氫能替代石油能源的商業(yè)應(yīng)用分析

摘要：以氫能為代表的可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源等不可再生能源是能源發(fā)展的必然趨勢，而氫能替代的商業(yè)化應(yīng)用則是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對替代過程的經(jīng)濟(jì)分析，氫能成本與石油能源的成本的相對關(guān)系是氫能源商業(yè)化應(yīng)用的主要因素，因此，采用成本變化曲線將氫能商業(yè)化過程劃分為三個階段，并估算了各階段的開始時間。然后，進(jìn)一步通過分析各種典型制氫技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步對氫能市場化應(yīng)用價格的影響，得出與石油生產(chǎn)成本相等時的氫能市場化應(yīng)用市場價格，從而完成氫能在大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用中對化石能源的替代過程。

關(guān)鍵詞:氫能；化石能源；能源替代；能源成本

中圖分類號：F407．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Commercial Application Analysis of Fossil Fuels Substitution by Hydrogen

REN Nan-qi JI Jie MA Tao2

(1. School of Municipal and Environment Engineering， Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，

China;2. School of Management， Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China)

Abstract: It is a necessary trend for the substitution of fossil fuels by renewable energy such as hydrogen. Commercial application of hydrogen is an important factor during this process. By economical analysis， it is found that the costs of hydrogen and oil decide the commercial application of hydrogen. The course of commercial application of hydrogen falls into three stages. The initial period of each stage is evaluated by analyzing the effect of technology progress to hydrogen cost， commercial application price of hydrogen.

Key words:hydrogen; fossil fuels; energy replacement; energy costs

一、引言

氫能作為一種清潔的可再生能源，具有來源豐富、燃燒值大、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，被稱作“未來的綠色能源”^{[ 1]}。而煤炭、石油、天然氣等化石能源的不可再生性，不可避免的將在將來某個時刻會枯竭。因而，從能源的可持續(xù)發(fā)展要求來看，氫能以及其他的可再生能源替代化石能源等不可再生能源是能源系統(tǒng)發(fā)展的一種必然。氫能的商業(yè)化應(yīng)用是氫能替代化石的第一步，氫能源成本與石油成本之間的相對關(guān)系氫能源市場化應(yīng)用的主要決定因素，因此我們就從相對成本入手研究氫能源替代化石能源的商業(yè)化應(yīng)用過程。

二、氫能替代化石能源商業(yè)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)分析^{[ 2]}

煤炭、石油、天然氣等化石能源，由于儲量有限，不可再生，因此這些能源的使用是有一定年限的，它們的儲量會隨著使用年限的增加而減少，直至零。化石能源的資源儲量隨時間變化的理論曲線如圖1。如果以氫能來替代化石能源，化石能源在經(jīng)過消耗速度降低后最終會維持在一個水平上，而不會立即耗盡。氫能替代化石能源后，化石能源資源量隨時間變化曲線如圖2。

一般意義上來講，氫能能否替代化石能源是由這兩種能源的成本決定的。由于化石能源具有稀缺性，從供需分析，隨著其儲量的減少，化石能源的成本會上升，而隨著氫能源的生產(chǎn)、使用、運(yùn)輸?shù)瘸杀镜南陆担趯砟硞€時刻t，氫能的成本將等于化石能源的成本，在氫能成本與化石能源成本相等時，氫能將開始進(jìn)入市場，進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。并且由于化石能源的使用會對環(huán)境造成危害，在化石能源稀缺性和對環(huán)境負(fù)作用的雙重影響下，氫能源逐步替代化石能源成為可能。氫能源與化石能源成本變化曲線如圖3。

三、氫能對石油能源替代商業(yè)應(yīng)用的過程分析

（一）氫能替代石油商業(yè)應(yīng)用過程分析

目前在各種制氫技術(shù)和工藝中，首先利用天然氣制取氫氣工藝的成本最低，其次是利用煤炭氣化法和生物質(zhì)氣化制氫法、水電解法，最后是利用可再生資源發(fā)電電解制氫法、核能發(fā)電制氫和利用生物質(zhì)發(fā)酵制氫的方法^{[ 3]}。根據(jù)目前氫能的生產(chǎn)技術(shù)水平以及生產(chǎn)成本，并考慮氫能系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，可以將氫能商業(yè)化應(yīng)用替代石油過程分為三個階段（如圖4）：

1．A-B階段：以天然氣制氫法生產(chǎn)的氫氣替代石油。因?yàn)闅淠芴娲某跗陔A段，氫能的需求量不大，運(yùn)用單一成熟的制氫方法即可滿足需求。并且由于天然氣制氫的成本目前在各種制氫技術(shù)中是最低的，隨著石油成本的上升，由天然氣制氫法制取的氫氣的成本將與石油成本相當(dāng)，所以利用天然氣制氫法制得的氫會最早進(jìn)入市場，開始商業(yè)化應(yīng)用。

