當(dāng)前，國內(nèi)外加氫站投資都處于比較活躍的狀態(tài)，但投資加氫站的首要難題是巨額的建設(shè)成本。選取不同的技術(shù)路線，加氫站建設(shè)和運(yùn)營的成本也各不相同。本文就加氫站的建設(shè)成本進(jìn)行詳細(xì)的分析和比較。
2021年，我國氫能迎來新一輪發(fā)展熱潮。隨著山東、浙江、福建等省關(guān)于氫能產(chǎn)業(yè)園、加氫站建設(shè)規(guī)劃陸續(xù)出臺，政策、資本賦能各地“氫戰(zhàn)略”，一場以氫能為支點(diǎn)，瞄準(zhǔn)碳達(dá)峰、碳中和的攻堅戰(zhàn)已然打響。
加氫站的建設(shè)熱潮對于氫能行業(yè)的發(fā)展是有力的推動。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為加氫站建設(shè)滯后，導(dǎo)致氫能發(fā)展緩慢，大型央企、國企的參與能夠促進(jìn)加氫站的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、流程進(jìn)一步完善，規(guī)劃、資金等問題也將得到解決。據(jù)統(tǒng)計，2020年全國建成的加氫站超過128座，過去三年年均增長超過100%。2021年隨著示范城市政策的落地，國內(nèi)加氫站建設(shè)將提速，到2030年預(yù)計建成數(shù)量將超過1000座。 能源“大規(guī)模、低成本、高安全”的屬性要求我們對氫能的氣源保障、供氫模式、綠氫來源等問題提前策劃布局。例如高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的運(yùn)輸，需要大量的長管拖車或低溫槽車，這些車輛就必須滿足以上條件。另外，隨著需求的增加，當(dāng)加氫站數(shù)量達(dá)到一定程度時，需要以“分布式制氫中心+管道供給”的氫能保供網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，同時，保供網(wǎng)絡(luò)也需要滿足“大規(guī)模、低成本、高安全”的相關(guān)要求。 加氫站從組成上主要包含制氫系統(tǒng)（僅適應(yīng)于具有內(nèi)制氫能力的加氫站）、純化系統(tǒng)（內(nèi)制氫加氫站中用于純化站內(nèi)制備的氫氣，以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)）、壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、加氫系統(tǒng)、安全監(jiān)控、電氣設(shè)備以及其他機(jī)械設(shè)備（包括管道、配件、閥門等）。
外供氫式高壓氫氣加氫站的建設(shè)成本最低
我們對外供氫高壓氫氣加氫站、外供液氫加氫站以及內(nèi)制氫加氫站，三種不同技術(shù)路線加氫站的建設(shè)總成本進(jìn)行了對比分析。 由于我國現(xiàn)階段加氫站全部為高壓氫氣儲存加氫站，為了比較不同類型加氫站建設(shè)成本，我們以2015財年，美國加利福尼亞洲這三種不同類型加氫站的建設(shè)成本為例進(jìn)行分析。
外供氫高壓氫氣加氫站建設(shè)成本
以日供氫能力為180kg/d，存儲能力為250kg的外供氫高壓氫氣加氫站為分析對象，其氫氣運(yùn)輸方式為集裝管束拖車運(yùn)輸，加氫站同時具備35MPa和70MPa兩種加氫壓力。 當(dāng)加氫壓力達(dá)到70MPa時，需要添加冷卻系統(tǒng)，在加氫過程中對氫氣進(jìn)行預(yù)冷，以防止加氫過程中由于氫氣溫度過高而引發(fā)的安全事故。 加州能源局的研究數(shù)據(jù)表明，該類型加氫站建成所需的與設(shè)備相關(guān)的費(fèi)用約為160萬美元，考慮投入使用前所需的調(diào)試費(fèi)用、工程設(shè)計費(fèi)用、管理費(fèi)用、建筑施工費(fèi)用等其他費(fèi)用，總成本將超過200萬美元。
如果生產(chǎn)規(guī)模增加到100套/年，加氫站建設(shè)成本較2015年可降低40%左右。 未來，隨著設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，規(guī)模經(jīng)濟(jì)影響顯著，壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)以及加氫系統(tǒng)的成本將明顯下降，外供氫高壓氫氣加氫站的總成本將有很大的下降空間。
外供液氫加氫站建設(shè)成本
下面對一個日供氫能力為350kg/d，同樣具備35MPa和70MPa兩種加氫壓力的外供液氫加氫站進(jìn)行建設(shè)成本分析。 相比于外供高壓氫氣加氫站，外供液氫加氫站在運(yùn)輸之前需要耗能將氫氣溫度降低到零下253℃，以液態(tài)氫的形式進(jìn)行運(yùn)輸。 加氫站中需要添加額外的儲氫瓶和冷卻系統(tǒng)保證加氫站的正常運(yùn)行，占地面積更大，因此液態(tài)加氫站的建設(shè)成本高于高壓氫氣加氫站。 加州能源局的研究數(shù)據(jù)表明，外供液氫加氫站建成所需的與設(shè)備相關(guān)的費(fèi)用約為193萬美元（高于外供氫高壓氫氣加氫站的160萬美元），考慮投入使用前所需的調(diào)試費(fèi)用、工程設(shè)計費(fèi)用、管理費(fèi)用、建筑施工費(fèi)用等其他費(fèi)用，總成本約為280萬美元。
