外供氫與現場制氫加氫站的氫氣成本分析

1 加氫站概述

1.1 全球加氫站發展現狀

加氫站根據氫氣來源不同，可分為外供氫加氫站和現場制氫加氫站；根據氫氣儲存相態不同，可分為氣態加氫站和液態加氫站；根據供氫壓力等級，可分為35 MPa和70 MPa壓力加氫站。目前我國的加氫站主要以外供氫、氣態、35 MPa壓力加氫站為主

。

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

。

1.2 加氫站建設的制約因素

加氫站建設的主要制約因素有氣源、下游用戶、投資環境、技術以及相關政策等。氣源是加氫站能否正常運行的關鍵，是加氫站建設的主要制約因素

。目前，制氫產業主要有以下3種較為成熟的技術路線：以煤炭、天然氣為代表的化石能源以及化石燃料轉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；以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業副產氣制氫；電解水制氫。各種技術路線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格，水電解制氫成本主要取決于電價

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

。此外，氫氣的儲運也是氫能產業的瓶頸。高壓氣態儲氫是目前較為成熟的技術，具有充放氣快、成本低等優點；但高壓氣態儲氫通常需要能夠承受高壓的儲氫壓力容器，壓縮過程中能耗較大

。隨著可再生能源的發展以及用氫量的上升，氫氣大規模、低成本儲運也是亟待解決的問題

。

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。現代藥理學研究表明，人參皂苷具有增強機體免疫力、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，對白血病、結腸癌和骨肉瘤等多種腫瘤均表現出較強的抗腫瘤作用。

2 加氫站成本模型與氫使用成本計算

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算的方法。該模型已應用于美國加利福尼亞州氫能高速公路網的成本分析

，具有一定的有效性。此模型根據各類加氫站的設計標準將成本分為4部分，包括：建設成本、運營成本、運輸成本以及原料成本。建設成本：建站所需的固定資產成本(設備成本)、安裝成本以及所需的土地和土建成本；運營成本：管理運營如維護、租金、人工以及保險等費用；運輸成本：運輸氫氣到加氫站的費用；原料成本：購買天然氣、甲醇以及水、電等制氫原料和動力或氫的費用。

供氫能力為1 000 kg/d的外供氫加氫站的主要設備配置見表1。一般有移動儲氣和固定儲氣兩種儲氣方式。移動儲氣采用2輛長管拖車作為現場儲氣，單車儲氫量約為300 kg；固定儲氣設置6瓶和9瓶兩組儲氫瓶，總儲氫量可達500 kg。

加氫站年均成本計算公式

為:

=

+

+

+

(1)

式中

——加氫站年均成本，元/a

——年原料成本，元/a

——年運營成本，元/a

氫使用成本計算式

為:

——建設成本的年折舊費，元/a

——年運輸成本，元/a

(2)

在不考慮政府補貼的情況下，計算了供氫能力500 kg/d和1 000 kg/d的外供氫加氫站的建設成本，見表2。對于外供氫加氫站，壓縮機、儲氫瓶及加氫系統(含加氫機、卸氣柱、氫氣管道系統、放散系統、置換吹掃系統、儀表風系統、安全監控系統以及其他的管路材料、連接等)是最核心的成本構成部分，約占加氫站建設成本的58%；壓縮機約占建設成本的30%。這是因為目前國內核心設備技術落后，主要依賴進口。因此，對核心設備進行國產化是國內加氫站技術升級的最核心、最切實的方向。

2018年以來，中國家電市場整體面臨的壓力較大，從下圖中的數據我們可以看出，2017年全年，中國家電市場零售額增速為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，今年的中國家電零售業可能將迎來整體“失速”的危機。

——加氫站的年氫氣銷售量，kg/a

2.2 加氫站建設成本估算

摻雜Sc3+的Nd∶LuSGG晶體具有更寬的吸收和發射譜線、小的發射截面及長的熒光壽命，有利于在超短超快激光方面有所應用．Kaminskii A.A.在1994年[39]用提拉法首次生長出Nd∶Lu3Sc2Ga3O12晶體，在室溫下用激光二極管和Xe閃光燈泵浦激發出1 062.2 nm波長的激光．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的被動調Q脈沖激光，由于該晶體生長制備的方法為浮區法，晶體的缺陷較多，其激光性能受到影響．

Hallak、Assaker等[20]通過最小二乘結構方程模型來檢驗旅游目的地的感知質量對忠誠度的影響程度，發現與感知價值相比，感知質量對忠誠度(通過滿意度直接和間接體現)的影響更大；黃天航等[21]在對歐洲智能城市的發展研究中指出，教育質量、交通質量、環境質量、政府管理等與城市的發展具有正相關性。而智慧交通、智慧教育等是智慧城市建設的主要內容，也是智慧城市建設感知質量的主要體現。因此，提出以下理論假設：

