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綜合信息

中國規(guī)模化氫能供應(yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)性分析

文字:[大][中][小] 手機(jī)頁面二維碼 2020-11-6     瀏覽次數(shù):    

來源 |《南方能源建設(shè)》

摘要

目的——文章研究規(guī)?;瘹淠芄?yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)性,未來十年,氫能作為戰(zhàn)略能源將會(huì)重構(gòu)社會(huì)的能源結(jié)構(gòu),并影響未來社會(huì)能源總成本。預(yù)測大規(guī)模氫能時(shí)代的制氫、儲(chǔ)氫、輸氫、分銷、應(yīng)用的成本,和市場化的趨勢有著重要的意義。氫氣由于高儲(chǔ)運(yùn)成本,用途、品質(zhì)的多樣性,氫氣市場存在分層結(jié)構(gòu)。

分析氫能與常規(guī)能源的可比價(jià)格,提出原油當(dāng)量價(jià)格(POE)的概念,預(yù)測未來氫能價(jià)格的合理區(qū)間。解決供應(yīng)鏈問題是獲得低成本氫能的關(guān)鍵,由此提出干線門站模式,解決綠氫的資源分布與長距離輸送氫能的問題。

方法——利用平準(zhǔn)化氫氣成本(LCOH)分析模型,測算大型光伏制氫管道輸氫LCOH,分析大規(guī)??稍偕茉粗茪漭敋涞慕?jīng)濟(jì)性。利用氫能供應(yīng)鏈的儲(chǔ)、輸、卸六個(gè)象限成本公式,分析氣氫、液氫、固氫、有機(jī)氫、管道氫等不同儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),短距離氫儲(chǔ)運(yùn)成本,分析門站后輸氫的場景和成本,預(yù)測短距離輸氫的成本趨勢。

結(jié)果——研究表明:我國有豐富的綠氫資源,隨著投資下降,預(yù)計(jì)大規(guī)模綠氫管道輸送的城市門站LCOH將低于2.0 RMB/Nm3,將成為未來主要的氫源。

當(dāng)前,氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)氣氫、液氫、甲醇、合成氨、有機(jī)氫、固氫、管道氫,隨著規(guī)模的增加實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送。在現(xiàn)有的技術(shù)下,城市門站到終端的輸送,氫短距輸送(<100 km)測算成本都在1.2 RMB/Nm3以下,由此評估的氫能供應(yīng)鏈的總成本,干線門站模式下氫能最終到達(dá)終端的價(jià)格約為3.2 RMB/Nm3,當(dāng)量價(jià)格POE與汽油價(jià)格接近,考慮燃料電池的能效因素,氫能汽車在4.0 RMB/Nm3的氫價(jià)下,具有比汽油車更低的百公里燃料費(fèi)用。

結(jié)論——因此,氫能作為戰(zhàn)略能源,在無補(bǔ)貼的情況下實(shí)現(xiàn)中國氫能源的綠氫替代,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上是可行的。

引言

氫能作為中國能源問題的最終解決方案,將深刻影響中國能源應(yīng)用的前景。2019年,中國氫能聯(lián)盟發(fā)布了《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》,到2050年,氫能將在中國終端能源體系中占比達(dá)到10%(約5億噸標(biāo)煤,折合1.1億噸氫氣),與電力協(xié)同互補(bǔ),共同成為中國終端能源體系的消費(fèi)主體之一。

屆時(shí),可實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約7億噸/年,累計(jì)拉動(dòng)33萬億元經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。而“綠氫”可再生能源制氫將是未來的主要?dú)錃鈦碓矗?050年,可再生能源制氫超過80%。

這個(gè)億噸級氫能的目標(biāo),將改變中國的能源結(jié)構(gòu)并推動(dòng)中國進(jìn)入氫能社會(huì),中國具有廣闊的西部荒漠和良好的光照條件,可開發(fā)的“綠氫”資源超過3億噸。完全能夠滿足我國可持續(xù)發(fā)展的自給自足的無碳?xì)淠?,將從根本上改變我國能源?zhàn)略安全。

