外供氢与现场制氢加氢站的氢气成本分析

1 加氢站概述

1.1 全球加氢站发展现状

加氢站根据氢气来源不同，可分为外供氢加氢站和现场制氢加氢站；根据氢气储存相态不同，可分为气态加氢站和液态加氢站；根据供氢压力等级，可分为35 MPa和70 MPa压力加氢站。目前我国的加氢站主要以外供氢、气态、35 MPa压力加氢站为主

。

截至2020年底，全球共有在营加氢站553座，另外有225座加氢站正在计划投建。其中欧洲共有200座在营加氢站，以德国为最多，共有在营加氢站100座；法国在营加氢站34座，位居第二。北美的加氢站大部分位于美国加州，其中在营加氢站49座。亚洲共有275座加氢站，其中日本142座，位居全球首位；韩国在营加氢站60座；中国在营加氢站69座。这些加氢站目前多用于巴士等公共车辆的氢气加注

。

1.2 加氢站建设的制约因素

加氢站建设的主要制约因素有气源、下游用户、投资环境、技术以及相关政策等。气源是加氢站能否正常运行的关键，是加氢站建设的主要制约因素

。目前，制氢产业主要有以下3种较为成熟的技术路线：以煤炭、天然气为代表的化石能源以及化石燃料转化得到的含氢载体如氨气、甲醇、乙醇、肼、汽油和柴油重整制氢；以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；电解水制氢。各种技术路线的制氢成本及影响因素不同，如天然气及甲醇重整制氢主要取决于原料的价格，水电解制氢成本主要取决于电价

。在我国，目前制氢成本最低的技术是煤气化制氢，但天然气制氢是我国最主要的氢气来源，占总制氢量的48%。电解水的制氢量最少，占比仅为4%

。此外，氢气的储运也是氢能产业的瓶颈。高压气态储氢是目前较为成熟的技术，具有充放气快、成本低等优点；但高压气态储氢通常需要能够承受高压的储氢压力容器，压缩过程中能耗较大

。随着可再生能源的发展以及用氢量的上升，氢气大规模、低成本储运也是亟待解决的问题

。

人参Panax ginseng C. A. Mey. 为五加科（Araliaceae）植物，具有悠久的药用历史，可用于多种疾病的治疗，人参皂苷是从人参中提取出的主要有效成分。现代药理学研究表明，人参皂苷具有增强机体免疫力、改善心血管功能、抗炎、抗氧化、抗血小板聚集和抑制肿瘤等生物活性[1]。其中，人参皂苷Rh2(S)（Rh2-S），即20(S)-原人参二醇-3-O- β-D-吡喃葡萄糖苷，对白血病、结肠癌和骨肉瘤等多种肿瘤均表现出较强的抗肿瘤作用。

2 加氢站成本模型与氢使用成本计算

2.1 成本模型

Weinert等人

提出的加氢站成本模型(Hydrogen Station Cost Model)被广泛用作加氢站成本计算的方法。该模型已应用于美国加利福尼亚州氢能高速公路网的成本分析

，具有一定的有效性。此模型根据各类加氢站的设计标准将成本分为4部分，包括：建设成本、运营成本、运输成本以及原料成本。建设成本：建站所需的固定资产成本(设备成本)、安装成本以及所需的土地和土建成本；运营成本：管理运营如维护、租金、人工以及保险等费用；运输成本：运输氢气到加氢站的费用；原料成本：购买天然气、甲醇以及水、电等制氢原料和动力或氢的费用。

供氢能力为1 000 kg/d的外供氢加氢站的主要设备配置见表1。一般有移动储气和固定储气两种储气方式。移动储气采用2辆长管拖车作为现场储气，单车储氢量约为300 kg；固定储气设置6瓶和9瓶两组储氢瓶，总储氢量可达500 kg。

加氢站年均成本计算公式

为:

=

+

+

+

(1)

式中

——加氢站年均成本，元/a

——年原料成本，元/a

——年运营成本，元/a

氢使用成本计算式

为:

——建设成本的年折旧费，元/a

——年运输成本，元/a

(2)