依托長流規，加強治江頂層設計。規劃是治江各項工作的龍頭。2013年，長江委切實加強治江頂層設計，長江流域水利規劃和前期工作進展順利。結合新修編的長流規對水利工作提出的新要求和治江工作實際，長江委廣泛、深入地開展宣貫工作，提高了全委干部職工及社會各界對長流規的認識和了解。同時，組織開展了數十項水利規劃編制工作，其中，修訂完成《長江中下游干流河道治理規劃》，編制完成岷江、雅礱江、贛江、沅江等流域綜合規劃，基本完成湘江、資水、撫河、信江等流域綜合規劃。加緊組織開展長江流域（片）水中長期供求規劃、主要江河流域水量分配方案制定、全國治澇規劃等規劃編制工作。

式中

——氫使用成本，元/kg

① 外供氫加氫站的建設成本

由表4可知，硅-焓方程法計算得出的熱儲溫度為182.36 ℃～274.58 ℃，冷水混合比例為39.47%～85.88%；硅-焓圖解法計算的結果為172.58 ℃～258.23 ℃，冷水混入比例為39.19%～86.46%。對比發現由混合模型計算的熱儲溫度與Na-K溫標計算的溫度較為接近，與其他溫標及實測情況偏離較大。

② 現場制氫加氫站的建設成本

對于供氫能力為500 kg/d的現場制氫加氫站，在不考慮政府補貼的情況下，對現場天然氣重整制氫(以下簡稱天然氣重整制氫)、現場電解水制氫(以下簡稱電解水制氫)以及現場甲醇重整制氫(以下簡稱甲醇重整制氫)這3種現場制氫加氫站的建設成本進行了估算，結果見表3。

由表3可知，在現場制氫加氫站中，制氫裝置成本的占比很大。由于甲醇重整制氫技術所需反應溫度較低，故其制氫裝置成本在3種制氫技術中最低。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場制氫加氫站建設成本的關鍵。一般地，現場制氫加氫站建設成本遠高于外供氫加氫站，但其優勢是省去了運輸氫氣的費用。此外，現場制氫使遠離大規模氫源的地區建設加氫站變得現實可行，因此現場制氫技術是必須要發展的。

有關數據顯示，在施工過程中遇到的大多數的施工項目具有區域性強，流動性大，耗費時間與材料等等難題。所以針對現在施工中的幾個特點，制定以下幾個管理內容以增強路橋施工的管理性：

2.3 氫使用成本估算

① 外供氫加氫站的氫使用成本

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

元/(人·a)計。假設其他運營管理成本如租金、維護和保險等費用的總和等于人工成本。不同制氫技術及運輸距離下原料及運輸成本見表4

。假設工業副產物制氫作為氫源，氫氣運輸距離為50 km。每年工作時間若按300 d計，則外供氫加氫站的氫使用成本測算見表5。

② 現場制氫加氫站的氫使用成本

對于現場制氫加氫站，建設成本的年折舊費計算方法同外供氫加氫站。對于500 kg/d現場制氫加氫站，假設現場員工有6人，薪資按8×10

元/(人·a)計。假設其他運營成本如租金、維護和保險等費用的總和等于人工成本。水一般在當地取用。天然氣、甲醇等的運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格為2.5元/m

，電解水制氫中水的價格為4元/t，甲醇重整制氫中甲醇的價格為2.4元/kg，動力煤的價格為0.5元/kg。3種現場制氫方式中，電價均為0.6元/(kW·h)，脫鹽水價格為10元/t，循環水價格為1元/t。在天然氣重整制氫中，生產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，用動力煤量為1.56 kg。

根據上述假設計算得到供氫能力500 kg/d的現場制氫加氫站的氫使用成本，見表6。對于電解水制氫加氫站，用電成本占比最大。對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格是影響此類加氫站成本的關鍵因素，這類加氫站對于原料便宜易得的地區具有優勢。例如，天然氣制氫在四川具有優勢，甲醇制氫在陜西、內蒙古和山西具有優勢。

3 結論

① 不同類型的加氫站建設成本差異較大。外供氫加氫站中，壓縮機、儲氫瓶、加氫系統成本占比最高，約占58%。對于現場制氫加氫站，在相同供氫能力下，電解水制氫加氫站建設成本遠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成本占比最高，約占59%。

② 對于現場制氫加氫站，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低于電解水制氫加氫站。天然氣或甲醇等原料價格是影響天然氣重整制氫或甲醇重整制氫加氫站的關鍵因素，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場制氫加氫站成本的關鍵。

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