但我國西部儲(chǔ)量豐富的綠氫資源,遠(yuǎn)離中東部的能源負(fù)荷中心,需要遠(yuǎn)距離的輸送。因此如何達(dá)到開發(fā)規(guī)模,建立“產(chǎn)、儲(chǔ)、輸、分銷、應(yīng)用”完整的低成本氫能供應(yīng)鏈,就需要進(jìn)行氫能儲(chǔ)運(yùn)模式的構(gòu)建,并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

1. 中國氫氣市場的現(xiàn)狀

中國是氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國,2018年中國氫氣生產(chǎn)約2000萬噸,99%以上為化石能源轉(zhuǎn)換得到,電解制氫不足1%;氫氣消費(fèi)結(jié)構(gòu)中合成氨、甲醇、石油煉化占99%以上,用于燃料電池的能源氫消費(fèi)不足0.1%。

氫氣在中國主要是化工原料用于生產(chǎn)甲醇、合成氨以及相關(guān)化工產(chǎn)品與化肥;其次是作為燃料,以及少量的高純度氫氣作為工業(yè)原料,如高純度電子氫氣等。

氫氣供應(yīng)鏈成本遠(yuǎn)高于天然氣,因而,氫氣的供應(yīng)與使用受運(yùn)輸距離限制,根據(jù)國內(nèi)的資料顯示(見表1),中國氫氣的市場大致分為燃料氫、化工氫、能源氫,對應(yīng)的氫氣市場價(jià)格分別為:

  • 6 MPa化工氫,1~5萬 m3/h供應(yīng)量,直供價(jià)<1.5 RMB/Nm3;
  • 20 MPa工業(yè)氫,100~2 000 m3/h,工業(yè)氫價(jià)為3.5 RMB/Nm3;
  • 35 MPa以上能源氫,通過加氫站加注,6~20 kg/次,加氫站燃料電池用氫價(jià)格(扣除政府補(bǔ)貼)為4.5~5.0 RMB/Nm3。

氫氣市場的價(jià)格分層結(jié)構(gòu),主要原因是需求的巨大差異,化工氫(包括合成氣和石化原料氣)是目前氫氣市場的需求主體。

高純氫和能源氫對高純度要求和相對較少的需求量,導(dǎo)致運(yùn)輸成本極高、經(jīng)濟(jì)規(guī)模不足,而價(jià)格大大高于化工氫和燃料氫。這也是目前一方面大量副產(chǎn)氫和煤制氫處于低端市場,另一方面能源氫和高純氫又價(jià)格高企。 尋找合適的應(yīng)用場景,促進(jìn)能源氫大規(guī)模的需求增長,將是未來氫能發(fā)展的關(guān)鍵。

2. 氫能作為交通能源的經(jīng)濟(jì)性

作為交通能源的氫能源,利用燃料電池作為供能的方式。燃料電池可以達(dá)到45%~50%的燃料效率,以及與動(dòng)力電池組合的混動(dòng)模式的動(dòng)力總成,使得氫能源車與常規(guī)燃料汽車相比,有比較明顯的能效優(yōu)勢。

中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《世界氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2018)》分析了乘用車和商用車的氫能耗。通過整理公開渠道公布的燃料消耗進(jìn)行比較,氫能汽車和其他乘用車的燃料消耗如表2和圖1所示。

從表2中可以看到,氫能汽車的能耗水平低于純?nèi)加蛙?,并還有進(jìn)一步降低的空間,在假定的4 RMB/Nm3的氫氣價(jià)格下,實(shí)際的燃料費(fèi)用,氫能汽車低于燃油車,高于柴油天然氣車和純電動(dòng)車。而在公交車、重型卡車等應(yīng)用場景上能源費(fèi)用,需要更為低價(jià)的氫才能滿足和柴油卡車的競爭。

因此,進(jìn)一步提高可再生能源制氫的效率、降低成本; 積極探討氫能源的清潔溢價(jià),使氫能源在供應(yīng)終端盡快達(dá)到經(jīng)濟(jì)性拐點(diǎn)。

3. 氫油當(dāng)量:氫能可比價(jià)格分析

氫氣如果作為戰(zhàn)略能源,則需要在能源最終價(jià)格上有經(jīng)濟(jì)性,這樣才能夠擺脫持續(xù)的補(bǔ)貼,成為可以市場運(yùn)作的能源形式。氫能可以是直接獲得的一次能源,也是可以直接消費(fèi)的二次能源。