在不考虑政府补贴的情况下，计算了供氢能力500 kg/d和1 000 kg/d的外供氢加氢站的建设成本，见表2。对于外供氢加氢站，压缩机、储氢瓶及加氢系统(含加氢机、卸气柱、氢气管道系统、放散系统、置换吹扫系统、仪表风系统、安全监控系统以及其他的管路材料、连接等)是最核心的成本构成部分，约占加氢站建设成本的58%；压缩机约占建设成本的30%。这是因为目前国内核心设备技术落后，主要依赖进口。因此，对核心设备进行国产化是国内加氢站技术升级的最核心、最切实的方向。

2018年以来，中国家电市场整体面临的压力较大，从下图中的数据我们可以看出，2017年全年，中国家电市场零售额增速为11.8%，而2018年截至11月份，增速只有1.6%，大约只有去年全年增速的七分之一，今年的中国家电零售业可能将迎来整体“失速”的危机。

——加氢站的年氢气销售量，kg/a

2.2 加氢站建设成本估算

掺杂Sc3+的Nd∶LuSGG晶体具有更宽的吸收和发射谱线、小的发射截面及长的荧光寿命，有利于在超短超快激光方面有所应用．Kaminskii A.A.在1994年[39]用提拉法首次生长出Nd∶Lu3Sc2Ga3O12晶体，在室温下用激光二极管和Xe闪光灯泵浦激发出1 062.2 nm波长的激光．武奎[40]利用Nd∶Lu3Sc1.5Ga3.5O12获得了斜率效率为33%、最高的输出功率为6.96 W的连续激光和最窄的脉冲宽度为5.1 ns、最大的脉冲能量为62.5 MJ、最高的峰值功率约为12 kW的被动调Q脉冲激光，由于该晶体生长制备的方法为浮区法，晶体的缺陷较多，其激光性能受到影响．

Hallak、Assaker等[20]通过最小二乘结构方程模型来检验旅游目的地的感知质量对忠诚度的影响程度，发现与感知价值相比，感知质量对忠诚度(通过满意度直接和间接体现)的影响更大；黄天航等[21]在对欧洲智能城市的发展研究中指出，教育质量、交通质量、环境质量、政府管理等与城市的发展具有正相关性。而智慧交通、智慧教育等是智慧城市建设的主要内容，也是智慧城市建设感知质量的主要体现。因此，提出以下理论假设：

依托长流规，加强治江顶层设计。规划是治江各项工作的龙头。2013年，长江委切实加强治江顶层设计，长江流域水利规划和前期工作进展顺利。结合新修编的长流规对水利工作提出的新要求和治江工作实际，长江委广泛、深入地开展宣贯工作，提高了全委干部职工及社会各界对长流规的认识和了解。同时，组织开展了数十项水利规划编制工作，其中，修订完成《长江中下游干流河道治理规划》，编制完成岷江、雅砻江、赣江、沅江等流域综合规划，基本完成湘江、资水、抚河、信江等流域综合规划。加紧组织开展长江流域（片）水中长期供求规划、主要江河流域水量分配方案制定、全国治涝规划等规划编制工作。

式中

——氢使用成本，元/kg

① 外供氢加氢站的建设成本

由表4可知，硅-焓方程法计算得出的热储温度为182.36 ℃～274.58 ℃，冷水混合比例为39.47%～85.88%；硅-焓图解法计算的结果为172.58 ℃～258.23 ℃，冷水混入比例为39.19%～86.46%。对比发现由混合模型计算的热储温度与Na-K温标计算的温度较为接近，与其他温标及实测情况偏离较大。

② 现场制氢加氢站的建设成本

对于供氢能力为500 kg/d的现场制氢加氢站，在不考虑政府补贴的情况下，对现场天然气重整制氢(以下简称天然气重整制氢)、现场电解水制氢(以下简称电解水制氢)以及现场甲醇重整制氢(以下简称甲醇重整制氢)这3种现场制氢加氢站的建设成本进行了估算，结果见表3。

