加氢站技术经济性分析.pdf

第4期加氢站技术经济性分析王明华，张东青（国能经济技术研究院有限责任公司，北京102211）摘要：加氢站是燃料电池车在交通领域应用的重要支撑。对比了国内外加氢站技术发展现状，重点就加氢站投资构成、氢使用成本的费用构成和影响因素等进行了分析。研究结果表明：氢能利用尚处于早期，燃料电池汽车数量较少，即使政府对加氢站给予一定的补贴，但目前加氢站较高的运营费用仍然令运营商找不到盈利的空间。加油站的经营效益相对可观，油氢合建站对处于成长期的加氢站项目来说，是当前比较现实的选择，成为很多立足于加氢站和氢能产业经营者的短中期策略。关键词：氢能；加氢站；技术经济分析；投资；成本中图分类号：TK91文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）04-073-04基金项目：国家能源集团科技项目（GJNY-22-154）作者简介：王明华（1980），男，高级工程师，现任职于国能经济技术研究院有限责任公司，主要从事氢能及能源经济发展战略工作。Tel：18911898648，E-mail：引用格式：王明华，张东青.加氢站技术经济性分析 J.能源科技，2023，21（4）：73-76.0引言随着氢能产业在交通领域的应用稳步推进，全球加氢设施快速部署1。截至2020年底，日本共有137 座加氢站处于运营中，较上一年增加23 座，在运营加氢站数量占全球的33%；韩国共有46 座在运营加氢站，较上一年度增加13 座，在运营加氢站数量占全球的11%；美国受疫情影响，在运营加氢站数量不增反减，2020年加州拥有在运营加氢站42 座，关闭6 座，回到2018 年水平，在运营加氢站数量占全球比重降至10%；2020年欧盟共有179座在运营的加氢站（134 座商用化加氢站+45 座不对外开放的加氢站），其中德国拥有89 座商用化加氢站，仅比上一年增加2 座，主要受新冠疫情影响所致，在运营加氢站数量占全球比重降至21%。从建设形式上看，国外以高压70 MPa固定加氢站为主，并将制氢加氢一体站视为重要的一种建站方式，同时对液氢站进行探索。国内加氢站建设质量有待提高，制氢加氢一体站法规有待突破，见表1。目前国内的加氢站以35 MPa加氢站为主，占比高达89%，少数加氢站具备35 MPa和70 MPa加注能力，如国家能源集团如皋加氢站、上海化工区驿蓝加氢站、山东潍柴加氢站、乌海化工加氢站等。中国35 MPa加氢站技术已经趋于成熟，三大关键设备45 MPa大容积储氢罐、35 MPa加氢机和45 MPa隔膜式压缩机全部实现国产化。表1国内外加氢站技术对比国外国内加氢站数量2020年全球共有544座加氢站截至2020年年底，累计建成128 座加氢站加氢站类型以70 MPa为主，70 MPa高压气态加氢站占比70%；全球液氢加氢站约占5%全部为高压气氢站，以 35 MPa 为主；35 MPa加氢设备已量产，70 MPa加氢设备已出样机1加氢站的基本分类及构成加氢基础设施为燃料电池汽车充装燃料提供专门场所，是燃料电池车在交通领域应用的重要支撑，也是氢能发展利用的关键环节2。氢能产业发展中长期规划（20212035年）提出，到2025年，燃料电池车辆保有量约5 万辆，部署建设一批加氢站。中国汽车工程学会 节能与新能源汽车技术路线图2.0 研究提出，到2025年，我国加氢站的建设目标至少1 000座，到2035年加氢站的建设目标至少5 000 座。截至2022 年 10 月，国内在运加氢站 280 座，在建加氢站33 座，规划加氢站296 座。按照不同的建设形式，可第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023第4期分为固定式加氢站、撬装式加氢站、移动式加氢站；按照不同的氢气储存状态，可分为气氢加氢站和液氢加氢站。目前国内主要建设气氢加氢站，并朝着集油气氢电综合能源服务站方向发展，本文研究重点对气氢加氢站进行经济性分析。1.1气氢加氢站高压储氢加氢站通过外部供氢或站内制氢获得氢气，我国以外部供氢的35 MPa加氢站为主，氢气依次经过调压干燥系统和氢气压缩系统进入高压储氢罐储存，最后通过氢气加注机为燃料电池汽车加氢，如图1所示。气氢加氢站主要包括卸气柱、压缩机、储氢罐、加氢机、管道、控制系统、氮气吹扫装置、放散装置以及安全监控装置等。