氢能长距离输送的经济性研究

李周波，芦 琳，田小江，田永强 编译

（1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；2.中国石油宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）

0 前 言

化石燃料燃烧引起的环境污染以及资源枯竭问题，激发了可再生能源（RES）的快速发展。然而，可再生能源的间歇性问题会制约其广泛应用。随着需求侧的波动，区域电网中的功率匹配不均衡，因此，必须引入储能系统进行调峰。采用水库抽水蓄能、盐穴压缩空气储能以及通过电解水制氢技术生产氢气等方式进行储存。

数据显示，高压直流电缆输电线路每1 000 km的损耗约为3.5%，而高压交流电缆在相同条件下的损耗为6.7%。对于传输距离大于60 km的海底或超过200 km 的架空区域，高压直流电缆输电具有更好的经济性。电力传输存在距离效应及损耗，因此可以利用电力转气（PtG）技术以氢气的形式借助天然气管道传输可再生能源。PtG 技术包括利用剩余可再生能源进行电解水制氢、储氢、输氢以及氢能再转化为电能。通过电解水制氢将电能转化为化学能，再以压缩态、液态或化合物的形式储氢并将其输送至各个领域。

在管道输氢方面，现有天然气管网可用于高压输氢。在5%～15%低氢浓度下，将氢气掺入到天然气管道中进行输送。然而，高压下随着氢浓度的增加，则需要进行相关技术研究及输氢的安全论证，其中包括天然气管道氢脆机理研究、氢在金属中的渗透以及现有天然气管道掺氢安全性分析等。从经济性方面考虑，随着氢需求量的增加，管道输氢成本最低，使用现有天然气管道可将氢气输送成本降低60%以上。

综上所述，通过对现有能源传输方式进行分析，发现基本没有氢能远距离传输方式的分析研究成果。因此，本研究对氢能两种远距离传输技术的等效成本进行分析。一种方式是将可再生能源转化为电能，通过高压直流电力电缆传输，最终在用户端电解水制氢；另一种方式是先将可再生能源转化为氢气，再通过天然气管道将氢气输送给用户。定量计算氢能远距离传输的成本，采用美元/kg为单位对输送氢气的平准化度电成本（levelized cost of energy，LCOE）进行比较，同时还对其敏感性参数进行了分析。

1 研究内容

1.1 研究方法

利用现有的研究数据进行输电线路和天然气管道成本估算。氢能传输，一种方式是电力电缆的形式直接传输，然后到达目的地利用电能电解水制氢气；另一种方式是先将可再生能源转化为氢气，再通过天然气管道将氢气输送给用户。

本研究中的资本成本仅通过取长距离电力电缆和天然气管道项目公开数据的平均值进行计算。

1.2 理论计算

资本成本采用公式（1） 资本回收系数（CRF）进行年度化计算，该系数反映了货币的时间价值。公式（2）中的加权平均资本成本是资本利率、机会成本、风险和公司税收等的加权平均值。然后，根据年化资本和固定运营成本除以年输送量，计算出平准化度电成本（LCOE），如公式（3）所示。可变成本和燃料成本直接添加到LCOE中。

式中：A——资本回收系数（CRF）；

t——时间，年；

i——资本成本，美元。

式中：iw——加权平均资本成本（WACC），美元；

g——公司杠杆率；

rf——无风险利率；

DP——部门溢价；

rtax——公司税率；

βequity——公司回报对市场回报的敏感性度量；

rm-rf——市场风险溢价的加权组合。

式中：Ccap——工厂的资本成本，美元；

FO&M——固定运营和维护成本，美元；

N——设施的寿命，年；

Etrans——每年传输的能量，MW；

Cenergy——能源成本，美元；

2 分析与讨论

2.1 氢平准化度电成本（LCOE）组成

以电解1 kg 水制取氢气为例，在传输距离4 000 km、容量因数32.7%、1 000 MW输电能力情况下氢平准化度电成本组成如图1所示。由图1可知，整体来看不论是电缆传输还是管道输送，陆上传输成本比海上传输更低；而在海上，电缆传输比管道输送成本更高；在4 000 km距离下，陆上电缆传输和管道输送成本基本接近。一方面，虽然电缆维护费用较低，但传输能量损耗大，因此电力成本较高；另一方面，管道在长距离输送过程中存在压降，因此需要在管道输送过程中增加相应的增压站成本。研究表明，对于下游用户，远距离输送氢气的成本过高，即使在陆上输送氢气，氢LCOE 的价格也在10美元/kg 左右，因此，比起输送传统天然气，输送氢气则完全没有竞争力。为了克服高成本，必须增大氢气的输送量，以分担高额的资本支出，可以通过增加线路的容量因数或传输容量来实现。

