制氫儲運和加注全產(chǎn)業(yè)鏈氫氣成本分析

醉清風(fēng)1126 2020-08-26

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文/單彤文宋鵬飛李又武侯建國王秀林張丹，中海石油氣電集團技術(shù)研發(fā)中心，天然氣化工

氫氣是理想的零碳排放的可持續(xù)能源，單位質(zhì)量的氫氣能量密度約是天然氣的2.8倍，煤的5倍，還具有來源廣泛、高轉(zhuǎn)化效率和清潔性的優(yōu)點，利用產(chǎn)物僅有水。氫氣的利用最佳方式是通過燃料電池電化學(xué)轉(zhuǎn)化。近年來燃料電池技術(shù)的成熟和成本的快速下降，掀起了全球燃料電池交通的發(fā)展熱潮。美國、德國、日本、韓國等部分國家和地區(qū)相繼把氫能上升到國家能源戰(zhàn)略高度。

我國在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，能源對外依存度不斷升高，環(huán)境保護壓力增大，迫切需要在氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)有所突破。發(fā)展氫能有望成為我國能源技術(shù)革命的重要方向之一，有利于優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，支撐清潔能源轉(zhuǎn)型，保障國家能源安全。

1全球燃料電池汽車和加氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀

近年全球燃料電池汽車（FCV）和加氫站的發(fā)展迅速，包括豐田、本田、現(xiàn)代、奔馳等汽車制造商紛紛發(fā)布了量產(chǎn)燃料電池車型。截止到2018年底，全球累計投用的FCV有14596輛，加氫站數(shù)量為369座，大部分集中在美國、日本、韓國、德國和加拿大等國。2010∽2018年全球燃料電池汽車數(shù)量統(tǒng)計見圖1，近三年全球加氫站數(shù)量見圖2。我國燃料電池和氫能產(chǎn)業(yè)相比發(fā)達國家尚有差距，但發(fā)展速度較快。

但目前FCV和加氫站運營過程中，盈利能力并不強，對政府補貼依賴程度高。FCV的保有量小和加氫基礎(chǔ)設(shè)施不完善是造成這種情況的表觀原因，而背后更深層的原因是氫能源的成本和經(jīng)濟性問題：

(1) 雖然燃料電池成本正在快速下降，但依然未達到使燃料電池車造價與汽油車和電動車同等或更低的臨界點，在沒有政府補貼的情況下用戶購買FCV要付出更多的成本，限制了FCV的大規(guī)模應(yīng)用；

(2)氫氣價格昂貴，F(xiàn)CV的每百千米燃料成本仍大大高于汽柴油和電，用戶選擇氫氣的意愿不強，也使加氫基礎(chǔ)設(shè)施投資收益率偏低，進一步造成加氫基礎(chǔ)設(shè)施滯后的惡性循環(huán)。

氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，政府的補貼和支持不可缺少，但產(chǎn)業(yè)從“政策驅(qū)動”到“市場驅(qū)動”的轉(zhuǎn)化，僅靠“輸血”非長久之計，需要具有“造血能力”。而氫能產(chǎn)業(yè)的核心市場驅(qū)動力就在于氫氣和燃料電池成本。針對氫氣的成本，不僅要關(guān)注制氫環(huán)節(jié)，還要同時考慮儲運和利用（加注）環(huán)節(jié)，站在全產(chǎn)業(yè)鏈角度看最終加注槍出口端的氫氣總成本。

2制氫、儲運與利用全產(chǎn)業(yè)鏈

氫能產(chǎn)業(yè)包括制氫、氫氣儲運和氫氣利用三個主要環(huán)節(jié)，見圖3。

2.1制氫

制氫的方式很多，主要包括化石燃料制氫、電解水制氫、化工尾氣制氫、生物質(zhì)制氫等（詳見圖3）。2018年全球氫氣產(chǎn)量約7000萬t，約96%的氫氣是由煤，石油和天然氣等化石能源制取的，其中76%來源于天然氣，約23%來自煤炭，僅不到2%來自電解水。大宗制氫方式主要是天然氣制氫和煤制氫。

目前我國制氫成本最低的方式是煤制氫，但天然氣制氫相比煤制氫，在環(huán)保、投資、能耗等方面都具有明顯優(yōu)勢，比如：CH4氫碳比為4∶1，原油氫碳比為1.7~1.8∶1，煤炭氫碳比1∶10，在化學(xué)組成上天然氣比煤更適合制氫；天然氣制氫僅有少量鍋爐污水，而煤制氫有大量的灰渣、酸性氣體和污水；同等制氫規(guī)模的天然氣制氫裝置投資約為煤制氫的40%，每1000m3產(chǎn)品能耗和碳排放約為煤制氫的50%。國外主流的制氫方式也是天然氣制氫，全球目前正在運行的炭氣化廠，大多數(shù)集中在中國。

