中国氢能源产储、储运及加氢站发展趋势分析[图]

    一、氢气产储

    氢能源是氢燃料电池汽车的核心动力来源，其生产方案较多，主要有：1）化石燃料制氢：天然气制氢、煤炭制氢等；2）富氢气体制氢：合成氨生产尾气制氢、炼油厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气回收氢等；3）甲醇制氢：甲醇分解制氢、甲醇水蒸气重整制氢、甲醇部分氧化制氢、甲醇转化制氢；4）水解制氢：电解水、碱性电解、聚合电解质薄膜电解、高温电解、光电解、生物光解、热化学水解；5）生物制氢：生物质通过气化和微生物催化脱氢制氢。

    目前全球主要制氢方法来源于化石燃料（66%）和甲醇重整（30%），电解水成本较高，仅4%氢气来源于电解水。国内方面，我国氢气主要来源于焦炉煤气（66%）、氯碱工业副产氢、天然气、甲醇、液氨重整。焦炉煤气中含硫量较高，会引起催化剂中毒从而减少电堆寿命，加装脱硫装置会大幅增加系统成本，因此目前氢燃料电池的氢气主要来源于氯碱工业副产氢。但是长期来看，随着可再生能源在我国发电占比逐渐升高，且新能源电力成本持续降低后，低成本高纯度氢气依然来源于电解水。

    目前我国氯碱副产氢产能约76万吨/年，完全满足目前氢燃料电池汽车需求，叠加天然气、甲醇、液氨裂解的氢气产能，合计278万吨/年，可供68万辆氢燃料电池汽车使用，其中氯碱副产氢即可供应19万辆汽车的氢气需求，因此短期内氯碱副产氢完全满足氢气用量。

2014-2020年氢气需汽车产量及预测

数据来源：公开资料整理

2014-2020年氢气需求量及预测

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    随着未来氢燃料电池汽车的快速增长，远期氢气供应依然不足，我们认为电解水制氢有望成为未来氢气生产的主要来源。电解水制氢目前唯一缺点是耗电量大导致成本过高，约在2.5~3.5元/Nm3之间，而氯碱副产氢氢气成本仅1.3~1.5元/Nm3。电解水制氢成本来源主要是电耗，能耗水平约为4.5~5.5kwh/Nm3，能效在72%~82%之间，成本相当于30~40元/kg，用电解法生产气态氢的价格比汽油约高65%，如果生产液态氢，则比汽油高约260%以上。

制氢方法成本比较（元/Nm3）

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    我国电力装机及消费结构转型，可再生能源高速增长，光伏风电占比逐渐扩大，低成本可再生能源将逐渐成为我国电力消费结构的重要来源：1）2019年光伏风电已经开始进入平价时代，部分风电光伏项目已经满足平价要求，未来有望进一步降本，从而产生大量低成本低价可再生电力；2）近年来，降低弃风弃光率是国家发展新能源的重要目标之一，2018年弃光弃风率分别为3%和7%，另外弃水率为5%，合计浪费可再生能源909.45亿度电，对应可产生氢气617万吨，是目前氢气产能的一倍，若将这一部分浪费的资源用于电解制氢，可产生边际成本极低的氢能源。

    二、氢气储运

    氢气使用和生产地域的不匹配造成了储运问题。相对生产环节，氢气储运问题相对更大：我国氢气输运技术仍不足，存储和运输企业较少，产业化水平低。氢气生产后的储存方式与车载储氢方式基本相同，均为高压气态、低温液态和固态储氢，加氢站的气源也多采用外供高压气氢。

氢气储运产业结构

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    储运气瓶与车载气瓶的差别在于压力不同：储运气瓶的压力高于车载氢气瓶。当为燃料电池汽车加注时，以站内储氢瓶和车载瓶之间的压差为驱动力，高压气态氢气由站内向车载储气瓶不断加注，直到目标加注质量或者压力则加注完毕。目前加氢站目标加注压力多为35MPa，站内储气压力为40~45MPa。为了满足更长续驶里程的需求，70MPa的加氢站成为未来发展趋势，其储气瓶压力需要达到80~90MPa，因此储运气瓶需要承担更大的压力，对强度和材质要求相对更高。

    液氢储存问题与车载储氢瓶相同。利用低温铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大的输氢量，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低温绝热槽罐，其储存液氢的容量可达100m3。特殊大容量的铁路槽车甚至可运输120~200m3的液氢。液化氢气所需能耗将近氢气本身的40%，且需要保持低温，在101千帕压强下，温度-252.87℃时，氢气才可转变成无色的液体，导致储氢罐内外温差较大，因此其储存的容器及输液管道都带有高度的绝热性能。

