鄭賢玲

摘要：氫氣是無限資源，但也是區域成本差異很大的二次能源，不同的製取方式、不同的儲運方式將使得氫氣成本有較大的差異性，未來不同的地區應該根據自身的特點選擇不同的氣源和運輸方式，來化解客觀存在的成本約束。

1、氫氣短缺導致執行成本高企

去年10月，中國（佛山）國際氫能與燃料電池技術及產品展覽會期間，我的同事拉我去看一塊佛山市政府預備批給我們公司的一塊產業園用地，他把我帶到南海區一片空地旁邊的樓頂，一邊給我講解著土地的規劃，一邊指著不遠處一片雜草地說：“那邊是公交車站，那裡停的都是氫燃料公交車，因為沒有氫氣，所以，這些幾百萬一輛的車就停在這裡。"這與樵山文化中心熱情洋溢的展覽與論壇很不相稱。

佛山全市已開通56條氫能公交線路，購置上牌氫能公交車1000輛，而投運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，其中已投入運營17座。但在做大需求端的同時，供給端不足的矛盾日益凸顯，佛山的氫氣供應非常吃緊，原本就比上海和山東更貴的價格在供不應求的形勢下進一步上竄：

“佛山大部分氫燃料電池汽車的加氫價格已經由去年的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。”（氫燃料電池論壇）

這個價格比國家“以獎代補”政策要求的"氫能示範城市的氫氣價格在35元/kg以下"高出一倍以上。

對一輛常規的氫燃料電池物流車來說，每跑百公里所耗氫量大約3kg，按照目前佛山氫氣80/kg的價格，每百公里成本約240元，這遠高於柴油車在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化就存在很大的疑問了。

2、無限資源獲取的有限條件

如果人類追溯到農耕的時代，我們的祖先賴以生存的能源都來自大自然中的陽光、空氣、水和火。即使往前推40年、50年，中國還有很多的農村沒有通電，沒有洗衣機、電冰箱、電風扇，也沒有汽車、拖拉機，我們家用的主要能源來自秸稈和木材，而陽光、空氣、水是這個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文明的產物，煤炭成就了蒸汽機和機械化、電氣化，石油天然氣成就了汽車、飛機、船舶等交通產業，但化石能源帶來了二氧化碳排放和空氣汙染，也帶來了資源約束下的戰爭與博弈。

人類期待能夠回到沒有約束、沒有汙染的無限供給的能源時代，致力於太陽能、風能、生物質能源和氫能等可再生能源的研究，它們取之不盡用之不竭。然而工業社會對能源的需求不僅是曬乾衣服或是做幾條風乾魚，只有提高這些原始能源的密度才能滿足工業和交通的需求。

氫氣作為能源是補充可再生能源的不足，是世界上含量最多的元素。儘管氫充斥在我們生活的很多物質中，但卻從來都無法單獨存在，因此，這種無限資源的獲取就受制於有限的條件：氫從哪裡來？怎樣獲取獨立的氫氣？

氫對我們並不陌生，氫氣球、醫學、工業、和航天都用到氫氣，獲取少量的氫氣並不是一件困難的事情，但如果將氫作為能源則需要大規模可提取氫氣的物質，這包括化石能源中的煤、天然氣和工業排放的尾氣中含的氫氣，以及世界上最多的水。

但這些大規模的物質依然是有條件的：

比如工業副產氫必須是現有的冶煉或化工廠，也就是說上海、武漢、山東等重工業城市在工業副產氫上更具有優勢。

而化石能源制氫則受制於煤炭、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，在國內，內蒙、山西更傾向用煤化工製取氫氣。

電解水制氫是初中生在實驗室就要經歷的最簡單的化學反應，但條件是電，通常，5度電生產1標方氫氣，但只有光伏、風電、水電、核電這些可再生能源制氫才能做到真正的環保。按照我國目前光伏裝機容量，10%不能上網的可再生能源若用於制氫，按6小時/天利用率，能耗55kWh/kgH2，可制氫1萬噸/天，足夠為30萬輛重卡提供燃料。目前成渝地區的水電和西北地區的光伏成本更具有競爭優勢。

表2 國內典型地區氫氣價格成本比較

佛山氫氣的短缺簡單地歸咎於巨正源純化專案只是其中一個理由，主要原因還是由廣東省的產業結構和資源稟賦決定的，當地如果沒有豐富的副產氫、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勢。