由表3可知，在现场制氢加氢站中，制氢装置成本的占比很大。由于甲醇重整制氢技术所需反应温度较低，故其制氢装置成本在3种制氢技术中最低。电解水制氢装置成本最高，占比约为59%。因此，降低制氢装置成本是降低现场制氢加氢站建设成本的关键。一般地，现场制氢加氢站建设成本远高于外供氢加氢站，但其优势是省去了运输氢气的费用。此外，现场制氢使远离大规模氢源的地区建设加氢站变得现实可行，因此现场制氢技术是必须要发展的。

有关数据显示，在施工过程中遇到的大多数的施工项目具有区域性强，流动性大，耗费时间与材料等等难题。所以针对现在施工中的几个特点，制定以下几个管理内容以增强路桥施工的管理性：

2.3 氢使用成本估算

① 外供氢加氢站的氢使用成本

计算外供氢加氢站的氢使用成本时，将建设成本的年折旧费分为两部分进行计算，一部分是设备、安装等成本的折旧，按照15 a进行折旧计算，不考虑残值；另一部分是土地、土建成本的折旧，按照30 a进行折旧计算，不考虑残值。假定供氢能力为500 kg/d的加氢站需要设置员工5人，供氢能力为1 000 kg/d的加氢站设置员工8人，薪资按8×10

元/(人·a)计。假设其他运营管理成本如租金、维护和保险等费用的总和等于人工成本。不同制氢技术及运输距离下原料及运输成本见表4

。假设工业副产物制氢作为氢源，氢气运输距离为50 km。每年工作时间若按300 d计，则外供氢加氢站的氢使用成本测算见表5。

② 现场制氢加氢站的氢使用成本

对于现场制氢加氢站，建设成本的年折旧费计算方法同外供氢加氢站。对于500 kg/d现场制氢加氢站，假设现场员工有6人，薪资按8×10

元/(人·a)计。假设其他运营成本如租金、维护和保险等费用的总和等于人工成本。水一般在当地取用。天然气、甲醇等的运输成本均归于原料成本。假定天然气重整制氢中天然气的价格为2.5元/m

，电解水制氢中水的价格为4元/t，甲醇重整制氢中甲醇的价格为2.4元/kg，动力煤的价格为0.5元/kg。3种现场制氢方式中，电价均为0.6元/(kW·h)，脱盐水价格为10元/t，循环水价格为1元/t。在天然气重整制氢中，生产1 kg氢气的天然气用量约为6.74 m

，用电量约为0.672 kW·h，用循环水量为0.229 t，用脱盐水量为0.003 9 t。在电解水制氢中,生产1 kg氢气的用电量约为55 kW·h，用水量约为0.009 t。在甲醇重整制氢中，生产1 kg氢气的用甲醇量约为6.05 kg，用电量约为1.05 kW·h，用脱盐水量为0.039 t，用动力煤量为1.56 kg。

根据上述假设计算得到供氢能力500 kg/d的现场制氢加氢站的氢使用成本，见表6。对于电解水制氢加氢站，用电成本占比最大。对于天然气重整制氢或甲醇重整制氢加氢站，天然气或甲醇成本的占比较高，即天然气或甲醇的原料价格是影响此类加氢站成本的关键因素，这类加氢站对于原料便宜易得的地区具有优势。例如，天然气制氢在四川具有优势，甲醇制氢在陕西、内蒙古和山西具有优势。

3 结论

① 不同类型的加氢站建设成本差异较大。外供氢加氢站中，压缩机、储氢瓶、加氢系统成本占比最高，约占58%。对于现场制氢加氢站，在相同供氢能力下，电解水制氢加氢站建设成本远高于天然气重整制氢加氢站和甲醇重整制氢加氢站，电解水制氢加氢站制氢装置的建设成本占比最高，约占59%。

② 对于现场制氢加氢站，在相同供氢能力下，天然气重整制氢和甲醇重整制氢加氢站的氢使用成本远低于电解水制氢加氢站。天然气或甲醇等原料价格是影响天然气重整制氢或甲醇重整制氢加氢站的关键因素，电力成本则是制约电解水制氢的主要因素。因此，降低天然气或甲醇等原料成本和用量以及获得便宜的电力是降低现场制氢加氢站成本的关键。

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