站內(nèi)電解水制氫加氫站建設(shè)成本分析
美國加利福尼亞州HyGen加氫站采用站內(nèi)電解水制氫，該加氫站日供氫能力為130kg/d，同樣具備35MPa和70MPa兩種加氫壓力，下面對該加氫站的建設(shè)成本進(jìn)行分析。 站內(nèi)電解水制氫加氫站由于站內(nèi)具備制氫能力，與外供氫加氫站相比，省去了將氫氣由制氫廠運(yùn)至加氫站的運(yùn)輸費(fèi)用。 受益于模塊化的設(shè)計，電解水制氫系統(tǒng)包含的所有設(shè)備都可以放置于20-40英尺的國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中，英國ITMPower、加拿大的HydrogenTechnologyandEnergy(HTEC)公司以及美國HyGenIndustries等企業(yè)都提供這種集裝箱式電解水制氫系統(tǒng)。 本部分對外供氫加氫站的分析中并沒有考慮集裝管束拖車的制造/使用成本、氫氣運(yùn)輸成本等，僅針對加氫站建設(shè)投資成本進(jìn)行分析比較。 加州能源局的研究數(shù)據(jù)表明，HyGen電解水制氫加氫站總建設(shè)成本超過320萬美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過外供氫高壓氫氣加氫站（200萬美元）和液氫加氫站（280萬美元），其中電解水制氫裝置成本約131萬美元。
綜合來看，現(xiàn)階段外供氫高壓氫氣加氫站的建設(shè)成本最低，且隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本將有大幅降低的可能，進(jìn)一步考慮氫氣生產(chǎn)和運(yùn)輸費(fèi)用后的氫氣使用成本將增加。
壓、儲、加三大系統(tǒng)成本規(guī)模經(jīng)濟(jì)性顯著
國內(nèi)現(xiàn)階段主要為外供氫高壓氫氣加氫站，因此，本節(jié)中我們對外供氫高壓氫氣加氫站中最為重要的三大系統(tǒng)——壓縮、儲氫及加氫系統(tǒng)，進(jìn)行建設(shè)成本的分析。 根據(jù)AhmadMayyas等人的研究，直接成本可分為系統(tǒng)核心部件成本及輔助設(shè)備成本（Balanceofsystem，BOS）兩部分進(jìn)行分析，主要包括與設(shè)備生產(chǎn)有關(guān)的設(shè)備/建筑成本、材料成本、廢料成本、工人工資費(fèi)用、生產(chǎn)耗能、設(shè)備及廠房維護(hù)費(fèi)用以及資本成本。 另外，考慮系統(tǒng)建設(shè)產(chǎn)生的裝配費(fèi)，從而得到加氫站中相應(yīng)系統(tǒng)生產(chǎn)建設(shè)所需的成本。
壓縮系統(tǒng)成本隨生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大而大幅降低
假設(shè)加氫站壓縮系統(tǒng)中采用活塞式壓縮機(jī)，其直接成本包括與壓縮機(jī)殼體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工制造相關(guān)的系統(tǒng)核心部件成本，以及與電機(jī)、控制單元、管路系統(tǒng)等相關(guān)的輔助設(shè)備成本。
根據(jù)AhmadMayyas等人的研究，通過對比壓縮系統(tǒng)建設(shè)成本與生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)系我們發(fā)現(xiàn)： （1）隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加，壓縮系統(tǒng)核心部件的直接生產(chǎn)成本將大幅降低，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模由10套/年增加到100套/年時，核心部件直接生產(chǎn)成本降低約82%； （2）核心部件直接生產(chǎn)成本降低的主要原因是由于隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加，平均到每套壓縮系統(tǒng)的資本成本及設(shè)備/建筑成本明顯降低； （3）輔助設(shè)備成本隨生產(chǎn)規(guī)模的增加變化很小，其中系統(tǒng)的控制單元價格最高，占輔助設(shè)備成本的58%，高精度的控制單元成本約為13000美元； （4）考慮壓縮系統(tǒng)直接成本及裝配成本的總成本隨生產(chǎn)規(guī)模的增加而降低，生產(chǎn)規(guī)模由10套/年增加到100套/年時，總成本降低約56%.