氫氣來源對天然氣和煤炭的依賴，意味著大量的二氧化碳排放，需要配合碳捕捉與封存（CCS）和碳捕捉、利用和封存（CCUS）技術(shù)，但同時也會增加制氫成本。比如，天然氣制氫工廠采用CCUS后，能使碳排放量能夠減少90%以上，但資本性支出（CAPEX）和運營成本（OPEX）將各會增加約50%，使最終制氫成本增加約33%。目前全球已經(jīng)有多個實施了CCUS的天然氣制氫項目，氫氣總產(chǎn)量約為50萬t/a。

可再生能源電解水制氫能從制氫源頭上實現(xiàn)零碳或低碳。從長遠來看，未來的氫源將以可再生能源制氫為主。電解水制氫的產(chǎn)品純度高，但目前電耗高達4.5~5kWh/m3，且生產(chǎn)1kgH2需耗水約9L，約是天然氣制氫水耗的2倍。電解水制氫裝置的經(jīng)濟規(guī)模也偏小、價格昂貴，未來隨著風(fēng)電、光電成本的降低，電解水制氫成本有望不斷降低。生物質(zhì)制氫、光化學(xué)制氫等技術(shù)尚在研究階段，距離工業(yè)化實施較遠。焦?fàn)t氣或工業(yè)馳放氣的制氫成本較低，但受地點、規(guī)模、運輸半徑等的限制。所以，短期內(nèi)化石能源制氫依然是我國獲得大宗、低價氫氣的主要方式。

2.2氫氣儲運

氫氣的儲運方式包括氫氣專用管道、壓縮氫氣（CH2）、液化氫氣（LH2）、液體有機物氫載體（LOHC）、金屬合金儲氫等方式。各方式的優(yōu)缺點見表1。

目前氫氣主要是以壓縮氣態(tài)或低溫液態(tài)儲運，壓縮氫氣的高壓和液氫的低溫、易氣化等特點都限制了氫氣的儲運規(guī)模和儲存時間，使儲運成本較高，降低了氫氣相比于其他燃料的競爭力。

氫氣的密度極小，使得壓縮氫氣的體積能量密度并不高，70MPa氫氣的體積能量密度也僅為汽油的約15%。目前氫氣管束車操作壓力多為20MPa，滿載氫氣的質(zhì)量僅約200~300kg，且回空壓力不能過低使整體利用率僅約75%~85%，低儲運效率意味著高昂的成本。

氫氣的液化溫度為-253℃。液化規(guī)模為1000kg/h的氫氣液化工廠，液化過程消耗的能量如果用氫的能量衡量，約占初始氫氣量的25%~40%，遠高于天然氣液化消耗天然氣初始量的10%的比例。但液氫的體積約是氣態(tài)氫的1/800，密度為70.8kg/m3，單臺液氫運輸罐車的滿載約65m3，可凈運輸4000kg氫，大大提高了運輸效率。但長距離運輸液氫需要解決液氫不斷氣化，壓力升高的問題。

全球目前氫氣管道總長度約5000km，超過50%位于美國，主要用于向煉化和化工輸送氫氣。氫氣專輸管道單位長度投資約是天然氣管道的3倍，預(yù)計路由獲得批準(zhǔn)的難度也比天然氣管道更大。也可以考慮在現(xiàn)有的天然氣管道網(wǎng)絡(luò)中混合一部分氫氣，因為管道安全和因氣質(zhì)變化對用戶影響等因素的限制，摻入氫氣的比例受到限制。

儲運是限制氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。未來隨著可再生能源的發(fā)展和社會用氫量的逐漸增加，迫切需要解決氫氣的長期、大規(guī)模、低成本儲存難題。

2.3氫氣利用

氫氣在傳統(tǒng)石化行業(yè)和煉鋼等工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有長期、大量的應(yīng)用。近年來氫氣火熱的應(yīng)用方向主要是用于燃料電池交通，摻氫或純氫燃氣輪機發(fā)電及燃料電池分布式電站等，尤其是在交通領(lǐng)域的應(yīng)用是目前氫能產(chǎn)業(yè)利用端發(fā)展的重點。

