氢气的运输方式有几种？

目前氢气的主要运输手段有三种，即高压气氢运输、液氢运输和管道输氢，其中高压气 氢运输是当前广泛使用的运输方式。

1.高压气氢运输：目前最为主流的运氢方式

气态的氢能通常进行加压后储存在压力容器中，再通过集装格、长管拖车运输，该技术 相对成熟，是加氢站使用的主要运氢方式，但存在效率低下、成本较高的问题，比较适 用于近距离、小体量运氢场景。其中，集装格由多个水容积为 40L 的高压氢气钢瓶组成， 压力通常为 15MPa，在少量的灵活运输方面具有优势。长管拖车使用的储氢容器则通常 是压力为 20MPa 左右的无缝钢瓶，储氢量可以达到 3500Nm3。但由于氢气密度小，储氢容器自重大，所以长管拖车所运氢气的质量只占总质量的 1%~2%，国内常见的单车运氢 量约为 260~460kg，未来通过提高压力有望进一步提升运氢能力。另外氢气瓶卸车时间较 长，需要约 2~6 小时，效率较低。具体流程包括经压缩机压缩、装气柱、卸气柱，经减 压并入氢气管网等。

我们测算，20Mpa 长管拖车运氢成本在运输距离为 100km 时为 6.65 元/kg，50MPa 的长 管拖车在运输距离为 100km 时为 3.19 元/kg，高压运氢的成本优势明显。核心假设如下： (1)20MPa 的长管拖车满载氢气质量 350kg，管束中氢气残余率 20%；(2)氢源距离加氢站 100km，加氢站每天用氢 500kg；(3)拖车百公里耗油量 25L，柴油价格 7.5 元/L；（4）拖 车每天工作 15 小时，平均时速为 50km/h，拖车装、卸氢均需 5 小时；(5)每台车拖车车 头和管束共 70 万元，10 年折旧，折旧方式均为直线法；(6)每车配 1 名司机和 1 名装卸 操作员，人员费用 10 万元/人·年，车辆保险费用 1 万元/车·年，保养费用 0.3 元/km，过 路费 0.6 元/km；(7)每次氢气压缩过程耗电 1kWh/kg，电价 0.6 元/kWh；(8)运氢毛利 15%。 为了在拖车的工作时限内将足够量的氢气运至加氢站，以满足其要求，可以计算出所需 长管拖车的数量为 2 台。这样一来，可测算出 20MPa 的长管拖车在运输距离为 100km 时 为 6.65 元/kg。若把容器罐压力提高到 50Mpa，使其可运载 1200kg 氢气，则仅需一台长 管拖车便可满足加氢站的氢气需求，同理，可测算出 50MPa 的长管拖车在运输距离为 100km 时为 3.19 元/kg。50MPa 的长管拖车在相同设定下比 20MPa 的长管拖车成本下降 了 52.03%，因此从经济性角度出发，加大钢瓶储氢压力能较大地降低成本，是未来高压 气氢运输的发展方向。

从成本构成来看，人工费用和油费是最主要的组成部分。对于 20Mpa 长管拖车来说，人 工费用和油费占总成本的比重达到 62.48%，而对于 50Mpa 长管拖车来说，人工费用和油 费占总成本的 54.98%，电费在总成本中的占比高于油费。由于长管拖车运氢量增加，所 需的长管拖车量数减少，这在很大程度上减少了人工费用和油费，另外折旧费用也从 0.77 元/kg 减少到 0.38 元/kg。因此，长管拖车的数量是影响运氢成本的重要因素，可以通过 减小运氢距离或加大储氢容器压力来减少所需长管拖车数量。

2.液氢运输：国外技术较为成熟，国内尚未商业化使用

液氢运输提高了氢气的能量密度，效率较高，但制取液氢能耗较大，运输过程存在一定 蒸发损失，对设备、工艺、能源的要求更高，目前国内仅用于航天及军事领域。液氢运 输主要是指将气态氢降温至 21K 液化，再通过 0.6MPa 的专用低温绝热槽罐进行运输的 方法，为了保证液氢储存的密封性和隔热性，其中液氢储罐由特殊材料和工艺制成。由 于液氢的密度达 71g/L，所以 65m3 的液氢槽罐车每次可容纳约 4000kg 的氢气，是长管拖 车每次运氢量的 10 倍以上。国外加氢站采用槽车液氢运输的方式要略多于气态氢气的运 输方式，但从国内情况来看液氢在短期内还无法成为运氢的主要手段，一是由于我国的 液氢关键设备（如透平膨胀机、3000m3 以上大型液氢储罐、液氢泵等）与发达国家差距 较大，很大程度上依然依赖进口；二是由于液氢运输相应的法律法规不完善，导致液氢 运输审批困难，限制了液氢罐车在民用领域的应用。

