终端价格传导下的电解水制氢经济性分析

终端价格传导下的电解水制氢经济性分析

【Summary】在国家“双碳”目标下，能源结构的调整势在必行，氢能作为一种清洁无污染的二次能源载体被认为是未来能源结构中重要组成部分。绿氢是通过再生能源电解制氢，过程中不产生碳排放，未来发展的主要方向，氢燃料电池交通运输工具是未来氢气利用的主力军之一。本文将主要通过终端加氢价格的分析，延伸至电解水制氢的成本和经济性。测算该产业链下电解制氢最高可承受的用电成本，并对制氢成本进行了敏感性分析，最后对未来制氢成本的降低进行了展望。【Keys】氢能；电解水制氢；经济性0引言氢能作为一种清洁无污染的二次能源载体，被众多国家和专家寄予厚望，认为是未来能源结构中重要的一部分。我国政府对于氢能的发展也持积极的态度，早在2016年国家发改委能源局就在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中将氢能与燃料电池技术创新列为重点任务。我国目前氢气每年产量约3342万吨，是世界第一产氢国[1]，但主要还是化工制氢为主。绿氢是通过再生能源电解制氢，过程中不产生碳排放，也是制氢未来发展的主要方向。氢燃料电池交通运输工具，具有补能便捷、环保等优点，我国近两年也在加快布局氢燃料汽车产业链，这将是未来氢气利用的主力军之一。在环保压力、能源结构调整下，新能源电解制氢到燃料电池汽车将是未来一个具有潜力的产业链。国内外学者对不同制氢方式的成本，以及新能源大规模制氢的经济性进行过研究[2]~[4]。但没有在分析终端加氢价格下，通过氢气储运价格反推电解制氢的成本，以及制氢各成本的构成及影响因素。本文将主要通过终端加氢价格的分析，延伸至制氢的成本和经济性，以及未来制氢成本优化的展望。1氢气的终端价格及储运价格分析1.1终端售氢价格分析近几年氢燃料电池汽车发展迅速，截止2020年底全球投入运营燃料电池汽车近3.5万辆，中国约占8400辆[5]，主要集中在特种物流车和公用交通商用车领域，但随着未来乘用车的成本降低和环保的要求提升，会逐渐延伸至乘用车领域。本节我们对氢燃料电池小客车和传统燃油小客车的运行费用进行比较。氢燃料汽车能耗按照0.95kg/百公里，汽油车按照7.7L/百公里。[6]，通过对比分析如下表1所示。表1燃料电池汽车与传统汽油汽车成本对比名称单位氢燃料汽车普通燃油汽车购置成本万元6020用车总里程万km1540氢气消耗kg/100km0.95汽油消耗L/100km7.7氢气价格元/kg56汽油价格元/L7每百公里费用（含购置）元/100km4.5321.039每百公里费用（不含购置）元/100km0.5320.539可以看出目前氢燃料电池汽车仍处于市场导入期，相对于处于成熟期的传统燃油汽车，其制造成本远高于普通燃油车，导致氢燃料电池在用车成本上要远高于传统燃油汽车。但随着技术的发展和迭代，以及产业规模的扩大，氢燃料电池汽车的制造成本会逐渐降低。如果不考虑购置成本的差异，当氢气售价在56元/kg的情况下，氢燃料电池汽车和普通燃油汽车的运行成本相当。1.2加氢站成本分析加氢站是氢气的销售末端，其成本分为建设成本和运营成本。建设成本与规模相关，加注能力在500kg/d以下的加注站，造价约1200万元，主要由设备购置费、安装工程费、建筑工程费和其他费组成，其构成如下图1所示。从加氢站运行成本层面来看，包括建设投资的折旧、人工成本、用电成本、维护成本，约14元/kg[5]，构成如下图1所示。所以一座加氢站需要维持运营，其氢气售出价格至少要比购气价格高出14元/kg。图