預(yù)測在未來，壓縮系統(tǒng)的成本降低空間將更大。 隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加，輔助設(shè)備成本在總成本中的占比將超過直接成本，未來隨著需求的增加，針對不同參數(shù)壓縮系統(tǒng)的閥組、接頭、傳感器等輔助部件將趨于更加標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的生產(chǎn)制造模式。 屆時，輔助設(shè)備成本將大幅降低，這使得壓縮系統(tǒng)的成本在未來將有很大的降低空間。
儲氫系統(tǒng)成本隨生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大降幅有限
儲氫系統(tǒng)成本分析分為儲氫瓶直接成本以及輔助設(shè)備成本兩部分。假設(shè)加氫站采用Ⅰ型儲氫瓶，儲氫壓力為38MPa時容量為30kg。 根據(jù)AhmadMayyas等人的研究，通過進(jìn)一步分析我們發(fā)現(xiàn)： （1）材料費(fèi)用是儲氫系統(tǒng)成本的主要部分，其次為人工費(fèi)用； （2）由于材料費(fèi)用為主要成本構(gòu)成，且隨生產(chǎn)規(guī)模變化不大，因此儲氫系統(tǒng)成本隨生產(chǎn)規(guī)模的增加降低較小； （3）當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模由100套/年增加到1000套/年時，與儲氫系統(tǒng)直接生產(chǎn)建設(shè)相關(guān)的成本將可降低8.5%.
加氫系統(tǒng)成本隨生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大而降低
對于加氫系統(tǒng)的成本分析，我們考慮兩種情況： （1）只有35MPa加注口的加氫機(jī)； （2）同時配有35MPa和70MPa兩種加注口的加氫機(jī)。 加氫系統(tǒng)相關(guān)部件可直接購買并進(jìn)行組裝，成本可分為設(shè)備成本及人工費(fèi)用。 在已有加氣站加氣系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加氫系統(tǒng)中的相關(guān)部件現(xiàn)已形成了較為標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)制造，包括加氫機(jī)外殼、相關(guān)閥門組件、流量計、壓力計、加氫槍、控制及顯示面板、相關(guān)按鍵等。 根據(jù)AhmadMayyas等人的研究： （1）設(shè)備成本中最主要的為閥門和計量儀表等，占設(shè)備成本的60%左右，用于監(jiān)測壓力以及氫泄露相關(guān)的傳感器也是加氫系統(tǒng)成本的重要組成部分； （2）加氫槍組件成本在H35/H70加氫系統(tǒng)中的占比高于在H35單加注口加氫系統(tǒng)成本中的占比。這是由于70MPa加氫槍組件成本相比于35MPa成本更高，且能夠制造成熟產(chǎn)品的供應(yīng)商更少； （3）H35單一加注口加氫系統(tǒng)設(shè)備成本約為35048美元，H35/H70雙加注口加氫系統(tǒng)的設(shè)備成本約為67595美元； （4）加氫系統(tǒng)的成本隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加而降低。
35MPa/70MPa雙加注口加氫系統(tǒng)總成本較35MPa單加注口加氫系統(tǒng)成本增加約一倍。 生產(chǎn)規(guī)模由10套/年增加到500套/年，加氫系統(tǒng)總成本可降低30%-35%.
中國加氫站建設(shè)成本較其他國家優(yōu)勢明顯
我們將我國加氫站壓縮、儲氫及加氫三大系統(tǒng)的建設(shè)成本與美國、日本、德國等其他國家的建設(shè)成本進(jìn)行了比較，以分析中國在加氫站建設(shè)成本方面的國際競爭力。
各國壓縮機(jī)系統(tǒng)建設(shè)成本比較
1 我國壓縮系統(tǒng)建設(shè)的直接成本和裝配成本在國際上具有明顯優(yōu)勢，明顯低于美國、日本、德國等氫能利用更為廣泛的國家； 2 考慮壓縮機(jī)制造企業(yè)加權(quán)平均資本成本要求后，我國壓縮機(jī)建設(shè)成本的優(yōu)勢降低，但依然低于其他發(fā)達(dá)國家； 3 我國加氫站壓縮系統(tǒng)建設(shè)成本較低的優(yōu)勢在于較低的人工費(fèi)用及設(shè)備/建筑成本。
各國儲氫系統(tǒng)建設(shè)成本比較
1 若只考慮系統(tǒng)的直接成本，我國加氫站儲氫系統(tǒng)建設(shè)成本依然低于其他國家； 2 若綜合考慮企業(yè)的加權(quán)平均資本成本要求，美國、加拿大、墨西哥的儲氫系統(tǒng)總成本將低于我國； 3 我國加氫站儲氫系統(tǒng)建設(shè)成本優(yōu)勢來源依然是我國較低的人工費(fèi)用。
各國加氫系統(tǒng)建設(shè)成本比較
同樣的，對于加氫站加氫系統(tǒng)建設(shè)成本來說，我國的建設(shè)成本設(shè)備成本及人工費(fèi)用低于其他國家，而較高的公司加權(quán)平均資本成本要求使得我國加氫站建設(shè)的總成本優(yōu)勢下降。
總的來說，由于我國擁有更低的人力成本及建筑成本，使得我國在加氫站關(guān)鍵系統(tǒng)建設(shè)成本上較其他國家具有一定優(yōu)勢。 但是成本降低的關(guān)鍵還是在于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，加速發(fā)展氫能利用產(chǎn)業(yè)，形成上下一體的商業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈及標(biāo)準(zhǔn)化部件迫在眉睫。