图1 不同输送方式平准化度电成本占比

2.2 氢平准化度电成本与容量因数的关系

在4 000 km 传输距离、1 000 MW 传输容量下，容量因数与平准化度电成本（LCOE）的关系如图2 所示。由图2 可以看出，在容量因数10%～50% 的范围内， 平准化度电成本（LCOE）变化较大，但继续增加容量因数则相应平准化度电成本（LCOE）的成本效益变化不大。当容量因数设置为32.7%的情况下，不论海上还是陆上，电缆和管道输送氢气成本均高于10 美元/kg。而随着容量因数增加到大约40%，陆上输送氢气的成本渐趋低于10 美元/kg；对于海上电缆和管道输氢，则当容量因数达到50% 以后成本才能降至15 美元/kg以下。

图2 氢LOCE与设施容量因数的关系

2.3 氢平准化度电成本与传输容量关系

随着多种可再生能源介质输送，即使在设施利用率较低的情况下，平准化度电成本也可以进一步降低。在4 000 km 传输距离、32.7%容量因数条件下，传输容量与平准化度电成本（LCOE）的关系如图3 所示。由图3 可知，当传输容量为1 000～1 500 MW 时，陆上输氢平准化度电成本（LCOE）降至10 美元/kg以下；当传输容量达到2 000 MW 时，海上输氢平准化度电成本（LCOE）降至15 美元/kg 以下。结果表明，随着传输容量的增加，多种能量通过“线路”传输，因此氢的平准化度电成本（LCOE）有望降低。

图3 4 000 km传输距离、32.7%容量因数下，氢LCOE与可再生能源容量的关系

在4 000 km 传输距离、50%容量因数条件下，传输容量与平准化度电成本（LCOE）的关系如图4 所示，结果表明：同时提高容量因数和传输容量是降低输氢成本的最有效途径。当传输容量达到3 000 MW，陆上管道输氢低于7 美元/kg；传输容量提高到5 000 MW 及以上时，海上电缆输氢低于9 美元/kg。由图3 和图4 可看出，随着传输容量的增加，电缆输氢的平准化度电成本（LCOE）降低速度比管道快。但是，当传输容量在4 000 MW 和5 000 MW时，边际效应开始凸显，进一步增加传输容量则成本降低较小。

图4 4 000 km传输距离、50%容量因数下，氢LCOE与可再生能源容量的关系

2.4 氢平准化度电成本与输送距离的关系

图5 为1 000 MW 传输容量、容量因数32.7%条件下，氢LCOE 与传输距离的关系。由图5 可知，除电缆传输以外，平准化度电成本（LCOE） 与传输距离均成线性比例关系。由于电缆每传输1 000 km，损失能量累积约3.5%，因此电缆传输能量损耗会增加成本指数。以海上传输为例，电缆和管道之间的成本会随着距离的增加而增加。而对于陆上传输，电缆传输氢气的成本略低于管道传输氢气的成本。总的来说，距离增加到10 000 km时，海上电缆传输氢气的成本将快速增长，而陆上电缆、海上管道、陆上管道3 种传输方式的氢平准化度电成本（LCOE）增速较慢。

图5 在1 000 MW传输容量、32.7%容量因数条件下，氢LCOE与传输距离的关系

在5 000 MW 传输容量、容量因数32.7%条件下，氢的平准化度电成本（LCOE）与传输距离的关系如图6 所示。由图5 和图6 可看出，随着传输容量的扩大，平准化度电成本（LCOE）均有明显下降，在4 000 km 距离处，海上管道输氢LCOE 约为11 美元/kg，而陆上电缆则低于9 美元/kg。在传输距离方面，陆上管道传输明显优于其他三种方式。比较图5 和图6 可知，扩大传输容量使得海上电缆传输成本降低较为显著；在传输距离小于7 000 km 的情况下，与海上管道相比，海上电缆传输成本更低。