2．B-C階段：隨著技術(shù)水平的不斷提高，水電解制氫（電網(wǎng)電）、煤炭制氫法、核能制氫法的成本降低，由這些技術(shù)所獲得的氫能將逐漸可以商業(yè)化應(yīng)用。并且，氫氣的需求量在這一階段會增加，因而這一階段采用天然氣制氫法和這幾種制氫方法制氫替代石油；水電解制氫（電網(wǎng)電）方法、設(shè)備簡單，制氫速率快，是小規(guī)模、分散型的制氫方法，同集中的、大規(guī)模的制氫方法聯(lián)合、靈活使用，可以很快地補(bǔ)充加氫站氫氣的不足。水電解制氫方法（電網(wǎng)電）是一種無污染、可再生的制氫方法。水電解制氫（電網(wǎng)電）的商業(yè)化應(yīng)用標(biāo)志著清潔的、無污染的、可再生的制氫方法開始進(jìn)入在氫能替代石油的進(jìn)程。

3．C-D階段：在以可再生資源為能源的制氫技術(shù)進(jìn)步、成本下降之后，利用可再生能源制氫技術(shù)將商業(yè)化，開始進(jìn)入市場替代石油資源，直至石油被氫能完全取代。而在這一階段，利用可再生能源制氫的方法也逐漸的替代利用天然氣、核能、煤炭等制氫方法。用可再生資源完全替代不可再生資源，不僅可以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于能源的需求增長的要求，還真正達(dá)到了能源利用的可持續(xù)發(fā)展。

（二）氫能替代石油商業(yè)應(yīng)用的成分變化分析

1. 石油價格數(shù)據(jù)。石油價格數(shù)據(jù)選用大慶油田每年1月第一個星期的原油價格統(tǒng)計數(shù)據(jù)（1990-2007年），如表1所示。

2. 氫能價格數(shù)據(jù)。氫能價格數(shù)據(jù)取文獻(xiàn)［3］中調(diào)查的氫能價格數(shù)據(jù)。用甲烷制氫法、水電解制氫法（電網(wǎng)電）、光伏發(fā)電電解水制氫法作為區(qū)分氫能商業(yè)化應(yīng)用替代石油的不同階段開始的代表性方法，其成本與石油成本相等時的時間設(shè)定為這種制氫技術(shù)的入市時間。由于甲烷制氫法非常的成熟，可作為氫能替代石油初期制氫技術(shù)，此處不考慮由于技術(shù)進(jìn)步、原料價格波動等引起的氫氣價格變動，取常值11．22$/GJ。水電解制氫法作為氫氣需求增加后的補(bǔ)充制氫方法，取最高價格24．5$/GJ（2000年），并假設(shè)因技術(shù)進(jìn)步引起氫氣價格每年下降2%。以光伏法發(fā)電電解水制氫作為可再生制氫法的代表，成本的最高價格41．8$/GJ（2000年），并假設(shè)因技術(shù)進(jìn)步引起氫氣價格每年下降2%。

（三）氫能替代石油資源商業(yè)應(yīng)用的開始時間分析

由于每加侖汽油和每千克氫氣所產(chǎn)生的熱值相當(dāng)，所以將每加侖的汽油價格和每千克氫氣價格比較，用價格代替成本來分析氫能替代石油過程。由1990年到2007年的石油價格利用二次多項(xiàng)式擬合得其趨勢線，曲線方程為y = 0．0078x2 - 31．086x + 31020，R2=0．8447。將趨勢線向前推20個單位得到石油價格從2008年到2030年的趨勢圖。投資大師羅杰斯（Jim Rogers）預(yù)測^{[ 4]}，石油價格在2009年或2013年遲早會突破100美元，甚至達(dá)到150美元，可以看出運(yùn)用二次多項(xiàng)式擬合得到的石油近期符合羅杰斯的預(yù)測，可以將二次多項(xiàng)式擬合的結(jié)果作為石油成本變化趨勢與氫氣成本變化相比較。將石油價格與氫氣價格變化曲線繪圖得圖5。

（四）氫能替代石油資源商業(yè)應(yīng)用的開始時間分析結(jié)果

1. 僅考慮由于石油資源的稀缺性、壟斷性造成石油價格上漲的情況下，而不考慮技術(shù)進(jìn)步對于甲烷制氫成本的影響，在2008年時，甲烷制氫的成本（價格）將等于石油的成本（價格），氫氣可以開始作為石油能源的替代品，進(jìn)入能源市場。

