓）冷卻液化的產(chǎn)物。液化后的天然氣其體積大大減少，約為0℃、1個(gè)大氣壓時(shí)天然氣體積的1/600，也就是說(shuō)1立方米LNG氣化后可得600立方米天然氣。

1927年至1931年，美國(guó)建設(shè)了十幾條大型燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)。1914年天然氣液化技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，1942年美國(guó)的克利夫蘭建成了世界第一座工業(yè)規(guī)模的LNG生產(chǎn)裝置，1959年第一艘LNG運(yùn)輸船”甲烷先鋒號(hào)“實(shí)現(xiàn)首次跨海運(yùn)輸，到上世紀(jì)70年代天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)趨于成熟，90年代末期才開(kāi)始大規(guī)模發(fā)展。

除管道和液化長(zhǎng)距離運(yùn)輸以外，短距離運(yùn)輸還有壓縮天然氣，壓縮天然氣是在一定壓力下（如25MPa）儲(chǔ)存在高壓管輸車內(nèi)運(yùn)輸，并在高壓氣瓶?jī)?nèi)用作汽車燃料。

由于氫氣受制于三種制備來(lái)源，氫氣依然需要解決儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題，天然氣的高壓、液化和管道運(yùn)輸被復(fù)制到氫氣的儲(chǔ)運(yùn)。因?yàn)?/span>氫氣的重量更輕，氣體更加活躍，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)墓芾黼y度更高。目前，氫氣的運(yùn)輸方式比天然氣還要多。

（1)高壓儲(chǔ)運(yùn)

目前國(guó)內(nèi)用的高壓長(zhǎng)管拖車是20MPa，車載儲(chǔ)氫瓶是35MPa。氫氣的運(yùn)輸成本，100公里運(yùn)輸成本大約10元/kg。這個(gè)運(yùn)量在行業(yè)發(fā)展初期基本可以滿足工程測(cè)試的需求，但對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展的日本來(lái)說(shuō)，它們采用的是50MPa的管束車。

以目前的壓力和運(yùn)輸量，一輛管束車運(yùn)送的量只夠20輛商用車使用，如果批量生產(chǎn)，這樣的比例將給公路上增加大量的管束車，所以一定要增加管束車的壓力。

國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車主要有中集安瑞科、浙江藍(lán)能、新興能源裝備、遼寧眾邦能源裝備等企業(yè)。（見(jiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈：氫能儲(chǔ)存與運(yùn)輸裝備（上））

中集安瑞科長(zhǎng)管拖車的壓力增加到30MPa時(shí)，氫氣裝載量從20MPa的382公斤上升至625公斤，增加64%。余壓7MPa卸氣量增加93%；余壓5MPa時(shí)卸氣量增加82%；每公斤運(yùn)費(fèi)下降1.8倍；百公里運(yùn)輸成本從10元/kg下降至6元/kg。如果壓力進(jìn)一步上升，將進(jìn)一步降低運(yùn)輸成本。

（2）液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)

液態(tài)儲(chǔ)氫可以實(shí)現(xiàn)常壓下的運(yùn)輸，而且儲(chǔ)量比高壓氫高3-10倍，是一種長(zhǎng)距離高效安全的運(yùn)輸方式。

表4 不同運(yùn)輸方式的適應(yīng)范圍

數(shù)據(jù)來(lái)源：根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)整理

不過(guò)事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，氫氣液化的溫度比天然氣低了近100度，到零下253度，液化的耗電量非常大，而且對(duì)于透平設(shè)備和保溫材料的要求也非常高，否則運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)揮發(fā)損耗。所以，一般用在不計(jì)成本的航空航天領(lǐng)域，液氫用于民用的經(jīng)濟(jì)性需要對(duì)應(yīng)規(guī)模與距離。

因?yàn)槲覈?guó)用氫與產(chǎn)氫地區(qū)距離較遠(yuǎn)，尤其是可再生能源制氫的運(yùn)輸需要從西北地區(qū)輸送至華南、華東、華中等地區(qū)，所以，未來(lái)長(zhǎng)距離運(yùn)氫在所難免。

國(guó)內(nèi)投入液氫的企業(yè)航天101所、中科富海、國(guó)富氫能等都在推進(jìn)相關(guān)的液氫項(xiàng)目，而國(guó)內(nèi)天然氣液化裝備龍頭企業(yè)張家港圣達(dá)因（中集安瑞科旗下企業(yè)）則承擔(dān)了氫能液化裝備的國(guó)家863科研項(xiàng)目。

氫的液化是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，最早由英國(guó)的JamesDewar于1898年通過(guò)J－T節(jié)流實(shí)現(xiàn)，到1902年出現(xiàn)了Claude循環(huán)。只是因?yàn)槌杀靖?，氫能產(chǎn)業(yè)鏈沒(méi)有進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)。

但目前液氫也是國(guó)外推廣燃料電池的一種重要的儲(chǔ)運(yùn)方式，其中北美占了全球液氫產(chǎn)能總量的85%以上，美國(guó)本土已有15座以上的液氫工廠，液氫產(chǎn)能達(dá)326t/d，居于全球首位，加拿大還有80t/d的液氫產(chǎn)能也為美國(guó)所用，其中液氫產(chǎn)能的10%左右的液氫用于氫燃料電池的應(yīng)用。

不過(guò)燃料電池汽車還沒(méi)有進(jìn)入規(guī)模化應(yīng)用階段，液氫的成本是非常高的，美國(guó)最大的液氫工程每天產(chǎn)能不到70t/d，項(xiàng)目投資近5億美元，液氫每公斤生產(chǎn)成本5美元多。

而在日本千代田、德國(guó)Hydrogenious公司采用的另外一種液態(tài)儲(chǔ)氫方式是LOHC（液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫技術(shù)），其原理是借助某些烯烴、炔烴或芳香烴等儲(chǔ)氫劑和氫氣的一對(duì)可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)加氫和脫氫，質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度在5%-10%，儲(chǔ)氫量大，儲(chǔ)氫材料為液態(tài)有機(jī)物，可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓運(yùn)輸，方便安全。

（3）管道運(yùn)輸

在天然氣儲(chǔ)運(yùn)中，管道運(yùn)輸是國(guó)際貿(mào)易和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)闹饕溃?/span>可有效降低運(yùn)輸成本。管道輸送方式以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主。管道“摻氫”和“氫油同運(yùn)”技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大規(guī)模輸氫的重要環(huán)節(jié)。

全球管道輸氫起步已有80多年，美國(guó)、歐洲已分別建成2400km、1500km 的輸氫管道。我國(guó)已有多條輸氫管道在運(yùn)行，如中國(guó)石化洛陽(yáng)煉化濟(jì)源—洛陽(yáng)的氫氣輸送管道全長(zhǎng)為25km，年輸氣量為10.04萬(wàn)噸；烏海—銀川焦?fàn)t煤氣輸氣管線管道全長(zhǎng)為 216.4km，年輸氣量達(dá) 16.1×108m3 ，主要用于輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣。

表5 不同運(yùn)輸方式下的成本構(gòu)成