外供氫與現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站的氫氣成本分析

1 加氫站概述

1.1 全球加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

加氫站根據(jù)氫氣來(lái)源不同，可分為外供氫加氫站和現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站；根據(jù)氫氣儲(chǔ)存相態(tài)不同，可分為氣態(tài)加氫站和液態(tài)加氫站；根據(jù)供氫壓力等級(jí)，可分為35 MPa和70 MPa壓力加氫站。目前我國(guó)的加氫站主要以外供氫、氣態(tài)、35 MPa壓力加氫站為主

。

截至2020年底，全球共有在營(yíng)加氫站553座，另外有225座加氫站正在計(jì)劃投建。其中歐洲共有200座在營(yíng)加氫站，以德國(guó)為最多，共有在營(yíng)加氫站100座；法國(guó)在營(yíng)加氫站34座，位居第二。北美的加氫站大部分位于美國(guó)加州，其中在營(yíng)加氫站49座。亞洲共有275座加氫站，其中日本142座，位居全球首位；韓國(guó)在營(yíng)加氫站60座；中國(guó)在營(yíng)加氫站69座。這些加氫站目前多用于巴士等公共車(chē)輛的氫氣加注

。

1.2 加氫站建設(shè)的制約因素

加氫站建設(shè)的主要制約因素有氣源、下游用戶(hù)、投資環(huán)境、技術(shù)以及相關(guān)政策等。氣源是加氫站能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，是加氫站建設(shè)的主要制約因素

。目前，制氫產(chǎn)業(yè)主要有以下3種較為成熟的技術(shù)路線(xiàn)：以煤炭、天然氣為代表的化石能源以及化石燃料轉(zhuǎn)化得到的含氫載體如氨氣、甲醇、乙醇、肼、汽油和柴油重整制氫；以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫；電解水制氫。各種技術(shù)路線(xiàn)的制氫成本及影響因素不同，如天然氣及甲醇重整制氫主要取決于原料的價(jià)格，水電解制氫成本主要取決于電價(jià)

。在我國(guó)，目前制氫成本最低的技術(shù)是煤氣化制氫，但天然氣制氫是我國(guó)最主要的氫氣來(lái)源，占總制氫量的48%。電解水的制氫量最少，占比僅為4%

。此外，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)也是氫能產(chǎn)業(yè)的瓶頸。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前較為成熟的技術(shù)，具有充放氣快、成本低等優(yōu)點(diǎn)；但高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫通常需要能夠承受高壓的儲(chǔ)氫壓力容器，壓縮過(guò)程中能耗較大

。隨著可再生能源的發(fā)展以及用氫量的上升，氫氣大規(guī)模、低成本儲(chǔ)運(yùn)也是亟待解決的問(wèn)題

。

人參Panax ginseng C. A. Mey. 為五加科（Araliaceae）植物，具有悠久的藥用歷史，可用于多種疾病的治療，人參皂苷是從人參中提取出的主要有效成分?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，人參皂苷具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、改善心血管功能、抗炎、抗氧化、抗血小板聚集和抑制腫瘤等生物活性[1]。其中，人參皂苷Rh2(S)（Rh2-S），即20(S)-原人參二醇-3-O- β-D-吡喃葡萄糖苷，對(duì)白血病、結(jié)腸癌和骨肉瘤等多種腫瘤均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗腫瘤作用。

2 加氫站成本模型與氫使用成本計(jì)算

2.1 成本模型

Weinert等人

提出的加氫站成本模型(Hydrogen Station Cost Model)被廣泛用作加氫站成本計(jì)算的方法。該模型已應(yīng)用于美國(guó)加利福尼亞州氫能高速公路網(wǎng)的成本分析

，具有一定的有效性。此模型根據(jù)各類(lèi)加氫站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將成本分為4部分，包括：建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)輸成本以及原料成本。建設(shè)成本：建站所需的固定資產(chǎn)成本(設(shè)備成本)、安裝成本以及所需的土地和土建成本；運(yùn)營(yíng)成本：管理運(yùn)營(yíng)如維護(hù)、租金、人工以及保險(xiǎn)等費(fèi)用；運(yùn)輸成本：運(yùn)輸氫氣到加氫站的費(fèi)用；原料成本：購(gòu)買(mǎi)天然氣、甲醇以及水、電等制氫原料和動(dòng)力或氫的費(fèi)用。

供氫能力為1 000 kg/d的外供氫加氫站的主要設(shè)備配置見(jiàn)表1。一般有移動(dòng)儲(chǔ)氣和固定儲(chǔ)氣兩種儲(chǔ)氣方式。移動(dòng)儲(chǔ)氣采用2輛長(zhǎng)管拖車(chē)作為現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣，單車(chē)儲(chǔ)氫量約為300 kg；固定儲(chǔ)氣設(shè)置6瓶和9瓶?jī)山M儲(chǔ)氫瓶，總儲(chǔ)氫量可達(dá)500 kg。

