氫-水逆向運輸系統(tǒng)工程的方案設計及可行性分析

麻林巍， 韓儲銀， 李卓然， 李 政， 倪維斗

(1.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084；2.國家電力系統(tǒng)重點實驗室，北京 100084)

針對日益嚴峻的氣候變化與可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)，我國亟待發(fā)展清潔、低碳的新型燃料和化工原料來替代傳統(tǒng)的煤炭、石油產(chǎn)品和天然氣。而氫能是一種重要的替代選項，大力發(fā)展氫能也已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略,“十四五”規(guī)劃中明確將氫能列入“未來產(chǎn)業(yè)”規(guī)劃之中[1]。從氫能生產(chǎn)的未來方向來看，來自非化石能源的“綠氫”無疑將是發(fā)展重點[2]。

利用風、光等可再生能源發(fā)電來進行電解水制氫將是一種大規(guī)模制取“綠氫”的重要途徑，然而該途徑面臨著我國能源資源和水資源呈區(qū)域逆向分布的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟發(fā)達的東部地區(qū)對綠氫有著巨大的需求，而風、光資源卻主要分布在經(jīng)濟欠發(fā)達的西部地區(qū)。與此同時，西部地區(qū)水資源高度匱乏，限制了大規(guī)模電解水制氫的發(fā)展，而東部地區(qū)水資源豐富。為解決這一區(qū)域逆向分布挑戰(zhàn)，需要在跨區(qū)域合作的系統(tǒng)工程設計和運營上探索創(chuàng)新。

為此，首先提出了氫-水逆向運輸?shù)南到y(tǒng)工程設想：(1)建設橫跨東西部的輸水管道，將東部相對豐富的水資源調(diào)運至西部，解決西部水資源匱乏的問題；(2)在西部利用風、光電力電解東部運來的水來制氫，將制得的“綠氫”通過輸氣管道輸送至東部地區(qū)消費。由此形成“東水西送、西氫東送”的大循環(huán)，通過跨區(qū)域合作來促進“綠氫”的大規(guī)模開發(fā)利用。其次，筆者針對該設想開展了結合區(qū)域?qū)嶋H情況的工程方案設計，并建立了物質(zhì)能量平衡模型，然后進行核算。最后在此基礎上進一步建立了經(jīng)濟性模型，進行了技術經(jīng)濟性評估和多種商業(yè)運營模式的分析。

1 研究現(xiàn)狀與研究方法

所提出的氫-水逆向運輸系統(tǒng)工程設想是結合國情的原創(chuàng)性想法，經(jīng)調(diào)研，在國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)類似的文獻和工程。然而在可再生能源電解水制氫、跨區(qū)域輸氫和跨區(qū)域水資源運輸這些方面，各自都有一些可參考的文獻和工程。

在電解水制氫方面，楊昌海等[3]對以電解水制氫為核心制取原理的制氫-加氫站進行了年收益模型分析，研究結果顯示制氫-加氫站項目在低電價情況下具有比較好的收益效應，且氫氣價格相對于電價對該項目經(jīng)濟性的影響更大。張軒等[4]從氫能供應鏈出發(fā)，分別對制氫、運氫和加氫站成本進行了計算，發(fā)現(xiàn)運輸和加注環(huán)節(jié)成本較高，占到總成本的60%。而且隨著技術進步，“綠氫”會占據(jù)主流市場，達到一個臨界點后成本會快速降低，產(chǎn)業(yè)進入大規(guī)模發(fā)展階段。Chai等[5]研究認為，當電價低于0.3元/(kW·h)時，可再生能源電解水制氫成本與煤制氫成本相當。但整體來看，國內(nèi)對于跨省份、多主體的大型電解水制氫工程的經(jīng)濟性研究分析較少。

在跨區(qū)域輸氫方面，管道運氫是長距離運輸?shù)年P鍵手段，其研究熱點是天然氣摻氫運輸。綜合若干學者的研究[6-8]，將天然氣內(nèi)摻混氫氣的體積比例控制在 5%～15%范圍內(nèi)，在運輸過程和終端利用的安全性、市場化方面是比較適宜的。結合本文設想，若利用“西氣東輸”的現(xiàn)有天然氣管道來進行大規(guī)模、長距離輸氫，可以大大降低基礎設施建設的成本。