氫燃氣輪機發(fā)電和燃料電池分布式發(fā)電正在發(fā)展前期。2018年，三菱日立在實際燃氣電廠成功測試了30%H2+70%CH4混合燃燒發(fā)電；川崎重工在德國實驗室成功試驗了100%氫燃氣發(fā)電。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省下屬新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）發(fā)布的《NEDO氫能源白皮書》中提出，“將推動氫成為電源構(gòu)成的一部分”、“以氫為燃氣輪機燃料的氫發(fā)電技術(shù)有望成為家用燃料電池和燃料電池車之后的第三大支柱”。大型氫燃料燃氣輪機發(fā)電已成為大型燃氣輪機發(fā)電的最新趨勢，代表了大型電廠朝著更低NOx排放、低碳排放甚至零碳排放、更高發(fā)電效率的發(fā)展方向。

氫氣在燃料電池中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電和熱，整體效率可達95%以上，生成產(chǎn)物只有水，具有高效、環(huán)保、靜音和模塊化等優(yōu)點，尤其適用于社區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、辦公樓等建筑及家庭使用，已成為全球分布式能源發(fā)展的熱點之一。

3制氫、儲運與加注全產(chǎn)業(yè)氫氣成本分析

針對交通用氫，最終加氫槍出口端的氫氣總成本由制氫成本、儲運成本和加注成本三部分構(gòu)成。

3.1制氫成本

我國目前已運行的加氫站的氫氣來源主要來自工業(yè)尾氣制氫，但未來隨著加氫站數(shù)量的增多和氫氣需求量的增大，氫氣來源也將更趨多樣化。主要制氫方式的氫氣成本見圖4。

如圖4所示，煤制氫成本最低，約8~10元/kg，其中CAPEX占比接近50%，燃料成本占15%~20%。天然氣制氫成本約12元/kg，其中燃料成本是成本構(gòu)成的主要部分，占比達45%~75%。電網(wǎng)制氫因電價過高，經(jīng)濟可行度較低，且我國以煤電為主的特點使電網(wǎng)制氫的碳排放強度大，單位質(zhì)量氫氣碳排放約比天然氣制氫的3倍以上。可再生能源制氫成本約20元/kg，電的成本占總成本約60%，CAPEX占約34%。

除此之外，預(yù)計大規(guī)模的工業(yè)尾氣制氫的氫氣成本約為11.3元/kg，6000m3/h制氫規(guī)模的甲醇制氫，在甲醇價格為3元/kg的情況下的氫氣成本約21.3元/kg。整體而言，制氫成本的順序為：煤制氫＜工業(yè)尾氣制氫＜天然氣制氫＜可再生能源制氫＜甲醇制氫＜電網(wǎng)制氫。

3.2氫氣儲運成本

考慮運輸300km內(nèi)，不同氫氣儲運方式的成本對比見圖5。

300km以上運輸距離情況下，運輸成本排序為LOHC＜LH2＜氫氣管道＜管束車。高壓氫氣管束的運輸成本較高，但技術(shù)成熟，操作靈活，適合近距離、小規(guī)模運輸。50km以內(nèi)，氫氣管道的運輸成本較低，但隨著輸送距離的增加需要更多的增壓站，是管道輸送成本迅速提高。LOHC和LH2成本最具優(yōu)勢，且適合于國際氫供應(yīng)鏈的跨洋船運，但上游和下游分別需要加氫、脫氫和液化、氣化設(shè)施，更適合長距離、大規(guī)模氫氣運輸。

3.3氫氣加注成本

500kg/d和1000kg/d的加氫站已經(jīng)成為目前已建和在建加氫站的主流規(guī)模。不含土地投資情況下，國內(nèi)加氫規(guī)模為500kg/d的加氫站的投資約1200~1500萬元，1000kg/d的加氫站投資約2000~2500萬元，其中設(shè)備及土建的投資占約70%以上。在不考慮政府補貼的情況下，對應(yīng)的固定成本和變動成本（主要為運營成本）預(yù)計見圖6。

加氫站加注壓力正在從35MPa向70MPa、甚至90MPa發(fā)展，不同壓力配置的投資和氫氣成本也不同，但可以明顯看出的是，提高加氫站規(guī)模能明顯降低氫氣的加注成本。

3.4全產(chǎn)業(yè)鏈加氫槍出口氫氣總成本分析

以典型燃料電池汽車每百千米消耗1kg氫與傳統(tǒng)汽油車對比，氫氣成本≤40元/kg時氫燃料具有較強競爭力，因此全產(chǎn)業(yè)鏈加氫槍出口氫氣總成本目標(biāo)為40元/kg。以下設(shè)想兩種組合情景對氫氣總成本進行分析。