1加氢站投资构成图图2加氢站运行成本构成图1.3氢气的储运及价格氢气储运方式有氢气长管拖车、液氢槽车和管道运输。目前长管拖车运输虽然储氢密度低，但是成本低，环境适应能力更好，在短距离运输上具有较好的优势，已形成产业化。液氢槽车具有存储密度大等特点，多用于航天领域，未来也是海运等主要方式，但其能耗高且存在易泄露的问题。管道运输的成本较低，可靠性也较高，但是需要较大的产业规模支撑，其初期投入巨大。本文取目前最常用的储运输方式，长管拖车为例，以距离200km计算，其运输成本约12元/kg。2电解水制氢的成本构成及经济性前文对加氢、储运进行了简单的价格分析，后文将重点对电解水制氢部分进行详细分析。碱性电解水制氢发展最早，虽然存在能耗高等问题，但是目前最成熟的方式，其投资、运行成本也低，本文将主要针对此水电解制氢方式进行分析。根据上文的分析，售氢价格约56元/kg，加氢站成本约14元/kg，储运成本约12元/kg，推算制氢站出厂价格需要控制在30元/kg以下。本节基于某可再生能源发电-电解水制氢项目的成本进行分析，制氢站取电来自风电或光伏35/220kV变压器低压侧35kV母线。计算在此售氢价格下制氢站用电价格、建设投资等情况。2.1建设投资碱性电解水制氢站主要配置12套出力1000Nm3/h电解设备，14台流量1000Nm3/h氢气压缩机，2台1.7MPa氢气1800方水容积球型储罐，以及相应的电气、仪控设备。投资范围包括设备购置费、建筑工程费、安装工程和其他费，详见下表。可以看出制氢站投资的最大部分在设备购置费，而设备购置费中占主要的是电解设备和氢气压缩机。表2制氢站投资组成序号费用名称合计1建筑工程费90692设备购置费182843安装工程费30884建设场地征用及清理费27135项目建设管理费15756项目建设技术服务费21797整套启动试运费1508生产准备费7669基本预备费189110工程静态投资397152.2制氢站主要运行参数根据我国现行的法律、法规、财税制度和电价政策，主要的计算参数取值如下表所示。表3制氢站主要计算参数项目单位数值主要产品氢气t/年4600材料用量氢气电耗MWh/年283800水耗t/年140000材料单价氢气（含税）元/t32000水价（含税）元/t3工程参数修理费率%2.5保险费率%0.25定员人40工资万元/年12建设运营期项目经营期年20建设期月18各种税、率售氢增值税率%13.00用电增值税率%13.00用水增值税率%9.00城乡维护建设税率%5.00所得税%25教育附加费率%5.00%2.3测算主要结果本项目的收入为售氢收入，前文已经推算氢气出厂价格为30元/kg，年制氢量为4600t，假定制氢量等于销售量，则全年不含税收入为12212万元。本项目的经营成本包括用电成本、用水成本、人工成本、维修费用、保险费用。用电成本：用电成本是主要成本，年制氢耗电283800MWh，用电单价为本次测算值，需要测算最后确定。人工成本为480万元。维修维护费用按固定投资的2.5%考虑，年费用为894万元。用水费用年耗水量为14万吨，水价按3元/t考虑，除税价为42万元。保险费用按固定投资的0.25‰考虑，年平均保险费用为42万元。在以上条件下，为了测算制氢的用电单价，还需要固定项目的收益率情况。因为氢能行业属于导入期，投入较大，其经济性将不会十分显著，故取税前全投资收益率8%。最终得出在制氢售价30元/kg，保证次收益率情况下，用电单价为0.274元/kWh。3影响电解水制氢的成本的因素从项目的现金流和成本分析可以看出，电费及投资是影响出厂氢气价格的最大因素。对两者进行单因素敏感性分析。当保证制氢站的收益率8%的情况，投资和电价发生变化，售氢价格的变化如图3所示，其中投资变化10%，售氢价格变化约6%，电价变化10%，售氢价格变化约4%。当保证制氢站的售出氢气不变，投资和电价发生变化，项目的收益率变化情况如下图4所示。可以看出建设投资和电价对氢气价格和收益率影响都很大，电价的敏感性要略大于投资。不过此敏感性分析的基准情况是电价0.274元/kWh，如果电价发生变化，电价成本在总成本中的比重将发生变化，敏感性也会随之变化。从上述分析来看，投资影响程度接近电价，随着氢能行业的发展，装备制造的迭代和规模化，设备成本的降低将较大提升制氢站的收益。图

3氢气价格敏感性分析图4收益率的敏感性分析4

电解水制氢成本优化的展望从上文的分析来看，在不考虑环保等外部性因素，此电解水制氢价格相比于煤制氢等传统制氢工艺还是缺乏竞争力的。但电解水制氢因为其生产清洁，且可以耦合新能源发电项目，契合未来的能源发展方，符合政策导向，是具有很好的发展前景的，笔者从几个方面对制氢成本的优化进行展望。1）制氢、储运、加氢每个环节的成本均不低，整个产业链还没有形成完善的商业模式，需要从顶层设计来有序引导氢能行业的发展，制定相关政策性补贴，吸引更多的投资方入局，推动整个行业的健康发展。2）可再生能源自身间歇性、波动性等特点，利用“弃风、弃光”电量来降低制氢用电成本，是提升经济性的有效手段。3）随着国内风电行业和光伏行业的发展和市场的充分竞争，未来电价还将进一步降低，这都有利于减少新能源制氢的用电成本。4）液氧副产品。电解水制氢过程中也会产生氧气，配置适当的设备对氧气进行液化，作为副产品出售，也是对制氢站整体经济性的有效补充。5）制氢工艺设备投资又占主要部分。根据彭博新能源财经预测，2030年电解水装置的单台造价水平将减少一半，设备制造成本不断降低也有利于提高制氢的经济性。5结论氢能作为一种清洁无污染的能源，在未来的能源体系中将扮演重要的角色。本文就目前的产业现状和技术条件，从氢燃料电池汽车加氢出发，通过氢气的产业链传导，分析电解水制氢的经济性和成本。虽然考虑购置成本，燃料电池汽车经济性较差，但随着规模扩大、技术迭代、专利开放、政府补贴，氢燃料电池汽车购置成本会不断下降，而传统燃油汽车会因为环保因素、政策限制等，购置成本会逐渐增加。若不考虑购置成本差异，仅从能耗出发推算，要使氢燃料电池汽车和传统燃油汽车行驶成本相当，加氢价格约为56元/kg，制氢站的出厂价格应不高于30元/kg。通过对制氢成本的详细分析，得出制氢的用电单价不超过0.274元/kWh。并且通过敏感性分析，得出建设投资和电价对氢气的价格影响都较大，如果降低制氢成本，必须控制好建设投资之外，更重要的是低廉的用电价格。未来可以从利用弃风弃光电量、制氢副产品、降低设备投资等来降低电解水制氢的成本。Reference[1]中国氢能源及燃料电池产业白皮书.中国氢能联盟,2020.[2]时璟丽,高虎,王红芳.风电制氢经济性分析[J].中国能源,2015,37(02):11-14.[3]王宇