在跨區(qū)域水資源運輸方面，多個國家已經(jīng)有相關工程項目。例如，美國加州的“北水南調(diào)”工程是美國甚至世界最大的調(diào)水工程[9]；我國的“南水北調(diào)工程”總長度達4 350 km，實現(xiàn)了中國水資源的合理配置格局[10]。這些工程都為水資源跨區(qū)域運輸積累了經(jīng)驗，可供本工程參考。

整體來看，所提出的氫-水逆向運輸系統(tǒng)工程在上述各環(huán)節(jié)已有一定的研究基礎和工程實踐，但缺乏綜合這些環(huán)節(jié)的系統(tǒng)集成設計和定量評估。

為解決這一問題，參考Li等[11]提出的關于多能協(xié)同技術的“物理建模-經(jīng)濟性建模-商業(yè)模式分析”的三段式方法，筆者提出了適合研究該系統(tǒng)工程的“方案設計和物理建?！鷨沃黧w運營模式經(jīng)濟性建模→多主體運營模式分析”的三段式分析方法，該方法框架如圖1所示。在方案設計和物理建模部分，結合東、西部具體情況提出可行的工程方案，并開展物質(zhì)和能量守恒驗證，計算整體物質(zhì)和能量效率；在經(jīng)濟性建模部分，主要采用凈現(xiàn)值(NPV)方法進行技術經(jīng)濟評估，并完成單主體運營模式的計算；在多主體運營模式分析部分，進一步計算不同商業(yè)模式情景下各主體的成本和收益情況，并進行比較分析。

圖1 本文的研究框架圖Fig.1 Research framework of this paper

2 方案設計和物理建模

2.1 方案設計

根據(jù)氫-水逆向運輸系統(tǒng)工程的設想及文獻調(diào)研情況，提出的原則性流程為：首先，以修建輸水管道的方式將水資源從東部地區(qū)運輸至西部地區(qū)，大部分供給西部地區(qū)生產(chǎn)生活使用，小部分用于電解水制氫產(chǎn)業(yè)；其次，在西部建設電解水制氫工廠，利用當?shù)刎S富的可再生能源發(fā)電，制取氫氣；最后，將電解水制得的氫氣摻混入天然氣管道，通過高壓管道輸送的方式運回東部地區(qū)，銷售給下游的化工企業(yè)等用戶。

因長距離氣體管道運輸均為高壓運輸，故在氫氣進入輸氣管道前需要利用特種的氫氣壓縮機升壓，然后進入天然氣管道摻混運輸。在東部下游段，利用變壓吸附分離(PSA)技術將氫氣與天然氣分離，再將分離提純后的氫氣銷售給東部地區(qū)。具體設計方案如圖2所示。

圖2 本工程的物理系統(tǒng)設計方案Fig.2 Design scheme of physical system in the project

2.2 質(zhì)量和能量守恒方程的推導

由于該系統(tǒng)是涉及多個環(huán)節(jié)的復雜系統(tǒng)，其中存在工質(zhì)種類發(fā)生變化、物質(zhì)損失等多類現(xiàn)象，因此為推導方便，將全系統(tǒng)按照環(huán)節(jié)發(fā)生的先后順序分割為不同的子過程，具體過程已在圖2中標出，如1～5過程。

其中，在氫氣壓縮環(huán)節(jié)，由于壓縮機密封性好，因此將該過程視為無物質(zhì)損失過程，且壓縮機有保溫層，壓縮過程快，可近似視為壓縮過程未與外界發(fā)生熱量交換，即無能量損失。

對系統(tǒng)1→2、2→3、3→4、4→5過程的質(zhì)量(m)守恒推導結果分別為：

mH2O,初始=mH2O,進入電解+mH2O,銷售+mH2O,管道損失

(1)

mH2O,進入電解=mH2,1.5 MPa+mO2+m電解水物質(zhì)損失

(2)

mH2,1.5 MPa=mH2,8 MPa+mH2,管道損失

(3)

mH2,下游=mH2,8 MPa-mH2,分離損失

(4)

