摘要
目的——文章研究規(guī)?；瘹淠芄?yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)性，未來(lái)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(lái)社會(huì)能源總成本。預(yù)測(cè)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(chǎng)化的趨勢(shì)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(chǎng)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?jī)r(jià)格(POE)的概念，預(yù)測(cè)未來(lái)氫能價(jià)格的合理區(qū)間。解決供應(yīng)鏈問(wèn)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(zhǎng)距離輸送氫能的問(wèn)題。
方法——利用平準(zhǔn)化氫氣成本(LCOH)分析模型，測(cè)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(chǎng)景和成本，預(yù)測(cè)短距離輸氫的成本趨勢(shì)。
結(jié)果——研究表明：我國(guó)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(lái)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(cè)算成本都在1.2 RMB/Nm3以下，由此評(píng)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?jī)r(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(wú)補(bǔ)貼的情況下實(shí)現(xiàn)中國(guó)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(guó)能源問(wèn)題的最終解決方案，將深刻影響中國(guó)能源應(yīng)用的前景。2019年，中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布了《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，到2050年，氫能將在中國(guó)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(guó)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(wàn)億元經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。而“綠氫”可再生能源制氫將是未來(lái)的主要?dú)錃鈦?lái)源，到2050年，可再生能源制氫超過(guò)80%。
這個(gè)億噸級(jí)氫能的目標(biāo)，將改變中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)并推動(dòng)中國(guó)進(jìn)入氫能社會(huì)，中國(guó)具有廣闊的西部荒漠和良好的光照條件，可開(kāi)發(fā)的“綠氫”資源超過(guò)3億噸。完全能夠滿足我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的自給自足的無(wú)碳?xì)淠?，將從根本上改變我?guó)能源戰(zhàn)略安全。
但我國(guó)西部?jī)?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(kāi)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(guó)氫氣市場(chǎng)的現(xiàn)狀
中國(guó)是氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2018年中國(guó)氫氣生產(chǎn)約2000萬(wàn)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(guó)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(guó)內(nèi)的資料顯示（見(jiàn)表1），中國(guó)氫氣的市場(chǎng)大致分為燃料氫、化工氫、能源氫，對(duì)應(yīng)的氫氣市場(chǎng)價(jià)格分別為：
6 MPa化工氫，1~5萬(wàn) 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(guò)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(chǎng)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(chǎng)的需求主體。
高純氫和能源氫對(duì)高純度要求和相對(duì)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(chǎng)，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(chǎng)景，促進(jìn)能源氫大規(guī)模的需求增長(zhǎng)，將是未來(lái)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(shì)。
中國(guó)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(guò)整理公開(kāi)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)。
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(chǎng)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?jī)r(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(duì)比，以分析其經(jīng)濟(jì)性條件。氫氣與成品油、天然氣等市場(chǎng)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?jī)r(jià)格是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)原油熱值，對(duì)不同能源價(jià)格進(jìn)行比較的方法，原油當(dāng)量?jī)r(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(chǎng)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(guò)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?jī)r(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(guò)對(duì)氫和其他能源在同等當(dāng)量?jī)r(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(lái)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(guò)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(guó)67%的氫氣是通過(guò)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(guó)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(duì)煤炭的清潔利用，裝置規(guī)模超過(guò)每小時(shí)20萬(wàn)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(guó)外化石能源制氫主要是水合天然氣重整，裝置簡(jiǎn)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(lái)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(guó)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(kāi)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(lái)水電解技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，國(guó)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(guó)在利用水電資源，通過(guò)水電解制氫供應(yīng)加氫站，美國(guó)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(guó)Siemens的10 MW級(jí)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(duì)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(shì)，是近年來(lái)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(guó)石油經(jīng)濟(jì)研究院惠州煉油項(xiàng)目測(cè)算的制氫成本大制如表6所示。
我們收集整理了目前國(guó)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(chǎng)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(guó)際能源署提出的目標(biāo)是質(zhì)量?jī)?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(guò)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(guò)程中儲(chǔ)運(yùn)成本；C t為接收過(guò)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(guò)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(guó)在氫能產(chǎn)業(yè)起步于NASA的航天用液氫，因而美國(guó)有比較完整的液氫供應(yīng)鏈。但其他國(guó)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(zhǎng)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(guò)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(kāi)始顯現(xiàn)出遠(yuǎn)距離的成本優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)景，液氫則具有特殊的高純優(yōu)勢(shì)和單車運(yùn)輸量，可能作為未來(lái)的應(yīng)用。