3.4.1情景一

考慮不同制氫來源，以20MPa氫氣管束車運輸100km，500kg/d和1000kg/d加注規(guī)模的加氫槍出口氫氣總成本見圖7。

兩種規(guī)模下對于全產(chǎn)業(yè)鏈成本順序均為：煤制氫＜工業(yè)尾氣制氫＜天然氣制氫＜可再生能源制氫＜甲醇制氫＜電網(wǎng)制氫。僅有煤制氫在兩種加氫規(guī)模下成本都低于40元/kg；天然氣制氫稍高于工業(yè)尾氣制氫，當(dāng)加氫規(guī)模1000kg/d時能夠低于40元/kg。

3.4.2情景二

情景一的估算以理想狀態(tài)運輸距離都為100km為前提，實際上我國用氫市場主要在沿海經(jīng)濟發(fā)達城市區(qū)域，大規(guī)模的可再生能源制氫和煤制氫大多在西北地區(qū)，氫源和市場空間分布逆向。長距離輸送采用壓縮氫氣的管束車已經(jīng)不合適，應(yīng)優(yōu)先考慮液氫。而電網(wǎng)制氫、甲醇制氫和天然氣制氫可以考慮小型化、橇裝化的站內(nèi)制氫，能夠省去氫氣運輸環(huán)節(jié)，降低氫氣成本；工業(yè)尾氣制氫則可以優(yōu)先選擇距離加氫站較近的氫源點。

當(dāng)考慮電網(wǎng)制氫、甲醇制氫和天然氣制氫為站內(nèi)制氫；工業(yè)尾氣制氫運輸距離100km，采用20MPa管束車運輸；可再生能源制氫和煤制氫運輸距離為300km，采用液氫方式運輸；500kg/d和1000kg/d加注規(guī)模的加氫槍出口氫氣總成本見圖8。

全產(chǎn)業(yè)鏈成本來看，站內(nèi)天然氣制氫＜煤制氫＜站內(nèi)甲醇制氫＜附近工業(yè)尾氣制氫＜可再生能源制氫＜站內(nèi)電網(wǎng)制氫。運輸距離占氫氣總成本的25%~37%，對總成本影響較大。站內(nèi)制氫具有明顯的成本優(yōu)勢，其中站內(nèi)天然氣制氫的成本最低。煤制氫和液氫運輸方式的結(jié)合，使煤制氫在運輸300km后，氫氣總成本依然能夠低于40元/kg；但若距離遠于600km以上，成本將高于40元/kg，也將大幅高于站內(nèi)天然氣制氫；站內(nèi)電網(wǎng)制氫雖然省去了運輸費用，但由于電價高，氫氣總成本依然較高；對于大型的煤制氫，如果考慮CCS和CCUS，氫氣成本將更高。

站內(nèi)天然氣制氫是未來加氫站發(fā)展的趨勢之一。目前日本和美國的站內(nèi)天然氣制氫（包括液化石油氣（LPG）制氫）的加氫站（部分）見表2。站內(nèi)天然氣制氫規(guī)模約在100~500m3/h之間，用氣量不大，且通過錯峰可以實現(xiàn)在用氣低谷時制氫，不會與民生用氣競爭。

4結(jié)語與建議

（1）制氫、儲運和加注全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)共同降低氫氣成本。充足、穩(wěn)定且價格低于40元/kg的氫氣供應(yīng)，才能使我國氫能產(chǎn)業(yè)擺脫政府補貼，觸發(fā)市場活力的“原動力”，而這一目標(biāo)的實現(xiàn)需要從制氫、儲運和加注三個環(huán)節(jié)共同降低成本。

（2）天然氣制氫是滿足我國氫氣需求市場的重要渠道之一。雖然煤制氫的價格更低，但大規(guī)模煤制氣在能耗、水耗、環(huán)保等方面都非最優(yōu)解，不符合我國“控煤增氣”的能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，與發(fā)展氫能用于減排提效的初衷也相違背。在可再生能源未能有效降低成本之前相當(dāng)長一段時期內(nèi)，天然氣制氫有望在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

（3）站內(nèi)天然氣制氫能大幅降低氫氣成本，是加氫站未來發(fā)展的趨勢之一。但我國目前規(guī)范仍把小型橇裝天然氣制氫作為化工項目強制入化工園區(qū)，不能放入加氫站中；把氫氣作為?；范悄茉催M行管理，限制了站內(nèi)天然氣制氫的發(fā)展，不利于氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。建議參考國外標(biāo)準(zhǔn)，借鑒實際項目運行經(jīng)驗，對不同規(guī)模的天然氣制氫項目進行區(qū)分管理，開展站內(nèi)天然氣制氫的試點和示范。

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制氫儲運和加注全產(chǎn)業(yè)鏈氫氣成本分析