加氫站年均成本計(jì)算公式

為:

=

+

+

+

(1)

式中

——加氫站年均成本，元/a

——年原料成本，元/a

——年運(yùn)營(yíng)成本，元/a

氫使用成本計(jì)算式

為:

——建設(shè)成本的年折舊費(fèi)，元/a

——年運(yùn)輸成本，元/a

(2)

在不考慮政府補(bǔ)貼的情況下，計(jì)算了供氫能力500 kg/d和1 000 kg/d的外供氫加氫站的建設(shè)成本，見(jiàn)表2。對(duì)于外供氫加氫站，壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶及加氫系統(tǒng)(含加氫機(jī)、卸氣柱、氫氣管道系統(tǒng)、放散系統(tǒng)、置換吹掃系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)以及其他的管路材料、連接等)是最核心的成本構(gòu)成部分，約占加氫站建設(shè)成本的58%；壓縮機(jī)約占建設(shè)成本的30%。這是因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)核心設(shè)備技術(shù)落后，主要依賴(lài)進(jìn)口。因此，對(duì)核心設(shè)備進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化是國(guó)內(nèi)加氫站技術(shù)升級(jí)的最核心、最切實(shí)的方向。

2018年以來(lái)，中國(guó)家電市場(chǎng)整體面臨的壓力較大，從下圖中的數(shù)據(jù)我們可以看出，2017年全年，中國(guó)家電市場(chǎng)零售額增速為11.8%，而2018年截至11月份，增速只有1.6%，大約只有去年全年增速的七分之一，今年的中國(guó)家電零售業(yè)可能將迎來(lái)整體“失速”的危機(jī)。

——加氫站的年氫氣銷(xiāo)售量，kg/a

2.2 加氫站建設(shè)成本估算

摻雜Sc3+的Nd∶LuSGG晶體具有更寬的吸收和發(fā)射譜線(xiàn)、小的發(fā)射截面及長(zhǎng)的熒光壽命，有利于在超短超快激光方面有所應(yīng)用．Kaminskii A.A.在1994年[39]用提拉法首次生長(zhǎng)出Nd∶Lu3Sc2Ga3O12晶體，在室溫下用激光二極管和Xe閃光燈泵浦激發(fā)出1 062.2 nm波長(zhǎng)的激光．武奎[40]利用Nd∶Lu3Sc1.5Ga3.5O12獲得了斜率效率為33%、最高的輸出功率為6.96 W的連續(xù)激光和最窄的脈沖寬度為5.1 ns、最大的脈沖能量為62.5 MJ、最高的峰值功率約為12 kW的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光，由于該晶體生長(zhǎng)制備的方法為浮區(qū)法，晶體的缺陷較多，其激光性能受到影響．

Hallak、Assaker等[20]通過(guò)最小二乘結(jié)構(gòu)方程模型來(lái)檢驗(yàn)旅游目的地的感知質(zhì)量對(duì)忠誠(chéng)度的影響程度，發(fā)現(xiàn)與感知價(jià)值相比，感知質(zhì)量對(duì)忠誠(chéng)度(通過(guò)滿(mǎn)意度直接和間接體現(xiàn))的影響更大；黃天航等[21]在對(duì)歐洲智能城市的發(fā)展研究中指出，教育質(zhì)量、交通質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量、政府管理等與城市的發(fā)展具有正相關(guān)性。而智慧交通、智慧教育等是智慧城市建設(shè)的主要內(nèi)容，也是智慧城市建設(shè)感知質(zhì)量的主要體現(xiàn)。因此，提出以下理論假設(shè)：

依托長(zhǎng)流規(guī)，加強(qiáng)治江頂層設(shè)計(jì)。規(guī)劃是治江各項(xiàng)工作的龍頭。2013年，長(zhǎng)江委切實(shí)加強(qiáng)治江頂層設(shè)計(jì)，長(zhǎng)江流域水利規(guī)劃和前期工作進(jìn)展順利。結(jié)合新修編的長(zhǎng)流規(guī)對(duì)水利工作提出的新要求和治江工作實(shí)際，長(zhǎng)江委廣泛、深入地開(kāi)展宣貫工作，提高了全委干部職工及社會(huì)各界對(duì)長(zhǎng)流規(guī)的認(rèn)識(shí)和了解。同時(shí)，組織開(kāi)展了數(shù)十項(xiàng)水利規(guī)劃編制工作，其中，修訂完成《長(zhǎng)江中下游干流河道治理規(guī)劃》，編制完成岷江、雅礱江、贛江、沅江等流域綜合規(guī)劃，基本完成湘江、資水、撫河、信江等流域綜合規(guī)劃。加緊組織開(kāi)展長(zhǎng)江流域（片）水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃、主要江河流域水量分配方案制定、全國(guó)治澇規(guī)劃等規(guī)劃編制工作。