液氢适合远距离、大体量运输场景，可以利用铁路和轮船进行长距离或跨洲际输送。深 冷铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大的输氢量要求又比较快速、经济的运氢 方法。这种铁路槽车常用水平放置的圆筒形杜瓦槽罐，其储存液氢的容量可达 100m3，特 殊的更大容量的铁路槽车甚至可以运输 120～200m3 的液氢，在国际上，俄罗斯的液氢储 罐容量跨度可达到 25~1437m3。但目前仅有非常少量的氢气采用铁路运输，仅在国外有 非常少量的氢气铁路运输路线。总的来说，若液氢液化、运输过程中的损耗问题未来得 到解决，液氢运输在中远距离的输氢将有较大前景。 我们测算，从成本来看，考虑液氢的蒸发损耗后其运输成本在运输距离为 100km 时为 24.05 元/kg，在长距离运输场景具备优势。核心假设如下：(1)65m3 的液氢槽罐车满载氢 气质量 4000kg；(2)氢源距离加氢站 100km，加氢站每天用氢 500kg；(3)液氢槽罐车百公 里耗油量 25L，柴油价格 7.5 元/L；（4）槽罐车每天工作 15 小时，平均时速为 50km/h， 拖车装、卸氢均需 6.5 小时，损耗氢气成本 11.1 元/kg；(5)液氢槽罐车价格约为 45 万元/ 辆，10 年折旧，折旧方式均为直线法；(6)每车配 1 名司机和 1 名装卸操作员，人员费用 10 万元/人·年，车辆保险费用 1 万元/车·年，保养费用 0.3 元/km，过路费 0.6 元/km；(7) 每次氢气压缩过程耗电 11kWh/kg，电价 0.6 元/kWh；(8)运氢毛利 20%。因此可以测算出 对于用氢量 500kg/天，距离氢源 100km 的加氢站来说，使用液氢运输的价格为 24.05 元 /kg。从成本构成可以看到，氢气在液化、运输过程中的损耗占总成本的比重较大，达到 57.70%，因此降低液氢损耗是未来亟需解决的问题。另外，与距离呈正相关的油费、路 费等占比并不大，因此液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。

3.管道输氢：前期投资大，适用于远距离、大规模输氢

氢气管道可分为长距离输送管道和短距离配送管道，具有投资大、能耗低的特点。长输 管道输氢压力较高，管道直径较大，主要用于制氢单元与氢气站之间的高压氢气的长距 离、大规模输送；配送管道输氢压力较低，管道直径较小，主要用于氢气站与各个用户 之间的中低压氢气的配送。氢气输送管道投资成本高，主要成本为路权，另外由于锰钢、 镍钢以及其它高强度钢长期暴露在氢气中，尤其在高温高压下，强度会大大降低甚至导 致失效，产生“氢脆”现象，所以目前氢气长输管道的造价为 63 万美元/公里左右，约为天 然气管道造价的 2.5 倍。由于氢气在低压状态下运输，因此能耗相比高压运氢更低，并且 运营成本也相对较低，使用寿命可达 40-80 年。

我国氢气管道总里程数与国外有较大差距，大规模的氢气管道运输目前在我国仍未形成。 据统计，全球范围内氢气输送管道总里程已超过 4600km，其中，美国氢气管道规模最大， 总里程达到 2720km，它拥有位于墨西哥沿岸的全球最大氢气输运管网，全长 965km，输 氢量达 150 万 Nm3 /h。相比之下，我国氢气管道网络的建设较为滞后，现有氢气输送管 道总里程仅约 400km，其中自主建设的典型输氢管道有 2 条，分别是 2014 年建成投产的 巴陵石化的巴陵－长岭输氢管道，与 2015 年建成投产的中国石化洛阳分公司的济源－洛 阳输氢管道。2021 年，中国石油天然气管道工程有限公司中标河北定州至高碑店氢气长 输管道可行性研究项目，管道全长约 145 公里，是国内目前规划建设的最长氢气管道， 设计输量 10 万吨/年，同时还将在河北保定附近预留分支节点建立氢气母站，用于兼顾 河北雄安新区市场需求。据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》预计，到 2030 年，我国将建成 3000 公里以上的氢气长输管道。

利用现有的天然气管网混氢运输可大幅降低氢气输送成本，减少开发新的输配基础设施 的投资，具有一定前景。由于氢气长输管道昂贵的建设成本，利用现存天然气管道输送 氢气与天然气混合气或将天然气管道改造为氢气管道的技术受到了研究人员广泛的关注。 天然气和氢气同属气体能量载体，在物理性质方面具有一定的相似性，天然气的压缩、 储存、管输、燃烧设施等基础设施也对氢气有一定的适应性，所以该技术在理论上具有 可行性。但是天然气与氢气物性又有很多不同，使得这些基础设施对氢气的适应具有一 定的范围，目前来看，运氢管道直径和设计压力均小于天然气管道，因此合理、安全的 掺氢比例范围需审慎评估并确定。

目前来看，研究表明如果将掺混入天然气的氢气含量控制在 15%~20%以内，可以直接 利用现有天然气管道输送，意大利、英国等已有类似示范项目。天然气管道掺入氢气后 不仅会带来管道材料的氢脆、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀等风险，也会对管道的输气能力有 影响。安全掺氢比例既取决于管道材质，又取决于终端应用方式。一般来说，聚乙烯内 衬管道可输送 100%的氢气，而普通管道可掺氢 20%；欧洲燃气加热和烹饪器具可适用于 23%掺氢燃气，而燃气轮机仅能承受 5%以下的掺氢比例。如果掺氢技术研发成功，并能 解决氢气与天然气管道相容性问题，我国西部地区便可利用丰富的光伏和风能资源制氢， 并充分利用现有西气东输管道等天然气主干管道和庞大的支线网络向东部地区远距离输 氢，大大降低国内运氢成本。

我们测算，对于长度 25km、年输送能力 10.04 万吨的氢气管道来说，运氢价格为 0.80 元 /kg。管道氢气运输的成本主要包括管道建设费用折旧与摊销、运行和维护费用（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。根据我国“济源-洛阳”氢气 输送管道项目进行测算，它全长 25km，年输送氢气能力为 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 10%计算，据 统计氢气管道在满载输送过程中损耗为 1252kg/km 年，另外假设氢气压缩过程耗电 1kWh/kg，电价为 0.6 元/kWh。这样算出该项目合计成本为 0.68 元/kg，在毛利率为 15% 时运输价格为 0.80 元/kg。该成本相对于长管拖车与液氢槽车运输具有很大的优势，尤其 是当氢能需求达到一定规模时前景光明。