因此,我們能源當(dāng)量價(jià)格比較時(shí),將氫能價(jià)格與二次能源價(jià)格進(jìn)行縱向與橫向的對比,以分析其經(jīng)濟(jì)性條件。氫氣與成品油、天然氣等市場價(jià)格折合成原油當(dāng)量的價(jià)格比較如表3所示。

原油當(dāng)量價(jià)格是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)原油熱值,對不同能源價(jià)格進(jìn)行比較的方法,原油當(dāng)量價(jià)格(POE,單位USD/BOE),參考原油的標(biāo)準(zhǔn)熱值為41.87 MJ/kg,原油密度為137 kg/bbl,按公式進(jìn)行換算:

POE=PH×63.78POE=PH×63.78

根據(jù)能量換算的石油當(dāng)量的價(jià)格,主要的制氫成本如表4和圖2所示。

但由于氫氣供應(yīng)鏈的成本遠(yuǎn)高于車用汽油和天然氣,因此市場上的氫氣價(jià)格高于天然氣和汽油。

商業(yè)化的20 MPa高壓氣氫的供應(yīng)鏈,100 km距離上,運(yùn)輸成本約為1.2 RMB/Nm3,折合約81 USD/BOE;作為能源氫,在加氫站得分銷成本大約1.35 RMB/Nm3,折合86 USD/BOE。

綜合而言, 能源氫到達(dá)終端的價(jià)格大致為制氫、輸氫、分銷各占三分之一,如圖3所示。

通過以上氫氣的成本和經(jīng)濟(jì)性分析,我們可以看到在出廠價(jià)和消費(fèi)端,能源能量價(jià)格差異顯著。而氫能由于供應(yīng)鏈的高成本,則更為明顯的差異如圖4所示。

由此,通過對氫和其他能源在同等當(dāng)量價(jià)格的基準(zhǔn)下,進(jìn)行的價(jià)格比較發(fā)現(xiàn), 在4.0 RMB/Nm3的氫氣價(jià)格下,氫能價(jià)格已經(jīng)具備經(jīng)濟(jì)性。而氫能供應(yīng)鏈的成本降低具有更大的潛力,是未來氫能實(shí)現(xiàn)平價(jià)供應(yīng)的關(guān)鍵。

4. 綠氫與灰氫,制氫成本比較分析

目前主要的制氫技術(shù)是化石能源制氫,通過煤氣化、天然氣重整、甲醇重整等技術(shù),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用,我國67%的氫氣是通過煤氣化和天然氣制氫技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn),其余為焦?fàn)t煤氣、氯堿化工副產(chǎn)氫,電解制氫的裝置普遍偏小,產(chǎn)能不足1%。

我國工業(yè)制氫絕大部分是煤制氫和天然氣制氫,其中以航天爐技術(shù)、清華爐水冷壁技術(shù)和華理四噴嘴技術(shù)為代表的煤氣化技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位,在煤制油、合成氨和煤化工領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了對煤炭的清潔利用,裝置規(guī)模超過每小時(shí)20萬立方米合成氣,煤氣化制氫技術(shù)的轉(zhuǎn)化效率 55%~60%左右,CO?的排放量約為 2.710 kg/(Nm3 H?)

國外化石能源制氫主要是水合天然氣重整,裝置簡單,能效較高,能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%以上,CO?排放約為1.07 kg/(Nm3 H?)。

作為未來的主流,電解水制氫和清潔一次電力相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)氫能的CO?零排放,電解水制氫原理上的技術(shù)主要有堿性水電解,PEM膜純水電解,固體氧化物水電解等技術(shù)。

其中 堿性水電解技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用,為替代石棉隔膜,718所等研究機(jī)構(gòu)開展堿性陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)的研究,相較于傳統(tǒng)堿性電解水技術(shù),采用非貴金屬催化劑,成本較低、可達(dá)到更高的電解電流密度,大幅縮小電解槽體積,是未來水電解技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,國內(nèi)現(xiàn)處于預(yù)研階段。

歐洲主要采用的是 純水電解技術(shù),挪威等國在利用水電資源,通過水電解制氫供應(yīng)加氫站,美國Prot公司和Hydrogenics公司、挪威Nel Hydrogen公司等,都致力于PEMc純水電解制氫技術(shù),德國Siemens的10 MW級PEM膜水電解設(shè)備已經(jīng)試制完成。