式中

——?dú)涫褂贸杀?，?kg

① 外供氫加氫站的建設(shè)成本

由表4可知，硅-焓方程法計(jì)算得出的熱儲(chǔ)溫度為182.36 ℃～274.58 ℃，冷水混合比例為39.47%～85.88%；硅-焓圖解法計(jì)算的結(jié)果為172.58 ℃～258.23 ℃，冷水混入比例為39.19%～86.46%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)由混合模型計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度與Na-K溫標(biāo)計(jì)算的溫度較為接近，與其他溫標(biāo)及實(shí)測(cè)情況偏離較大。

② 現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站的建設(shè)成本

對(duì)于供氫能力為500 kg/d的現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站，在不考慮政府補(bǔ)貼的情況下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)天然氣重整制氫(以下簡(jiǎn)稱(chēng)天然氣重整制氫)、現(xiàn)場(chǎng)電解水制氫(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電解水制氫)以及現(xiàn)場(chǎng)甲醇重整制氫(以下簡(jiǎn)稱(chēng)甲醇重整制氫)這3種現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站的建設(shè)成本進(jìn)行了估算，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，在現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站中，制氫裝置成本的占比很大。由于甲醇重整制氫技術(shù)所需反應(yīng)溫度較低，故其制氫裝置成本在3種制氫技術(shù)中最低。電解水制氫裝置成本最高，占比約為59%。因此，降低制氫裝置成本是降低現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站建設(shè)成本的關(guān)鍵。一般地，現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站建設(shè)成本遠(yuǎn)高于外供氫加氫站，但其優(yōu)勢(shì)是省去了運(yùn)輸氫氣的費(fèi)用。此外，現(xiàn)場(chǎng)制氫使遠(yuǎn)離大規(guī)模氫源的地區(qū)建設(shè)加氫站變得現(xiàn)實(shí)可行，因此現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)是必須要發(fā)展的。

有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在施工過(guò)程中遇到的大多數(shù)的施工項(xiàng)目具有區(qū)域性強(qiáng)，流動(dòng)性大，耗費(fèi)時(shí)間與材料等等難題。所以針對(duì)現(xiàn)在施工中的幾個(gè)特點(diǎn)，制定以下幾個(gè)管理內(nèi)容以增強(qiáng)路橋施工的管理性：

2.3 氫使用成本估算

① 外供氫加氫站的氫使用成本

計(jì)算外供氫加氫站的氫使用成本時(shí)，將建設(shè)成本的年折舊費(fèi)分為兩部分進(jìn)行計(jì)算，一部分是設(shè)備、安裝等成本的折舊，按照15 a進(jìn)行折舊計(jì)算，不考慮殘值；另一部分是土地、土建成本的折舊，按照30 a進(jìn)行折舊計(jì)算，不考慮殘值。假定供氫能力為500 kg/d的加氫站需要設(shè)置員工5人，供氫能力為1 000 kg/d的加氫站設(shè)置員工8人，薪資按8×10

元/(人·a)計(jì)。假設(shè)其他運(yùn)營(yíng)管理成本如租金、維護(hù)和保險(xiǎn)等費(fèi)用的總和等于人工成本。不同制氫技術(shù)及運(yùn)輸距離下原料及運(yùn)輸成本見(jiàn)表4

。假設(shè)工業(yè)副產(chǎn)物制氫作為氫源，氫氣運(yùn)輸距離為50 km。每年工作時(shí)間若按300 d計(jì)，則外供氫加氫站的氫使用成本測(cè)算見(jiàn)表5。

② 現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站的氫使用成本

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站，建設(shè)成本的年折舊費(fèi)計(jì)算方法同外供氫加氫站。對(duì)于500 kg/d現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)員工有6人，薪資按8×10

元/(人·a)計(jì)。假設(shè)其他運(yùn)營(yíng)成本如租金、維護(hù)和保險(xiǎn)等費(fèi)用的總和等于人工成本。水一般在當(dāng)?shù)厝∮?。天然氣、甲醇等的運(yùn)輸成本均歸于原料成本。假定天然氣重整制氫中天然氣的價(jià)格為2.5元/m