將以上各子過程質(zhì)量守恒方程進行總體加和并化簡，即可得到全系統(tǒng)的質(zhì)量守恒方程：

mH2O,初始=mH2,下游+mO2+mH2,分離損失+

mH2,管道損失+m電解水物質(zhì)損失+mH2O,銷售+mH2O,管道損失

(5)

對系統(tǒng)1→2、2→3、3→4、4→5過程的能量(q)守恒推導結果分別為：

-q輸水管損=(h2-h1)+gx(z2-z1)-w泵,輸水管道

(6)

w電解水-q電解水耗散=uH2+uO2-uH2O

(7)

-q輸氣管損=(h4-h3)+g×(z4-z3)-w壓縮機

(8)

-qPSA設備管損=(h5-h4)-wPSA設備

(9)

式中：h為焓值；g為重力加速度；z為高度；w為機械功；u為內(nèi)能。

將以上各子過程能量守恒方程進行總體加和并化簡，即可得到全系統(tǒng)的能量守恒方程：

w泵，輸水管道+w電解水+w壓縮機+wPSA設備=

(h2-h1+h5-h3)+(uH2+uO2-uH2O)+

q輸水管損+q電解水耗散+q輸氣管損

(10)

2.3 子環(huán)節(jié)設計

由于缺乏現(xiàn)成的輸水管道，故本工程中的輸水管道擬采用新建方式。考慮到輸水與用氫需求，管道的起點城市應當具備豐富的水資源且擁有密集的化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)，經(jīng)綜合考慮選定為上海市。一方面，上海位于長江入海口處，具有豐富的水資源，據(jù)統(tǒng)計，2020年上海太湖流域來水量201.8億m3，長江干流來水量11 620億m3，可滿足調(diào)水需求[12]；另一方面，在上海南部的金山區(qū)和奉賢區(qū)，專門設有化學工業(yè)區(qū)，這些區(qū)域化工企業(yè)密集。同時，甘肅省酒泉市具有風力資源豐富、風電裝機規(guī)模大、風電消納困難的特點，因此將其選定為管道終點。輸水管道設定為直線軌跡。

經(jīng)實際地圖測距，管道全長2 324.8 km。參考美國加州“北水南調(diào)”工程、我國“南水北調(diào)”東線工程及“南水北調(diào)”中線工程的實際數(shù)據(jù)，對管道造價進行估算，得到海拔差與造價的關系式。擬合結果如圖3所示。

圖3 輸水管道造價函數(shù)擬合曲線Fig.3 Fitting curve of water pipeline cost function

本工程中，上海市和酒泉市的海拔差為1 478.8 m，代入擬合公式可得到噸單位公里造價為0.019 2元?？紤]到上?！迫€的輸水管道較長，經(jīng)綜合考量，將管道運水量設定為20億m3/a，通過計算得到輸水管道造價估計值為893億元。電解水裝置部分的數(shù)據(jù)輸入情況如表1所示，部分數(shù)據(jù)由政策文件及統(tǒng)計年鑒取得[13-14]。

在氫氣壓縮機選擇上，目前市場上主要有液驅(qū)壓縮和隔膜壓縮2種類型，其中隔膜壓縮機壽命短、性能低，故本研究采用液驅(qū)壓縮機[15]。氫氣壓力從1.5 MPa壓縮到8 MPa，壓縮比為5.33，采用二級壓縮方式。

在輸氣管道的方案選擇上，氫脆等現(xiàn)象的存在使得氫氣的管道運輸成本高于天然氣的管道運輸成本[16]。本工程擬采用租賃現(xiàn)有西氣東輸天然氣管道的摻混運輸方式。關于管道氫氣損失問題，由于氫氣的滲透率大于天然氣，摻氫運輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生氫氣損失，比例一般小于3%[17]。綜合考慮后，本案例中將天然氣管道損失的比例取為2%。管道租賃價格采用固定資產(chǎn)租賃價格理論公式推導得到。