與堿水電解相比,PEMc純水電解技術(shù)電流密度更大,對電源的波動(dòng)適應(yīng)性更好,是比較理想的新能源制氫技術(shù)。

丹麥的Bent Sorensen,在《氫與燃料電池:新興技術(shù)及其應(yīng)用(第二版)》中,分析了SOEc固體氧化物水電解技術(shù)的優(yōu)勢,是近年來研究比較多的燃料電池和水電解技術(shù),因?yàn)楦邷仉娊?,電解所需的焓變低于低溫電解技術(shù),因此效率大大高于PEM純水電解,且具有可逆的潛力,成為固定式燃料電池發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)的研究方向之一。

不同制氫技術(shù)的比較如表5所示。

現(xiàn)有技術(shù)的制氫成本大致如下:

  • 煤和天然氣常規(guī)能等源制氫的成本為0.8~1.4 RMB/Nm3;
  • 新能源制氫成本為1.5~3.0 RMB/Nm3;
  • 可再生能源中水電制氫的成本最接近常規(guī)能源;
  • 核電制氫穩(wěn)定性最好。

目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化制氫的煤化工制氫和天然氣制氫,根據(jù)中國石油經(jīng)濟(jì)研究院惠州煉油項(xiàng)目測算的制氫成本大制如表6所示。

我們收集整理了目前國內(nèi)化石能源和潛在的制氫技術(shù),并進(jìn)行成本建模分析,包括能源成本和變動(dòng)費(fèi)用、設(shè)備成本和固定費(fèi)用,以及輸送的成本,如表7和圖5所示。

顯然,在現(xiàn)有的條件下,清潔能源制氫的成本大大高于常規(guī)能源制氫,其經(jīng)濟(jì)性受到制氫方式、應(yīng)用場景、運(yùn)輸距離和儲(chǔ)運(yùn)方式等多因素的影響,需要在商業(yè)模式進(jìn)行突破。

5. 氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式的經(jīng)濟(jì)性比較

氫氣的儲(chǔ)運(yùn)是比較復(fù)雜的,現(xiàn)有和在研究具備工業(yè)應(yīng)用條件的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),包括高壓氫、液氫、金屬固氫、有機(jī)液氫、管道氫等技術(shù),綜合目前工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際情況,氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)比較如表8所示。

IEA國際能源署提出的目標(biāo)是質(zhì)量儲(chǔ)氫密度w(H?)>5%,體積儲(chǔ)氫密度 φφ (H?)>50 kg H?/m3,并且放氫溫度低于423 K,循環(huán)壽命超過1 000次。

現(xiàn)有的化學(xué)儲(chǔ)氫方法,基本能夠滿足以上目標(biāo),但由于化學(xué)儲(chǔ)氫大約10 kWh/kg的析氫能耗,導(dǎo)致在100 km以內(nèi)的運(yùn)距上,儲(chǔ)運(yùn)能效低于高壓儲(chǔ)氫。而低溫液氫則由于液化能耗高,液化和接收成本高,在短距離上的氫氣儲(chǔ)運(yùn)能效最低。

為進(jìn)一步分析氫氣儲(chǔ)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性,構(gòu)建氫氣儲(chǔ)運(yùn)供應(yīng)鏈成本如下:

CH?=Cf+Cr+CtCH?=Cf+Cr+Ct

式中C f為出廠前儲(chǔ)運(yùn)成本;C r為輸過程中儲(chǔ)運(yùn)成本;C t為接收過程的儲(chǔ)運(yùn)成本。

每個(gè)部分又分為固定成本和變動(dòng)成本,共同構(gòu)成供應(yīng)鏈的六個(gè)成本象限,氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的成本象限及分析如表9所示。

根據(jù)現(xiàn)有資料,已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用20 MPa氣氫TT車的供應(yīng)鏈,和固氫、液氫、有機(jī)氫的小規(guī)模裝置的情況,規(guī)模在2000 Nm3/h的供應(yīng)能力的條件下,氫氣運(yùn)輸?shù)墓潭ǔ杀敬笾氯鐖D6所示。

