油、氣、氫、電綜合能源站成本模型研究

李棲楠

（中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266000）

油、氣、氫、電綜合能源加注站作為未來城市基礎建設的重要組成部分，從宏觀布局到微觀選址都對未來的城市規劃具有深遠的影響[1]。考慮到當前城市土地利用緊張的現狀，利用規劃解決加油、加氣、加氫與充電需求遞增與城市布局之間的矛盾，建立油、氣、氫、電綜合能源加注站，可以緩解供應壓力，亦可優化城市服務環境、提高土地利用率、降低建設成本與匹配能源需求[2-3]，是滿足未來相當長時間內油、氣、氫、電車共存期能源補給的最佳方式。該文從站外油、氣、氫資源的運輸及站內油、氣、氫、電能源的轉換兩個方面進行成本分析，旨在為綜合能源加注站的選址及工藝路線的選擇提供參考。

1 站外運輸成本分析

1.1 運輸成本模型

油罐車每年需要往返的次數：

往返一次所需時間：

每年運行時間：

全年耗油量：

全年油費：

長管拖車每年可用時長為Dy×Ttr，則該站需要的拖車數量：

駕駛員每年可用時長為Dyr×Tdr，則該站需要駕駛員數量：

油罐車每年折舊：

每年油品運輸的人工成本：

能源站每年X油品的運輸總成本：

則每升油品的平均運輸成本：

假設天然氣管束車壓力為20 MPa，長管拖車一次可運送氫氣的質量即為1 500 V，則每年需要往返的次數：

同理可計算天然氣的運輸總成本：

則每公斤天然氣的平均運輸成本：

經計算可知，長管拖車一次可運送0.89 PV高壓氫氣或70.85 V液態氫氣，高壓氫氣每年需要往返的次數為：

液態氫氣每年需要往返的次數為：

同理可計算高壓氫氣的運輸總成本：

液態氫氣的運輸總成本：

高壓氫氣管道運輸系統的年均運輸費用：

式中，Ccom為壓縮機成本，元；Pcom為壓縮機實際功率，kW；Tcom與Tpipe分別為壓縮機、管道折 舊，年；Cpipe為每公里管道的材料和安裝費用，元/km；Cl為勞動力總成本，元。

則每公斤高壓氫氣的平均運輸成本：

每公斤液態氫氣的平均運輸成本：

每公斤管道氫氣的平均運輸成本：

以上式中：Vy表示能源站X油品（92/95/98汽油或0#/-10#柴油）年銷售量，L；M為氫氣/天然氣年銷售量，kg；V為油罐/長管拖/天然氣管束車容積，m3；η為運輸效率；S為速度，km/h；P為壓力，MPa；H為公里耗油量，L/km；d為直徑，m；L為能源站與油庫/供氫站/供氣站間距、氫氣管道長度，km；Tup為裝載時間，h；Tdown為卸載時間，h；Dy為車/管道每年可用天數，天/年；Ttr為每天可用時長，h/天；Dyr為駕駛員每年可用天數，天/年；Tdr為每天可用時長，h/天；Co為燃油價格，元/L；Ce為電費，元/kW·h；Cs為瓶組成本，元；Ct為拖車成本，萬元；Ccab為車頭成本，萬元；Cund為拖車底盤費用，元；Ttr為折舊年限，年；Cr為每次運輸的人工成本，元。

1.2 運輸成本模型計算

按表1條件對運輸成本進行計算，得出油品、天然氣、氫氣運輸成本與運輸距離的關系，分別如圖1~5所示。

圖1 油品、天然氣運輸成本與運輸距離的關系

表1 運輸成本模型計算假設

圖2 高壓氫氣運輸成本、 長管拖車數量與運輸距離的關系

由圖1、2可知，油品、天然氣、氫氣的運輸成本隨運輸距離的增加均呈線性增長；在運輸距離相同的情況下，單位氫氣的運輸成本最高、油品的運輸成本最低。當運輸距離為1 150 km時，油品、天然氣和高壓氫氣的單位運輸成本分別為0.25元/L、0.6元/L和39.27元/kg。

由圖3、4可知，當運輸距離＜250 km時，液氫運輸所需拖車數量不受年運輸量的影響，1輛拖車就能滿足運輸要求；當運輸距離≥250 km時，所需拖車數量隨年運輸量和運輸距離的增加而增加，且拖車數量的增加并未對液氫運輸成本產生明顯影響。

圖3 液態氫氣運輸成本與運輸距離的關系

由圖5可知，負荷率相同時，管道氫氣的運輸成本隨運輸距離的增加而增加；運輸距離相同時，管道氫氣運輸成本隨著負荷率的增加而降低。

圖5 高壓氫氣管道運輸成本、負荷率與運輸距離的關系

綜上，對比高壓氫氣管束車、液態氫氣槽車和高壓氫氣管道三種運輸方式可知，運輸距離相同時，高壓氣體管道運輸成本最高，液氫槽車運輸成本最低；且隨著運輸距離的增加，不同運輸方式之間的運輸成本差距越來越大。

圖4 液態氫氣拖車數量、年運輸量與運輸距離的關系

2 站內能量轉換成本分析

2.1 制氫成本

制氫成本與制氫方式有關。常見方式有天然氣制氫、甲醇制氫、電解水制氫、煤/石油制氫等[4]。以制氫規模1 000 m3/h（標準狀態，以下氣體同）為例，根據2020年國家資源分布情況，選取不同制氫方式的平均數據，生產1 m3氫氣需要消耗0.6 m3天然氣、0.72 kg甲醇、5 kW·h電量、1.8 m3焦爐煤氣，按照天然氣單價3.2元/m3、甲醇單價2 200元/噸、電費單價0.8元/kW·h，設備折舊10年，土建折舊20年，對不同原料制氫的建設投資和運維成本進行估算，詳見表2。