    固态储氢材料是未来氢气储存与运输的重要研究方向，包括物理吸附与金属或非金属氢化物储氢三个方向，目前都处于研究或者小规模实验状态。

不同储氢方式经济性比较（美元/GJ）

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    针对氢气的储存方式，氢气运输方式主要是三种：气氢拖车、气氢管道、液氢灌车。总体来说，300公里以下的短距离运输，液氢管道运输成本和气氢拖车拥有成本优势，400公里以上的长距离运输则液氢罐车更具优势。

    1） 气氢拖车

    由于高压储氢瓶中氢气质量约占储氢瓶总质量的5%，因此运输气氢拖车运输效率非常低，在运输300公里左右时成本为7000元/吨。其成本主要包括：拖车折旧费、维护保养费、氢气压缩耗电、人员工资及运输油耗等。目前国内集装管束拖车的价格约100万/台，使用年限10年。每辆拖车配备司机两名，每人每年工资及福利费共15万。拖车满载氢气可达460kg，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，两端装卸时间约5小时，年有效工作时间为4500小时，氢气压缩过程耗电1kwh/kg。

气氢拖车单位氢气运输成本（元/吨公里）

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    2） 液氢罐车

    液氢罐车的运输成本结构与气氢拖车类似，只是增加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45万/辆，每次装载液氢约4300kg，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11kwh/kg。槽罐车充卸一次约耗时6.5小时。

液氢罐车单位氢气运输成本（元/吨公里）

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    3） 气氢管道

    管道输送的年运输能力取决于设计能力，而与运输距离基本无关。目前，氢气管道使用的直径都不大(多数直径d＜200mm)，输氢压力不高(p＜7MPa)，管道输送距离并不很长(最长的为208km)，故中间不设氢气加压站。按照φ502mm的管道计算，年输送能力为10.04万吨。管道运输的吨公里成本受运能利用率的显著影响，随着运能利用率的下降，单位运输成本大幅度提升，在利用率提升到40%以上之后运输成本的变化幅度减缓。

    三、加氢站

    目前的加氢站主要集中在欧美和日本，采用的燃料形式主要分为液氢和压缩气体氢气。多数氢气加注需要利用高压氢气为原料，即压缩氢气的加氢站。此类加氢站主要包括气体输送和在站制氢两种。在站制氢主要有两种方式：天然气水蒸气重整和水电解制氢。目前国外已有的加氢站主要以水电解制氢为主，少部分采用天然气水蒸气重整制氢。各种制氢工艺中，以天然气现场制氢的经济性最好，电解水制氢次之。考虑到燃料电池汽车对氢气质量的苛刻的要求，目前国外已有的加氢站主要以水电解制氢为主。

2018年末各国建设中加氢站数量统计

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    2018年底，我国已建成或在运营的加氢站有26座，前80%的加氢站集中在广东、上海、江苏、湖北、辽宁五个省份地区。加氢站投资主体主要是：1）政府投资、或国资能源企业：神华集团、中石化、地方国资委等；2）汽车厂商：上汽、东风特汽、丰田汽车、宇通、中通、奥新汽车、西安新青年、佛汽运输等；3）燃料电池或系统企业：新源动力、广东国鸿、亿华通、上海神力、爱德曼、明天氢能、大洋电机、武汉氢雄等；4）交通物流运营商：氢车熟路、上海驿动、国能联盛、国能联盛、国联氢能、新宾沐与康等；5）加氢站建设运营企业：上海舜华、北京海德利森科技、氢枫能源、北京派瑞华氢等；6）加氢站设备集成供应商：北京海德利森科技、富瑞氢能、厚普股份等；7）气体公司：上海浦江特种气体、南海燃气、四川燃气、林德、空气化工、顺德兴顺燃气、华昌化工、滨化集团、广东联悦氢能等。

2018年末我国在建及在运营加氢站地域分布

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    中国单座加氢站投资规模为1200~1800万元，500kg/d供氢能力加氢站的单站投资规模约为1510万元，欧洲同等量级的加氢站所需成本约800~1000万元。主要因为1）国内加氢站的核心设备来自国外，设备价格占加氢站总价格的55%~65%；2）产业前期，为了保障加氢站的安全，国内加氢站的占地面积大；3）中国加氢站建设数量少，相关法规、加氢站建设运营管理办法等还未有明确、正规的流程，加氢站的设计、审批、建设等周期较长，人力物力成本较高。

200kg日加氢能力加氢站成本分布

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我国氢能产业基础设施技术发展路线

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    相关报告：智研咨询发布的《2019-2025年中国氢能源行业市场前景分析及发展趋势预测报告》