液氫、固氫和有機(jī)氫,在現(xiàn)有條件下固定成本1.0~1.9 RMB/Nm3,超過TT車0.9 RMB/Nm3,主要成本在制備和接收兩端,液氫15 kWh/kg的液化能耗、固氫和有機(jī)氫10 kWh/kg的脫氫電耗,直接影響了氫的儲(chǔ)運(yùn)成本。氫氣的運(yùn)輸成本與運(yùn)輸距離的關(guān)系如圖7所示。

TABAK J在《Natural gas and hydrogen》提到:美國在氫能產(chǎn)業(yè)起步于NASA的航天用液氫,因而美國有比較完整的液氫供應(yīng)鏈。但其他國家的液氫產(chǎn)業(yè)的規(guī)模小,除航天以外,液氫的用量并不大。

短距離小規(guī)模的運(yùn)輸,高壓長管車運(yùn)輸仍是主要方式,隨著里程增加其他的儲(chǔ)運(yùn)方式逐步顯現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性,但液氫由于目前過高的基礎(chǔ)投資和液化能耗,而更適合于大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送。

在100 km的運(yùn)輸距離下,氫氣綜合儲(chǔ)運(yùn)成本約 1.2 RMB/Nm3,隨著氫氣輸送規(guī)模的增加,固氫和有機(jī)氫開始顯現(xiàn)出遠(yuǎn)距離的成本優(yōu)勢,有機(jī)氫由于脫氫的化工屬性和流體輸送的特點(diǎn),應(yīng)該更適用于遠(yuǎn)程的海運(yùn)場景,液氫則具有特殊的高純優(yōu)勢和單車運(yùn)輸量,可能作為未來的應(yīng)用。

因此,短程的氫能分銷場景,城市氫管、高壓氣氫和金屬固氫未來將成為相互補(bǔ)充的短距離輸送模式。

管道輸氫由于管道的基礎(chǔ)投資大,屬于連續(xù)的供氫系統(tǒng),要求更高的輸氫量,目前管道輸氫都用于化工氫的供應(yīng),歐洲的大型輸氫管道供應(yīng)量在5萬Nm3/h以上,規(guī)模超過其他運(yùn)輸方式。參考天然氣管網(wǎng)的氫能管網(wǎng)將成為干線輸氫的主要模式。

6. 干線管道輸氫的經(jīng)濟(jì)性

干線輸氫和中國西電東送、西氣東送類似,和未來的西氫東送都屬于國家戰(zhàn)略能源運(yùn)輸,在未來會(huì)支撐起中國能源的骨干體系。氫氣配送管道建設(shè)成本較低,但氫氣長輸管道建設(shè)難度大、成本高,目前氫氣長輸管道的造價(jià)約為 63萬USD/km。

管道運(yùn)輸對運(yùn)輸規(guī)模非常敏感,是現(xiàn)有的化工氫的主要運(yùn)輸方式,輸氫量在50 000 m3/h以上,有比較好的經(jīng)濟(jì)性。歐洲大約有1 500 km的低壓氫氣管道,美國現(xiàn)有的氫氣管道超過1 400 km。世界最長的氫氣管道位于法國和比利時(shí)之間,長約400 km。

2014年, 中國建成的最長氫氣長輸管道——巴陵石化氫氣長輸管道,全長42 km,其主要功能是為石化行業(yè)加氫反應(yīng)器提供氫氣原料如表10所示。

與天然氣管道相比,目前的氫氣管道壓力低、管徑小、輸送規(guī)模小,從單位能源輸送效率分析,小型氫能管道的單位能量的輸送費(fèi)用(GJ·100 km)是天然氣主干網(wǎng)的40倍,是特高壓電網(wǎng)的25倍。但從管道輸送氫氣的技術(shù)發(fā)展,壓力等級的提高和規(guī)模增加,預(yù)計(jì)將在未來接近天然氣能量輸送成本。

與原油和天然氣相比,氫氣運(yùn)輸距離對成本的影響更加顯著,而氫氣未來可以直接應(yīng)用于終端能源消費(fèi)。

而管道輸氫對距離和規(guī)模的敏感性,高于管道天然氣,因此,如果氫主干網(wǎng)的建設(shè)將和未來的氫能規(guī)模密切相關(guān), 構(gòu)建大規(guī)模氫能輸送與分銷用氫模式,是作為戰(zhàn)略能源的氫能發(fā)展的必然趨勢。