表2 不同制氫方式成本估算 萬元

當制氫規模為1 000 m3/h時，天然氣、甲醇、電解水、焦爐煤氣的制氫總成本排序為：焦爐煤氣制氫＜甲醇制氫＜天然氣制氫＜電解水制氫。考慮到經濟性，如果要求氫氣成本＜2元/m3，則需要達到以下條件之一：1）天然氣單價＜2.65元/m3、甲醇價格低于2 319元/噸；或者2）用電單價低于 0.34元/kW·h，詳見圖6。焦爐煤氣制氫由于經濟性優勢目前已在我國推廣應用[5-7]，同時，其制氫副產LNG可在綜合能源站進行利用。

圖6 制氫成本與原料成本的關系

2.2 CNG成本

到站低溫LNG轉換為CNG的過程包含低溫LNG加壓、LNG高壓氣化為CNG兩個過程[8-9]，具體的壓力和儲氣裝置需根據實際情況確定。

按照規模為10 000 m3/天的加氣量計算，LNG加氣站及L-CNG加氣站的建設成本見表3，運維成本見表4。

表3 加氣站投資建設及設備成本 萬元

表4 加氣站運行及維護成本 元

2.3 充電樁成本

以60 kW的直流樁為例進行計算，成本如表5所示。

表5 60 kW直流充電樁成本費用估算

新能源車電容量大約在30~50 kW·h之間[10]，交流充電樁一般效率為88%，直流電效率為93%，則電費為電池容量／充電效率×電價。按照續航350 km、 電池容量46 kW·h、剩余電量10%、需充電44 kW·h進行計算，充電成本見表6。

由表6可知，以續航350 km的新能源汽車為例，充電每次電費最低約為20元，最高約為90多元；平均每公里電費從0.06元到0.30元不等。

表6 充電成本估算（電池容量46 kW·h）

3 綜合能源站成本模型及計算

3.1 綜合能源站成本模型

綜合能源站的選址問題要考慮的因素包括建站地址的能源環境現狀[11]，油[12]、氣、氫生產成本及運輸成本與電力成本[13-16]。以年總成本最低為目標函數，在容量、儲運方式等因素確定的條件下得到綜合能源站的最優位置。

式中，HP、HT、OP、OT、CP和CT分別表 示氫氣、油品、天然氣的生產成本和運輸成本， 元/年。

式中，C、O分別表示加氫站建設投資成本和運維成本，元/年；T表示碳稅成本，元/年；Cc表示單一加氫站的建設投資成本；rs表示貼現率；t表示折舊年限；ip表示單位氫氣生產成本，元/kg；M表示氫氣的年銷售量，kg。

式中，ip表示1 kg氫的生產成本；V表示加氫站的容量。

3.2 模型計算

由于油品、天然氣及電力的成本隨地區定價，相關工藝較為成熟，因此重點討論綜合能源站模型中氫氣部分的工藝方案。由上文可知，氫氣的生產成本與制氫方式和加氫站容量有關。以一座1 000 kg級的加氫站為例，因其流量較小，因此僅考慮高壓氫氣管束車、液氫槽車兩種運輸方式。考慮到制取端成本，根據《中國氫能行業發展白皮書（2020年）》，液氫的制取與加注成本約為29.5元/kg，高壓氫氣的制取與加注成本約為19.0元/kg，將兩種運輸方式的費用隨運輸距離的變化繪制在同一張圖中，結果如圖7所示。

圖7 氫氣到站成本與運輸方式、運輸距離的關系

由圖7可知，兩種運輸方式到站成本在350 km處相交。當運輸距離＜350 km時，宜采用高壓氫氣管束車的運輸方式；當運輸距離＞350 km時，宜采用液氫槽車運輸方式；當運輸距離＝350 km時，兩種方式均可。

年運輸量80萬kg時液氫運輸成本與不同負荷率下的高壓氫氣管道運輸成本如圖8所示。

由圖8可知，當管道氫氣負荷率達到60%及以上時，其運輸成本始終低于液氫運輸成本；當管道氫氣負荷率低于60%時，液氫運輸成本曲線與高壓氫氣管道運輸成本曲線相交于200 km（10%），300 km （20%），600 km（40%）左右。基于上圖增加氫氣制取成本，到站成本如圖9所示。

圖8 液氫運輸與高壓氫氣管道運輸費用的比較

圖9 液氫與高壓氫氣管道到站成本比較

由圖9可知，當運輸距離小于1 000 km、管道氫氣運輸系統負荷率10%~100%時，液氫運輸方式的氫氣到站成本始終高于管道氫氣運輸方式。

4 結論

1）油品、天然氣、氫氣的運輸成本均隨運輸距離的增加而增加，其中，氫氣運輸成本最高、油品運輸成本最低；運輸距離相同時，高壓氫氣管道運輸成本最高，液氫槽車運輸成本最低，且隨著運輸距離的增加，不同運輸方式之間的運輸成本差距越來越大。

2）可統籌建站規模、各地天然氣、石油、風光電等能源現狀，選擇不同的工藝制氫。天然氣和電力的成本主要受當地定價的影響。

3）油、氣、電、氫綜合能源站的選址需綜合考慮站內規模、當地資源、距離母站的運輸距離、管道氫氣負荷率等因素。以1 000 kg級的加氫規模為例，天然氣和電力成本為當地定價，當運輸距離＜350 km時，宜采用高壓氫氣管束車的運輸方式；當運輸距離＞350 km時，宜采用液氫槽車運輸方式；當運輸距離＝350 km時，兩種方式均可。