輸氣管道部分的輸入數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 電解水裝置部分的數(shù)據(jù)輸入?yún)R總表Tab.1 Summary sheet of data input of electrolytic water device

表2 輸氣管道數(shù)據(jù)輸入?yún)R總表Tab.2 Summary sheet of data input of gas transmission pipeline

在氫氣分離技術方面，國內(nèi)的主要氫氣分離方法包括變壓吸附分離技術、膜分離法和深冷分離法[18]。本工程中，考慮到產(chǎn)生的氫氣產(chǎn)品最終將以商品投向市場，對商品化氫氣的純度要求較高，如對于化工企業(yè)，用氫的純度一般需要大于99.9%[19]。因此，選擇變壓吸附分離方法作為下游氫氣的分離方法。數(shù)據(jù)輸入如表3所示，數(shù)據(jù)系文獻及市場調(diào)研后得到[20]。

2.4 物質(zhì)和能量效率估算

以年度流量為例，全系統(tǒng)質(zhì)量流動分布的計算結果如表4所示。

表3 變壓吸附分離部分的數(shù)據(jù)輸入?yún)R總表Tab.3 Summary sheet of data input of PSA separation part

表4 全系統(tǒng)質(zhì)量流動分布情況計算表Tab.4 Calculation table of mass flow distribution of the whole system

定義不考慮氧氣產(chǎn)物的全系統(tǒng)物質(zhì)效率(ηm)如下：

(11)

代入相關參數(shù)計算得到全系統(tǒng)物質(zhì)效率為93.563 2%，質(zhì)量損失主要發(fā)生于輸水管道的漏水損失。

在能量效率方面，全系統(tǒng)能量輸入和能量輸出的計算結果如表5和表6所示。

表5 全系統(tǒng)能量輸入情況計算表Tab.5 Calculation table of power input of the whole system

定義全系統(tǒng)的制氫能量效率(ηe)為：

(12)

計算可得全系統(tǒng)制氫能量效率為44.25%，全過程的主要能量損失來源于電解水過程熱損失和分離過程氫氣能量損失。

表6 全系統(tǒng)能量輸出情況計算表Tab.6 Calculation table of power output of the whole system

3 單主體運營模式經(jīng)濟性建模

3.1 評估方法

工程項目的技術經(jīng)濟評估中通常使用的方法有凈現(xiàn)值方法和內(nèi)部收益率(IRR)方法。由于本項目屬于能源項目，在需求端具有較強的確定性，理論上凈現(xiàn)金流預測的精確性較高。對于此類項目，普遍更傾向于使用NPV方法[11]。因此本工程采用NPV方法作為經(jīng)濟性計算方法。

NPV方法中首先取定貼現(xiàn)率，將未來期間的凈現(xiàn)金流貼現(xiàn)至當期后再減去初始投資，差值即為項目凈現(xiàn)值。當凈現(xiàn)值為正值時認為該項目增加了企業(yè)的價值，應當進行投資；凈現(xiàn)值為負時不應當進行投資；凈現(xiàn)值為零時，項目盈虧平衡，是企業(yè)勉強可進行投資的凈現(xiàn)值點，當然企業(yè)也可以選擇拒絕投資。

3.2 輸入?yún)?shù)

本案例中，假定初始投資發(fā)生于工程建設期的末端時刻，即工程運營期的初始時刻。

工程運營期內(nèi)第i年的現(xiàn)金流量計算公式為：

Ai=(Bi-Ci)·(1-T)+Di·T

(13)

式中：Ai為工程運營期內(nèi)第i年的現(xiàn)金流量；Bi為第i年的銷售現(xiàn)金流入；Ci為第i年的銷售現(xiàn)金流出；Di為第i年的工程總折舊金額；T為企業(yè)所得稅稅率。

本工程凈現(xiàn)值NPV為：

(14)