7. 大規(guī)模制氫輸氫的案例分析

為進(jìn)一步分析大規(guī)模輸氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,我們構(gòu)建一個(gè)制氫能力為80萬t/a的光伏制氫系統(tǒng)(如圖8所示),以分析其中氫礦開發(fā)成本的影響因素的敏感性,和綠氫的成本趨勢。

荒漠氫田是以制氫為目的的光伏、風(fēng)電和電解制氫、管道輸氫系統(tǒng),包括:400 km2的荒漠光伏電站及附屬系統(tǒng),80萬t/a的電解水系統(tǒng),和100萬t/a、2 000 km集氣高壓輸氫管線。

根據(jù)現(xiàn)有的各部分投資水平,該項(xiàng)目總投資預(yù)計(jì)為2060億RMB,折合每噸氫年產(chǎn)能靜態(tài)投資為25.8萬RMB,如表12和圖9所示。

主要的投資,65%用于光伏電站,光伏發(fā)電用來電解制氫,10%的高峰電力用于外送,以平衡系統(tǒng)負(fù)荷,提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性?;哪畾涮餃y算收益如表13所示。

參考能源行業(yè)的測算基礎(chǔ),項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表14所示:

項(xiàng)目的IRR和NPV測算如下,在含稅0.3 RMB/kWh電價(jià),2.2 RMB/Nm3的門站氫價(jià)條件下,項(xiàng)目IRR約為10%,滿足能源行業(yè)對項(xiàng)目投資的回報(bào)率要求。

為評估大規(guī)模可再生能源制氫的經(jīng)濟(jì)性,對項(xiàng)目進(jìn)行平準(zhǔn)化單位成本測算。平準(zhǔn)化單位成本即是在行業(yè)平均社會(huì)投資回報(bào)的機(jī)會(huì)成本下,對項(xiàng)目產(chǎn)品產(chǎn)量折現(xiàn)到當(dāng)期,進(jìn)行的項(xiàng)目產(chǎn)品的平均成本測算。在本項(xiàng)目中對氫氣的終端成本進(jìn)行平準(zhǔn)化成本測算。

LCOH=I0?Rv(1+i)N+∑Nn=1(An+Tn)(1+i)n∑Nn=1Yn(1+i)n

LCOH=I0-Rv(1+i)N+∑n=1N(An+Tn)(1+i)n∑n=1NYn(1+i)n

式中:I 0為項(xiàng)目初始投資;R v為項(xiàng)目運(yùn)營期后殘值;An 為項(xiàng)目年度運(yùn)營費(fèi)用;Tn 為項(xiàng)目年度稅收;Yn 為年度產(chǎn)品數(shù)量(氫氣和其他產(chǎn)品折算);i為項(xiàng)目折現(xiàn)率。

根據(jù)公式(3)測算項(xiàng)目平準(zhǔn)化成本可得:項(xiàng)目總投資為2069億RMB,初始折現(xiàn)率為8%,氫價(jià)為2.2 RMB/Nm3,電價(jià)為0.3 RMB/kWh,LCOH為2.56 RMB/Nm3。

大規(guī)模的制氫的終端成本已經(jīng)接近常規(guī)能源的價(jià)格,隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,預(yù)計(jì)總投資水平還將會(huì)有較大幅度的下降。

從敏感性分析(見表15和圖10)可以看出,投資對LCOE的影響顯著,隨著投資變化10%,氫能的LCOE的相應(yīng)有略低于10%變化。

因此,隨著太陽能光伏發(fā)電單位投資的下降,預(yù)計(jì)氫能LCOE還會(huì)進(jìn)一步下降,接近零售汽油的當(dāng)量價(jià)格。因此,可以看到,大規(guī)??稍偕茉粗茪涞腖COH平準(zhǔn)制氫成本,對資產(chǎn)投資的敏感性很高, 未來隨著光伏的價(jià)格進(jìn)一步下降,氫氣門站的LCOH將有望降低到2.0 RMB以下,成為具有競爭力的能源類型。