图6 在5 000 MW传输容量、容量因数32.7%条件下，氢LCOE与传输距离的关系

2.5 输送线路单位成本和总成本

表2列出1 000 MW可再生能源传输容量下的单位距离资本成本，由表2可看出，每单位施工长度，管道成本比电缆成本更贵。而管道比电缆具有更高的“等效”能量运载能力，因此不能对其进行平行比较。通过比较输送1 000 MW可再生能源的各项数据，可知在海上输氢过程中电缆的标准化单位成本超过了管道输氢成本。而对于陆上输氢过程中，则电缆的标准化单位成本低于管道输氢成本。

表2 1 000 MW可再生能源传输容量下单位距离资本成本

表3列出了不同传输距离下电缆和管道的总资本成本。由表3可以看出，在相同传输容量下管道比电缆输送成本更低。

表3 不同输电距离下电缆和管道的总资本成本

2.6 敏感性研究

影响输送氢的平准化度电成本（LCOE）的关键参数包括可再生电力成本、项目寿命、设施容量因数、电解槽成本和电解效率，对这些参数进行了敏感性评估。对于那些高“灵敏”的参数，如电解槽成本和可再生电力成本参数宜采用±50%。由于电解效率和容量因数不太可能实现较高的改善，因此对这两个参数宜采用±10%。

总的来说，电解效率、设备寿命和容量因数的提高在不同程度上有利于降低氢的平准化度电成本（LCOE）。研究结果表明，容量因数对海上电缆输送的影响最大，如图7（a）所示。容量因数降低10%将导致氢的平准化度电成本（LCOE）增加约30%。这反映出电缆的利用率低，不需要进一步降低容量因数。电解效率是所有海上和陆上情况的关键因素，因为它直接影响制氢总量。

图7 4 000 km传输距离下海上电缆及陆上电缆氢LCOE的敏感性研究

再生电力成本对陆上电缆的影响大于对海上电缆的影响，如图7（b）所示，这是因为与海上设施相比，陆上设施支出资本相对较低，因此海上电力成本在总资本中占比更大。低成本设施的充分利用，包括更高的容量因数和更长使用寿命，并不会显著降低平准化度电成本（LCOE），这也解释了容量因数和设施寿命对陆上电缆传输成本影响较小的原因。

如图8 所示，在管道输送氢方面，电解效率、可再生电力成本和容量因数对平准化度电成本有很大影响，特别是在海上管道输氢成本中运行和维护成本占很大一部分，这与目前海上管道建设项目的实际情况相一致。一般认为，影响资本支出和运营支出的参数对平准化度电成本的影响最大。随着这些参数的进一步提高，将会输送更多的能源，从而降低了平准化资本支出，当这些参数达到一定的比例时，敏感性将达到一定的平衡。随着关键核心技术的进一步提升，如电解槽效率提升、服役寿命提高、电解槽成本和可再生电力成本的降低，将在一定程度上降低氢气的制造和输送成本。

图8 4 000 km传输距离下海上及陆上管道输送氢LCOE的敏感性研究

3 结 论

（1）从建设成本角度来看，单位长度的管道建设成本高于电力电缆的建设成本，但是管道具有较大的传输能力，传输容量标准化后，管道输氢的成本更经济。

（2）从运维成本角度看，电缆传输时运维成本低，但是随着距离的增加，电力电缆传输能量损失较大。管道输氢虽然增加一些增压方面的运维成本，但是长距离输送能量损失较小。因此，长距离管道输送氢运维成本更低。

（3）对于电力电缆和管道输送氢气，提高电力电缆传输能力和管道传输的容量因数是降低氢LCOE 成本最有效途径。同时，降低可再生能源发电成本和提高电解效率也是进一步降低氢LCOE成本的有效方法。

译自：MIAO B，GIORDANO L，CHAN S H.Long-distance renewable hydrogen transmission via cables and pipelines[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46 （36）:18699-18718.