式中:A0為工程初始投資；r為貼現(xiàn)率；年數(shù)指標0表示工程初始節(jié)點，在本案例中設為第1年年初；i∈[1,20]。

經(jīng)濟性計算中的通用數(shù)據(jù)輸入如表7所示。

表7 經(jīng)濟性計算的通用數(shù)據(jù)輸入?yún)R總表Tab.7 Summary sheet of general data input of economic calculation

3.3 單主體運營模式計算

單主體運營模式即工程全流程由單一企業(yè)運作的模式,該模式的示意圖如圖4所示。單主體運營模式下，經(jīng)濟性計算數(shù)據(jù)輸入如表8所示。凈現(xiàn)值計算過程如表9所示。

由式(14)計算可得，整體工程的凈現(xiàn)值為-701.35億元，此凈現(xiàn)值為負且絕對值金額巨大，意味著該工程的投資價值較差，需要政府給予大量資金補貼。凈現(xiàn)值為負的主要原因在于輸水管道造價過高，同時單企業(yè)主體需負責全系統(tǒng)各項業(yè)務，對企業(yè)的綜合運營能力挑戰(zhàn)較大。

圖4 單主體運營模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of single entity operation mode

表8 單主體運營模式下經(jīng)濟性計算數(shù)據(jù)輸入表Tab.8 Input table of economic calculation data under single entity operation mode 億元

4 多主體運營模式分析

為了進一步探索該工程在商業(yè)運營上的可行性，引入多主體運營模式，并就不同運營模式下對各企業(yè)主體的成本和收益進行分析。

4.1 “基礎設施主體+雙區(qū)域主體”模式

考慮到該工程屬于跨省工程，而不同區(qū)域的情況不同，區(qū)域內(nèi)企業(yè)進行域內(nèi)自我管理的模式應與各省的現(xiàn)實情況相適應?；谝陨峡紤]引入“基礎設施主體+雙區(qū)域主體”的多主體運營模式，主要過程為：基礎設施主體A負責輸水管道的建設，并從上海地區(qū)取水運輸至西部地區(qū)銷售。同時主體A從酒泉區(qū)域主體B處購買其在當?shù)厣a(chǎn)的氫氣，通過租賃管道的方式將氫氣運往上海地區(qū)，將氫氣銷售給上海區(qū)域主體C；區(qū)域主體B為甘肅省內(nèi)企業(yè)，主要業(yè)務為電解水制氫；區(qū)域主體C為上海市企業(yè)，從基礎設施主體A處購得氫氣，分離提純后將氫氣向市場銷售。該模式的示意圖如圖5所示。

由于本模式是假設性的，存在企業(yè)間氫氣內(nèi)部價格，而該價格尚無市場參考依據(jù)。因此設圖5中1、2、3點處的價格分別為氫氣單價1、2、3。氫氣單價1和氫氣單價2的取值方法為：令區(qū)域主體B的工程凈現(xiàn)值恰好為0元，確定氫氣單價1；令區(qū)域主體C的工程凈現(xiàn)值恰好為0元，確定氫氣單價2。根據(jù)上述原則所確定的氫氣單價1為2.035 5元/m3，氫氣單價2為10.825元/m3。氫氣單價3存在市場參考依據(jù)，取為14.81元/m3(與單主體運營模式下的氫氣價格取值一致)。

表9 單主體運營模式下項目凈現(xiàn)值計算表Tab.9 Calculation table of project net present value under single entity operation mode

基于上述氫氣單價，計算可知基礎設施主體A的工程凈現(xiàn)值為-701.33億元，經(jīng)濟性較差，不具備投資價值。

為使工程具備可行性，政府一方面可進行資金補貼，為主體A提供約701億元的補貼。另一方面，政府可政策性地提高氫氣價格，將氫氣單價提高到68元/m3，而上海當前氫氣最高單價為37元/m3，漲幅達到了83.8%。

但是，這2種方案現(xiàn)實可行性均較低。若政府為本項目提供大額補貼資金，會帶來沉重的財政負擔，在現(xiàn)實操作層面也充滿不確定性。氫氣作為用于工業(yè)的非日常所需商品，當前均采用市場化定價方式，若采取通過國家手段統(tǒng)一價格的做法，不利于維護社會主義市場經(jīng)濟秩序。