因此，短程的氫能分銷場(chǎng)景，城市氫管、高壓氣氫和金屬固氫未來(lái)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(wàn)Nm3/h以上，規(guī)模超過(guò)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(guó)西電東送、西氣東送類似，和未來(lái)的西氫東送都屬于國(guó)家戰(zhàn)略能源運(yùn)輸，在未來(lái)會(huì)支撐起中國(guó)能源的骨干體系。氫氣配送管道建設(shè)成本較低，但氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)難度大、成本高，目前氫氣長(zhǎng)輸管道的造價(jià)約為63萬(wàn)USD/km。
管道運(yùn)輸對(duì)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(guó)現(xiàn)有的氫氣管道超過(guò)1 400 km。世界最長(zhǎng)的氫氣管道位于法國(guó)和比利時(shí)之間，長(zhǎng)約400 km。
2014年，中國(guó)建成的最長(zhǎng)氫氣長(zhǎng)輸管道——巴陵石化氫氣長(zhǎng)輸管道，全長(zhǎng)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(jí)的提高和規(guī)模增加，預(yù)計(jì)將在未來(lái)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(duì)成本的影響更加顯著，而氫氣未來(lái)可以直接應(yīng)用于終端能源消費(fèi)。
而管道輸氫對(duì)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(lái)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(shì)。
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(wàn)t/a的光伏制氫系統(tǒng)（如圖8所示），以分析其中氫礦開(kāi)發(fā)成本的影響因素的敏感性，和綠氫的成本趨勢(shì)。
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(wàn)t/a的電解水系統(tǒng)，和100萬(wàn)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(wàn)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(lái)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。荒漠氫田測(cè)算收益如表13所示。
參考能源行業(yè)的測(cè)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(cè)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(duì)項(xiàng)目投資的回報(bào)率要求。
為評(píng)估大規(guī)?？稍偕茉粗茪涞慕?jīng)濟(jì)性，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行平準(zhǔn)化單位成本測(cè)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(duì)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(cè)算。在本項(xiàng)目中對(duì)氫氣的終端成本進(jìn)行平準(zhǔn)化成本測(cè)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(yíng)期后殘值；An 為項(xiàng)目年度運(yùn)營(yíng)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(cè)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(jiàn)表15和圖10）可以看出，投資對(duì)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(yáng)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?jī)r(jià)格。因此，可以看到，大規(guī)模可再生能源制氫的LCOH平準(zhǔn)制氫成本，對(duì)資產(chǎn)投資的敏感性很高，未來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(guó)的天然氣經(jīng)歷了近20年的快速發(fā)展，我國(guó)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(lái)進(jìn)口氫等多來(lái)源的供應(yīng)，將會(huì)主導(dǎo)我國(guó)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(chǎng)價(jià)格體系。
2016年，全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的《中國(guó)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(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(wàn)輛，高壓氫氣長(zhǎng)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(guó)家水平，氫能與燃料電池檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展及服務(wù)平臺(tái)建設(shè)形成對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效支撐。
因此，我國(guó)未來(lái)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)?；臍淠軕?yīng)用和氫能供應(yīng)鏈，綠氫通過(guò)輸氫干線到達(dá)城市門站后，通過(guò)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(duì)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(guó)內(nèi)仍沒(méi)有適用于氫氣長(zhǎng)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(guó)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(guò)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(zhǎng)輸管道線路設(shè)計(jì)》[12]中提出，氫氣與天然氣長(zhǎng)輸管道對(duì)冷彎彎管、環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)、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(guó)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(duì)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(guò)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(lái)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(shì)，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(chǎng)的獨(dú)特性，能源氫與原料氫氣在市場(chǎng)上有明顯的市場(chǎng)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(chǎng)的快速發(fā)展。通過(guò)對(duì)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(jiǎn)單廉價(jià)，隨著氫氣輸送規(guī)模的增加，固氫和有機(jī)氫開(kāi)始顯現(xiàn)出遠(yuǎn)距離的成本優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)景，液氫則具有特殊的高純優(yōu)勢(shì)和單車運(yùn)輸量，可能作為未來(lái)的應(yīng)用。
（4）通過(guò)對(duì)氫能中遠(yuǎn)期的發(fā)展過(guò)程，規(guī)?；斔湍Ｊ降慕?jīng)濟(jì)性比較，未來(lái)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(lái)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(guò)構(gòu)建一個(gè)80萬(wàn)t/a制氫輸氫一體的，距離1 500 km的西部氫田，預(yù)測(cè)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(lái)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(guó)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(guò)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)?；瘜⑼ㄟ^(guò)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(jìng)爭(zhēng)力，而燃料電池更高的能量利用效率。在未來(lái)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(guó)的能源戰(zhàn)略格局。