8. 氫能干線門站模式分析

氫能作為戰(zhàn)略能源應(yīng)用,必將伴隨著大規(guī)模的氫氣輸送。氫能的輸送本質(zhì)上也是高密度的能量輸送的模式。我國的天然氣經(jīng)歷了近20年的快速發(fā)展,我國完成了多點(diǎn)干線輸氣管網(wǎng),和完善的城市管網(wǎng)系統(tǒng)。

同樣,從西部送氫到東部、以及未來進(jìn)口氫等多來源的供應(yīng),將會(huì)主導(dǎo)我國氫能供應(yīng)。與天然氣類似,多點(diǎn)供應(yīng)的氫能管網(wǎng)將會(huì)促進(jìn)全網(wǎng)氫氣價(jià)格平衡,從而建立統(tǒng)一的氫能市場價(jià)格體系。

2016年,全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》提出:到2030年,氫能產(chǎn)業(yè)將成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分,產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將突破10 000億元;加氫站數(shù)量達(dá)到1 000座,燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬輛,高壓氫氣長輸管道建設(shè)里程達(dá)到3 000 km,氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系完善程度迫近發(fā)達(dá)國家水平,氫能與燃料電池檢驗(yàn)檢測技術(shù)發(fā)展及服務(wù)平臺建設(shè)形成對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效支撐。

因此,我國未來的 “干線門站模式”將會(huì)成為大規(guī)模輸氫的主導(dǎo),如圖11所示。規(guī)模化的氫能應(yīng)用和氫能供應(yīng)鏈,綠氫通過輸氫干線到達(dá)城市門站后,通過多種儲(chǔ)運(yùn)方式如高壓氣氫、固氫、有機(jī)液氫、以及城市管道輸氫,進(jìn)入城市終端加氫站和小型氫能冷熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng),或者其他的用氫終端,完成千公里的干線輸氫和百公里氫能的分輸。

劉自亮等在《氫氣管道與天然氣管道的對比分析》認(rèn)為,相較于天然氣管道,氫氣管道建設(shè)量較少,管道直徑和設(shè)計(jì)壓力較低,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系仍不完善,目前國內(nèi)仍沒有適用于氫氣長輸管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此完善氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)制定,是我國干線輸氫的關(guān)鍵。

特別需要提出的是,天然氣管道摻氫輸送和末端提氫,已被研究和試驗(yàn)。毛宗強(qiáng)教授在2007年就在《將氫氣輸送給用戶》文章里指出:現(xiàn)有的天然氣管道就可用于輸送氫氣和天然氣的混合氣體, 也可經(jīng)過改造輸送純氫氣,這主要取決于鋼管材質(zhì)中的含碳量,低碳鋼更適合輸送純氫。

蔣慶梅等在《氫氣與天然氣長輸管道線路設(shè)計(jì)》[12]中提出,氫氣與天然氣長輸管道對冷彎彎管、環(huán)焊縫無損檢測、閥室設(shè)置以及嚴(yán)密性試壓的相關(guān)要求是一致的。所以,應(yīng)用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)設(shè)施輸送氫氣及天然氣管道轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夤艿罆r(shí)需要進(jìn)行全面分析、論證,確保管道安全可靠。

因此,在我國天然氣管網(wǎng)已經(jīng)成型,依靠天然氣摻氫進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸氫,將有可能成為合理的方案。

現(xiàn)有的氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),可以提供大規(guī)模氫氣輸送的方式有管道、液氫和化學(xué)儲(chǔ)氫,表16給出了不同規(guī)模下的氫儲(chǔ)運(yùn)模式,對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)效率:

表16注①中,在1000 km光伏制氫、液氫運(yùn)輸?shù)妮敋潴w系總效率可以通過效率公式計(jì)算:

N=η1×η2×η3×(1?η4)Ν=η1×η2×η3×(1-η4)

式中:N為系統(tǒng)總體效率(%);η1η1 為制氫效率(%);η2η2 為液化效率(%);η3η3 為運(yùn)輸效率(%);η4η4 為系統(tǒng)氫氣損耗(%)。

在西部高輻照度的地區(qū)采用“氫礦”模式,獲得的系統(tǒng)總體效率大約為:N=75% × 61.6% × 85% × (1-5%)=37.3%。

表16注②中,伊立其等在《基于有機(jī)液體儲(chǔ)氫載體的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)能效分析》[13]中分析了有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的能效分析模型,研究結(jié)果表明:乙基咔唑儲(chǔ)氫效率為84.17%、系統(tǒng)能效為47.58%。