4.2 專業(yè)化分工模式

由于業(yè)務類型涵蓋運輸水業(yè)務和氫氣產(chǎn)、運、售等多個不同環(huán)節(jié)，故引入一種專業(yè)化分工的模式，以工程流程為序，將不同的業(yè)務環(huán)節(jié)分拆給不同主體運營。具體的運營模式如圖6所示。

在專業(yè)化分工模式中，主體A主要負責運輸水業(yè)務，修建輸水管道后從上游地區(qū)引入水流，運輸至下游地區(qū)進行銷售。區(qū)域主體B為西部地區(qū)專業(yè)的電解水制氫行業(yè)企業(yè)，向上游主體A購買水資源后，利用電解水設備制取氫氣并加壓。企業(yè)主體C為上海地區(qū)的氣體企業(yè)，通過輸氣管道的租賃將西部地區(qū)產(chǎn)生的氫氣運輸回上海銷售。

圖5 “基礎設施主體+雙區(qū)域主體”模式示意圖Fig.5 Schematic diagram of operation mode of "infrastructure subject and dual regional subjects"

通過實際測算，可確定氫氣單價4為2.035 5元/m3，氫氣單價5為3.706 5元/m3。如前述過程，通過經(jīng)濟性建模和計算得到運售水主體A的工程凈現(xiàn)值為-864.45億元，工程經(jīng)濟性較差，不具備投資價值。

為使項目具備可行性，政府一方面可以通過財政調(diào)撥將區(qū)域主體C的盈余現(xiàn)金流量轉移至主體A，并提供約692億元補貼以改變主體A的經(jīng)濟性。另一方面，政府還可將運輸水有選擇性地銷售給工商業(yè)及服務業(yè)用戶等高端行業(yè)，以提升售水價格。

專業(yè)化分工的模式下，各主體負責單一業(yè)務，可最大程度上實現(xiàn)專業(yè)化經(jīng)營。政府作為中間管理者，可以通過財政調(diào)撥將現(xiàn)金流量在企業(yè)間均勻分配，使得各主體更加均勻地分攤成本與收益，同時所需提供的補貼資金也有所降低，這一模式有利于充分調(diào)動參與方的積極性。引導調(diào)水資源銷往高端行業(yè)的方式在目前政府機構所管轄的范圍內(nèi)具備基本的可行性。因此，本文的初步模式建議為專業(yè)化分工模式。

5 結論和建議

(1) 全系統(tǒng)氫的物質(zhì)效率為93.563 2%，質(zhì)量損失主要源自輸水管道漏水；全系統(tǒng)制氫的能量效率為44.25%，能量損失主要源自電解水過程熱損失和氫氣分離能量損失。

(2) 單主體運營模式下的凈現(xiàn)值為-701.35億元，需要政府給予大量資金補貼。同時，單主體運營涉及多個業(yè)務板塊，對單個企業(yè)的綜合運營能力提出了挑戰(zhàn)。

(3) “基礎設施主體+雙區(qū)域主體”模式下，區(qū)域主體B和C的工程凈現(xiàn)值良好，而基礎設施主體A的經(jīng)濟性較差，需要政府補貼約701億元或利用政策將氫氣價格提高至68元/m3，但這2種方案的現(xiàn)實可行性均較低。

(4) 專業(yè)化分工模式下，制氫企業(yè)主體B和運售氫企業(yè)主體C的工程凈現(xiàn)值良好，運售水主體A經(jīng)濟性仍然較差。政府可考慮“財政調(diào)撥+補貼”的方式改變主體A的經(jīng)濟性，或?qū)⑦\輸水有選擇性地銷往工商業(yè)及服務業(yè)用戶，以此提升水價。這2種方案在現(xiàn)實中具備基本可行性。因此，本文建議實施專業(yè)化分工的運營模式。

下一步，建議對該工程的實施可行性進行進一步論證，同時研究將氫氣在西部地區(qū)合成為甲醇，將甲醇作為能量載體運輸回東部地區(qū)的方案。