從距離資源較遠的城市開始啟動燃料電池汽車產業的好處是會遇到更多的問題，找出更多的解決方案；壞處則是遭遇更多的挫折，花費更高的成本。

有人奇怪深圳這個創新精神很強的城市在氫能產業示範城市上不積極，認為是比亞迪遮蔽了燃料電池產業，其實，以深圳的產業結構和寸土寸金的城市規劃，現階段發展氫能不一定是一個好的時機。選擇距離氫氣生產地比較近的上海、山東、武漢、西南、西北等率先推廣燃料電池汽車試點的代價會小得多。

燃料電池技術在試用過程中日趨成熟，成本也將在規模化的過程中快速下降，但氣體的來源和成本將影響各城市燃料電池汽車的競爭力。一家燃料電池企業說，他們每天用於測試的氫氣就有400公斤左右，如果氫氣成本相差10元/公斤，按照每月22個工作日計算每個月的測試費就差88000元，如果應用端每天每輛車加氫10公斤，每輛車每天的執行成本就差100元，每個月就差3000元，如果1000輛車執行每年就相差3600萬元的成本。

03 儲運成為氫能產業發展的關鍵

自人類能源革命以來不僅遵從減碳加氫的發展規律，同時也是能源密度不斷提升的過程，這一過程伴隨著能源形態從固體到液體、再到氣體、甚至是沒有形態和體積的電。

能源從固體到液體再到氣體，能量的密度越來越高，碳的含量越來越低，氫氣的比例越來越高，儲運的難度越來越大，石油的運輸比煤炭更復雜，天然氣的運輸又比石油的運輸更復雜。

表3 能源的形態與運輸方式

氣體的擴散性決定了其管理的難度，儲運技術的突破是氣體能源得以大規模應用的先決條件。

早在公元前2000年人類就發現了天然氣的存在，直到1890年，人類發明了防漏管線連線技術，天然氣的運輸才取得了突破。管道運輸和液化天然氣（LNG）技術的成熟是天然氣得以貿易和大規模利用的基礎，LNG是天然氣（甲烷CH4）在經淨化及超低溫狀態下（-162℃、一個大氣壓）冷卻液化的產物。液化後的天然氣其體積大大減少，約為0℃、1個大氣壓時天然氣體積的1/600，也就是說1立方米LNG氣化後可得600立方米天然氣。

1927年至1931年，美國建設了十幾條大型燃氣輸送系統。1914年天然氣液化技術開發成功，1942年美國的克利夫蘭建成了世界第一座工業規模的LNG生產裝置，1959年第一艘LNG運輸船”甲烷先鋒號“實現首次跨海運輸，到上世紀70年代天然氣儲運技術趨於成熟，90年代末期才開始大規模發展。

除管道和液化長距離運輸以外，短距離運輸還有壓縮天然氣，壓縮天然氣是在一定壓力下（如25MPa）儲存在高壓管輸車內運輸，並在高壓氣瓶內用作汽車燃料。

由於氫氣受制於三種製備來源，氫氣依然需要解決儲運問題，天然氣的高壓、液化和管道運輸被複制到氫氣的儲運。因為氫氣的重量更輕，氣體更加活躍，其儲存和運輸的管理難度更高。目前，氫氣的運輸方式比天然氣還要多。

（1)高壓儲運

目前國內用的高壓長管拖車是20MPa，車載儲氫瓶是35MPa。氫氣的運輸成本，100公里運輸成本大約10元/kg。這個運量在行業發展初期基本可以滿足工程測試的需求，但對於已經進入規模化發展的日本來說，它們採用的是50MPa的管束車。

以目前的壓力和運輸量，一輛管束車運送的量只夠20輛商用車使用，如果批次生產，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。

國內長管拖車主要有中集安瑞科、浙江藍能、新興能源裝備、遼寧眾邦能源裝備等企業。（見氫能產業鏈：氫能儲存與運輸裝備（上））

中集安瑞科長管拖車的壓力增加到30MPa時，氫氣裝載量從20MPa的382公斤上升至625公斤，增加64%。餘壓7MPa卸氣量增加93%；餘壓5MPa時卸氣量增加82%；每公斤運費下降1.8倍；百公里運輸成本從10元/kg下降至6元/kg。如果壓力進一步上升，將進一步降低運輸成本。