2. 在利用電解水（電網(wǎng)電）在成本每年下降2%的情況下，在2013年，其成本將等于石油成本。此時石油的預(yù)測價格約為121美元/桶，電解水制氫（電網(wǎng)電）氫氣的商業(yè)化價格約為2．8$/kg。電解水制氫由于產(chǎn)氫效率低，其成本較高。但是電解水制氫產(chǎn)氫速率快，清潔、不產(chǎn)生二次污染，所以如果這種制氫方法有新的技術(shù)突破，并且電的價格降低后，電解水制氫（電網(wǎng)電）在制氫工業(yè)中的應(yīng)用將更加的廣泛。

3. 利用太陽能光伏法發(fā)電制氫，在其成本每年下降2%的情況下，在2018年時，其成本將等于石油成本。作為利用可再生資源制氫的方法中，目前制氫成本最高的是光伏法發(fā)電制氫，如技術(shù)進(jìn)步所引起的成本下降能達(dá)到每年2%，那么在2020年左右，可再生能源制氫就可以作為能源的供給進(jìn)入氫能源市場，替代石油。此時筆者所預(yù)測的石油價格約為170美元/桶，太陽能光伏法發(fā)電制氫的氫氣商業(yè)化價格約為4$/kg。

綜上可以得到氫能源替代化石能源的三個階段將分別開始與2008年、2013年和2018年左右。

（五） 氫能完全替代石油資源商業(yè)應(yīng)用的討論

1. 據(jù)估計，在2015年時氫燃料汽車將會市場化^{[ 5]}，因?yàn)榇藭r氫燃料汽車的成本與現(xiàn)在相比較有所下降，而此時氫能的價格將低于石油的成本，所以能夠進(jìn)一步促進(jìn)氫燃料汽車的發(fā)展。

2. 當(dāng)原油價格達(dá)到某一水平，原油在消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的份額降到零，此時的原油價格稱為石油回止價格。石油回止價格還與替代原油的能源技術(shù)有關(guān)。替代能源的技術(shù)水平和石油的價格決定著替代能源完全替代石油的進(jìn)程和時間。由于無法預(yù)測氫能源經(jīng)濟(jì)所涉及的技術(shù)發(fā)展、進(jìn)步的時間進(jìn)程，并且目前國際上對于石油的回止價格也沒有一個定論，因而在僅考慮氫能替代石油能源的情況下，目前對于石油何時可以完全由氫能替代退出市場的時間還不能做出結(jié)論。

3. 氫氣的成本僅考慮了其生產(chǎn)成本，而沒有考慮氫氣的運(yùn)輸、儲藏、使用成本，當(dāng)考慮氫能使用的成本后，氫氣的成本曲線將會上升，其替代石油資源的商業(yè)應(yīng)用時間也會推遲。因而，如果要早日實(shí)現(xiàn)氫能替代化石能源，不僅要改進(jìn)氫氣的生產(chǎn)技術(shù)，還要提高氫能的使用技術(shù)，更重要的是逐漸建立完善的氫能市場，保證市場對于氫氣的需求。

4. 氫能源能否替代化石能源的進(jìn)程不僅與它們的成本有關(guān)，還與能源政策以及人們的社會環(huán)境意識有關(guān)。當(dāng)能源政策以及社會環(huán)境意識對于氫能源替代化石能源有利時，氫能源的邊際成本會降低，可以促進(jìn)氫能源更早的進(jìn)入市場，替代化石能源。因此氫能源要替代化石能源，不僅要發(fā)展氫能技術(shù)，還需要政策的扶持以及對人們進(jìn)行環(huán)境保護(hù)意識教育，讓人們接受氫能源，推廣氫能源的使用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉江華. 氫能源——未來的綠色能源［J］．現(xiàn)代化工 ， 2006（10）.

［2］ 馬馳. 能源替代性經(jīng)濟(jì)分析［J］．商業(yè)研究， 2004（22）.

［3］ C.E.G. Padró， V. Putsche. Survey of the Economics of Hydrogen Technologies［M］．NREL， 1999:2-9.

［4］ 投資大師羅杰斯再出驚人語：今年油價必破100［EB/OL］．http://news.xinhuanet.com/fortune/2007-01/19/content_5624218.htm.

［5］ Patterson， P.， et al. Joint DOE/NRCAN Study of North American Transportation Energy Futures: Discussion of the Study， Presentation of Phase 2 Results (May 2003)［R］．presented to U.S. Department of Energy， Washington， D.C.， 2003， April 17.

（責(zé)任編輯：阿 蓮）