，電解水制氫中水的價(jià)格為4元/t，甲醇重整制氫中甲醇的價(jià)格為2.4元/kg，動(dòng)力煤的價(jià)格為0.5元/kg。3種現(xiàn)場(chǎng)制氫方式中，電價(jià)均為0.6元/(kW·h)，脫鹽水價(jià)格為10元/t，循環(huán)水價(jià)格為1元/t。在天然氣重整制氫中，生產(chǎn)1 kg氫氣的天然氣用量約為6.74 m

，用電量約為0.672 kW·h，用循環(huán)水量為0.229 t，用脫鹽水量為0.003 9 t。在電解水制氫中,生產(chǎn)1 kg氫氣的用電量約為55 kW·h，用水量約為0.009 t。在甲醇重整制氫中，生產(chǎn)1 kg氫氣的用甲醇量約為6.05 kg，用電量約為1.05 kW·h，用脫鹽水量為0.039 t，用動(dòng)力煤量為1.56 kg。

根據(jù)上述假設(shè)計(jì)算得到供氫能力500 kg/d的現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站的氫使用成本，見(jiàn)表6。對(duì)于電解水制氫加氫站，用電成本占比最大。對(duì)于天然氣重整制氫或甲醇重整制氫加氫站，天然氣或甲醇成本的占比較高，即天然氣或甲醇的原料價(jià)格是影響此類(lèi)加氫站成本的關(guān)鍵因素，這類(lèi)加氫站對(duì)于原料便宜易得的地區(qū)具有優(yōu)勢(shì)。例如，天然氣制氫在四川具有優(yōu)勢(shì)，甲醇制氫在陜西、內(nèi)蒙古和山西具有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

① 不同類(lèi)型的加氫站建設(shè)成本差異較大。外供氫加氫站中，壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶、加氫系統(tǒng)成本占比最高，約占58%。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站，在相同供氫能力下，電解水制氫加氫站建設(shè)成本遠(yuǎn)高于天然氣重整制氫加氫站和甲醇重整制氫加氫站，電解水制氫加氫站制氫裝置的建設(shè)成本占比最高，約占59%。

② 對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站，在相同供氫能力下，天然氣重整制氫和甲醇重整制氫加氫站的氫使用成本遠(yuǎn)低于電解水制氫加氫站。天然氣或甲醇等原料價(jià)格是影響天然氣重整制氫或甲醇重整制氫加氫站的關(guān)鍵因素，電力成本則是制約電解水制氫的主要因素。因此，降低天然氣或甲醇等原料成本和用量以及獲得便宜的電力是降低現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫站成本的關(guān)鍵。

[1] 李迎，馬微微，張飛云. 加氫站建設(shè)制約因素分析[J]. 煤氣與熱力，2020 (5)：B21-B23，B37.

[2] 張旭. 氫燃料電池汽車(chē)加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析與建議[J]. 現(xiàn)代化工, 2020 (2)：1-6.

[3] 王周. 天然氣制氫、甲醇制氫與電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比探討[J]. 天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2016 (6)：47-49.

[4] 沈威，楊煒櫻. 考慮碳排放的化石能源和電解水制氫成本[J]. 煤氣與熱力，2020 (3)：A30-A33,A43.

[5] 中國(guó)氫能聯(lián)盟. 中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)[R]. 濰坊：國(guó)家能源集團(tuán)，2019:22-24.

[6] 李慶勛，劉曉彤，劉殼峰，等. 大規(guī)模工業(yè)制氫工藝技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)性比較[J]. 天然氣化工(C1化學(xué)與化工)，2015 (1)：78-82.

[7] 張劍光. 氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望—制氫與氫能儲(chǔ)運(yùn)[J]. 化工設(shè)計(jì)，2019 (4)：3-6，26.

[8] 楊靜怡. 儲(chǔ)氫材料的研究及其進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代化工, 2019 (10)：51-55.

[9] 單彤文，宋鵬飛，李又武，等. 制氫、儲(chǔ)運(yùn)和加注全產(chǎn)業(yè)鏈氫氣成本分析[J]. 天然氣化工(C1化學(xué)與化工)，2020 (1)：85-90，96.

[10] WEINERT J X，LIU S，OGDEN J M，et al. Hydrogen refueling station costs in Shanghai[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2007 (16)：4089-4100.

[11] 劉紹軍，馬建新，周偉，等. 小型加氫站網(wǎng)絡(luò)的成本分析[J]. 天然氣化工(C1化學(xué)與化工)，2006 (5)：44-48.

[12] 梁紅. 2020—2021年加氫站與氫氣成本專(zhuān)題分析報(bào)告[EB/OL]. [2020-07-19]. https://wenku.baidu.com/view/d833e0baff0a79563c1ec5da50e2524de 518d0a0.html.