如圖12所示,隨著規(guī)模的擴(kuò)大,氫能的綜合成本、門站氫價(jià)在逐步下降,隨著氫能規(guī)模的上升和制氫儲(chǔ)氫成本下降,有望在未來 低于2.0 RMB/Nm3。

結(jié)合短距離的氫能儲(chǔ)運(yùn)分析計(jì)算,終端100 km范圍內(nèi)的成本約為1.2 RMB/Nm3。氫能最終到達(dá)終端的成本約為3.2 RMB/Nm3,POE價(jià)格約為200 USD/BOE,與汽油價(jià)格接近并有進(jìn)一步降低的空間。

9. 結(jié)論

綜合以上分析,我們認(rèn)為隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈的迭代完善,氫能作為獨(dú)立的能源類型已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

(1)氫能由于較高的利用效率和環(huán)境友好性,作為交通能源具有比較優(yōu)勢,和常規(guī)的汽柴油比較,在低于4.0 RMB/Nm3的終端價(jià)格下,氫能具備大規(guī)模使用的經(jīng)濟(jì)性。

(2)傳統(tǒng)的氫氣主要作為化工原料和直接燃料,少量高純氫是高端電子工業(yè)、制藥工業(yè)的原料,這也導(dǎo)致了氫能市場的獨(dú)特性,能源氫與原料氫氣在市場上有明顯的市場分層。

(3)氫氣難于儲(chǔ)存的特性和安全標(biāo)準(zhǔn)高,導(dǎo)致儲(chǔ)運(yùn)困難、供應(yīng)鏈成本高,直接影響了氫能市場的快速發(fā)展。通過對氣氫、液氫、固氫、有機(jī)氫、管道氫的輸送成本分析。在100 km的運(yùn)輸距離下,氫氣綜合儲(chǔ)運(yùn)成本約1.3 RMB/Nm3,高壓氣氫更為簡單廉價(jià),隨著氫氣輸送規(guī)模的增加,固氫和有機(jī)氫開始顯現(xiàn)出遠(yuǎn)距離的成本優(yōu)勢,有機(jī)氫由于脫氫的化工屬性和流體輸送的特點(diǎn),應(yīng)該更適用于遠(yuǎn)程的海運(yùn)場景,液氫則具有特殊的高純優(yōu)勢和單車運(yùn)輸量,可能作為未來的應(yīng)用。

(4)通過對氫能中遠(yuǎn)期的發(fā)展過程,規(guī)?;斔湍J降慕?jīng)濟(jì)性比較,未來大規(guī)模綠氫門站價(jià)格將進(jìn)一步降低,在大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送中,管道門站模式將成為未來氫能的最終模式,門站氫的綜合能源效率預(yù)計(jì)在37%~55%。通過構(gòu)建一個(gè)80萬t/a制氫輸氫一體的,距離1 500 km的西部氫田,預(yù)測在當(dāng)前造價(jià)水平下,氫氣平準(zhǔn)成本(含輸氫)門站價(jià)約2.6 RMB/Nm3。預(yù)計(jì)未來投資繼續(xù)下降的背景下,大規(guī)模綠氫到東部的門站價(jià)格將有望低于2.0 RMB/Nm3,管網(wǎng)門站模式將成為經(jīng)濟(jì)可行的氫能供應(yīng)鏈。

(5)干線門站模式和城市氫氣分輸相結(jié)合,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,將有望實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模低成本的制氫、儲(chǔ)氫和輸氫,成為我國可再生能源與儲(chǔ)氫結(jié)合,提供完整的解決方案。在這個(gè)模式下氫能最終到達(dá)終端的價(jià)格約為3.3 RMB/Nm3,POE價(jià)格約為200 USD/BOE,與汽油價(jià)格接近,可以通過燃料電池更高的能量利用效率,實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)?;娲?。

(6)綜合分析,氫能供應(yīng)鏈的規(guī)模化將通過干線門站模式,實(shí)現(xiàn)氫能的低成本化,終端價(jià)格具備和汽柴油的競爭力,而燃料電池更高的能量利用效率。在未來十年,綠氫將實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)?;娲?,從而從根本上改變我國的能源戰(zhàn)略格局。

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