（2）液態儲運

液態儲氫可以實現常壓下的運輸，而且儲量比高壓氫高3-10倍，是一種長距離高效安全的運輸方式。

表4 不同運輸方式的適應範圍

不過事情並沒有那麼簡單，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，而且對於透平裝置和保溫材料的要求也非常高，否則運輸過程中會揮發損耗。所以，一般用在不計成本的航空航天領域，液氫用於民用的經濟性需要對應規模與距離。

因為我國用氫與產氫地區距離較遠，尤其是可再生能源制氫的運輸需要從西北地區輸送至華南、華東、華中等地區，所以，未來長距離運氫在所難免。

國內投入液氫的企業航天101所、中科富海、國富氫能等都在推進相關的液氫專案，而國內天然氣液化裝備龍頭企業張家港聖達因（中集安瑞科旗下企業）則承擔了氫能液化裝備的國家863科研專案。

氫的液化是一項成熟的技術，最早由英國的JamesDewar於1898年透過J－T節流實現，到1902年出現了Claude迴圈。只是因為成本高，氫能產業鏈沒有進入規模化生產。

但目前液氫也是國外推廣燃料電池的一種重要的儲運方式，其中北美佔了全球液氫產能總量的85%以上，美國本土已有15座以上的液氫工廠，液氫產能達326t/d，居於全球首位，加拿大還有80t/d的液氫產能也為美國所用，其中液氫產能的10%左右的液氫用於氫燃料電池的應用。

不過燃料電池汽車還沒有進入規模化應用階段，液氫的成本是非常高的，美國最大的液氫工程每天產能不到70t/d，專案投資近5億美元，液氫每公斤生產成本5美元多。

而在日本千代田、德國Hydrogenious公司採用的另外一種液態儲氫方式是LOHC（液態有機物儲氫技術），其原理是藉助某些烯烴、炔烴或芳香烴等儲氫劑和氫氣的一對可逆反應來實現加氫和脫氫，質量儲氫密度在5%-10%，儲氫量大，儲氫材料為液態有機物，可以實現常溫常壓運輸，方便安全。

（3）管道運輸

在天然氣儲運中，管道運輸是國際貿易和長途運輸的主要渠道，可有效降低運輸成本。管道輸送方式以高壓氣態或液態氫的管道輸送為主。管道“摻氫”和“氫油同運”技術是實現長距離、大規模輸氫的重要環節。

全球管道輸氫起步已有80多年，美國、歐洲已分別建成2400km、1500km 的輸氫管道。我國已有多條輸氫管道在執行，如中國石化洛陽煉化濟源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km，年輸氣量為10.04萬噸；烏海—銀川焦爐煤氣輸氣管線管道全長為 216.4km，年輸氣量達 16.1×108m3 ，主要用於輸送焦爐煤氣和氫氣混合氣。

表5 不同運輸方式下的成本構成

表6 不同儲運方式下的成本測算

（4）液態陽光

“液態陽光”（Liquid Sunshine）是中國科學院大連物理化學研究所李燦院士主導的一種氫氣儲存方式，即水經太陽光光解制氫，空氣中的二氧化碳加氫生成甲醇。

首先是利用電能水分解制氫，把電能變為氫能，氫能目前儲存成本高，故進一步利用二氧化碳加氫技術合成甲醇，把氫能再儲存在甲醇中，甲醇運輸方便，可以最大程度解決能量的儲存和運輸問題。將氫氣比較複雜的運輸變成甲醇的簡單運輸，降低運輸過程中的高壓或液化成本。

目前大連物化所的液態陽光專案落地蘭州新區化工園區。不過液態陽光比氫氣多一次轉換，會導致電能消耗和能源損耗。

除了這些比較主流的大規模儲氫技術還有固態儲氫和其他介質的吸附儲氫。總體看來，各種儲氫適合不同的規模和運輸距離，儘管從理論上有一些比較，但各條技術路線都一定程度上還存在一些瓶頸，在現有規模下，高壓儲氫依然是最現實的需求。

相比日本和韓國的燃料電池產業，中國地方政府是非常大的推動力，這樣的機制造就了光伏、風電及電動汽車等產業的興起，但同時由於缺乏頂層設計，產業也很難避免發展過程中的盲目性。如果從氫氣供應便利的地方開始，氫能和燃料電池的推廣顯然會更加順利一些。但無奈的是，各地方政府對清潔能源產業的認知不同，所以，以地方政府和企業率先推動的產業很難做到理想狀態。