其中，最为核心的设备为压缩机、储氢罐以及加氢机。氢气长管拖车卸气柱（计量）氢气压缩机储氢容器加氢机氢燃料电池车图1加氢站工作流程（1）压缩机是加氢站核心设备，承担了氢气增压的作用，由于氢气体积能量密度小，压缩机须承受大压比和大流量。目前国内加氢站采用的氢气压缩机主要有金属隔膜式压缩机、液驱活塞压缩机，也有少数加氢站使用离子液压缩机。在中国已建成的35 MPa加氢站中，金属隔膜压缩机的市占率超过65%，液驱活塞压缩机市场占有率超过30%。液驱活塞压缩机、金属隔膜式压缩机已具备国产化能力，液驱活塞压缩机代表企业有海德利森、康普锐斯；金属隔膜压缩机是目前加氢站压缩机的主力，代表公司为中鼎恒盛、北京天高、PDC、豪顿，其中市场占有率最高的是PDC，但市场份额正在逐渐下滑，国产化替代迅速，中鼎恒盛异军突起，已拥有30%以上的市场份额。离子压缩机系统复杂、成本高，需要依赖进口，林德是代表领先企业。（2）储氢容器。高压储氢容器具有在高压条件下储存氢气的作用。中国加氢站用储氢容器主要分为瓶组和储氢罐，其中瓶组分为按容器设计的站用瓶组和按气瓶设计的站用瓶组；储氢罐分为钢带错绕式储氢罐和多层包扎式储氢罐；目前应用较多的主要是钢带错绕式储氢罐和按容器设计的站用瓶组。国产储氢容器正向更高压力匹配的方向发展，35 MPa加氢站储氢容器的设计压力取45 MPa50 MPa；70 MPa加氢站储氢容器的设计压力通常取80 MPa100 MPa。目前国内生产储氢罐的企业主要有浙江巨化和开原维科；国内储氢瓶组的企业主要有浙江蓝能、东方锅炉。（3）加氢机。加氢机的主要功能是为氢燃料电池汽车加氢和对加氢量进行计量。氢气进入加氢机后，依次通过气体过滤器、气动球阀（或者高压电磁阀）、单向阀、流量计、拉断阀、加氢软管，最后由加氢口充入储氢瓶，完成加氢 3。加氢压力主要有35 MPa与70 MPa4。加氢机已具备国产化水平，代表性企业有厚普股份、上海舜华、安泰科技，其中厚普股份实现加氢机出口，并且最先推出70 MPa加氢机。（4）加氢预冷装置，主要包括制冷机组、冷却水管路、载冷剂管路及换热器。换热器是预冷装置的关键设备，是预冷装置中唯一与氢气接触的设备。（5）卸气柱。卸气柱是长管拖车与加氢站的气源对接口，与拖车车位逐一对应。卸气柱通过链接拖车的柔性软管、拉断阀、过滤器、单向止回阀、手动截止阀、安全阀及压力表导流氢气进压缩机。（6）顺序控制柜，被压缩后的氢气通过顺序控制柜输送至储氢瓶进行分级储存，顺序控制阀组由一系列气动阀、电磁间和压力传感器组成，是实现氢气加注和取气自动化控制的重要组件。1.2液氢加氢站液氢加氢站是通过液氢槽车将液氢运输至加氢站，与加氢站连接后进入站内的液氢储罐5。液氢储罐中的氢通过气化器进行气化，气化后的氢气进入缓冲罐。随后进入压缩机内被压缩，并先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。液态加氢站是由液氢储罐、高效液氢增压泵、高压液氢气化器及氢气储罐、加氢机和控制系统等关键模块组成。其中，液氢泵是液氢加氢站的核心设备，液氢泵相较于气氢加氢站中的压缩机，能耗降低80%90%。2加氢站的经济性分析2.1加氢站投资构成加氢站投资包括建设工程费用、建设工程其他费用、预备费、建设期利息以及流动资金，其中工程费用中的工艺部分投资主要包括压缩机、储氢罐、加氢机。以1 000 kg/d加氢站投资构成为例，三大件约占加氢工艺设备费用的65%，占总投资的37.5%，如图2所示。王明华等：加氢站技术经济性分析74第4期6.3%18.8%37.5%17.2%20.3%加氢设备BOP管理监理勘察土地费用其他图21 000 kg/d加氢站投资构成比例此外，加氢站的投资与本身的加注规模有关，见表2和表3。表21 000 kg/d加氢站投资构成规模总投资工程费用建设工程其他费用建设投资1 000 kg/d包括工艺、总图运输、建筑物、构筑物、供配电、自控仪表、通信、给排水消防、暖通等加氢工艺2 台压缩机2 台加氢机15 m3储氢瓶组管理费、监理费、勘察设计费等土地（15 亩）万元3 2001 8501 2004501202005506003 150表33 000 kg/d加氢站投资构成规模总投资工程费用建设工程其他费用建设投资3 000 kg/d包括工艺、总图运输、建筑物、构筑物、供配电、自控仪表、通信、给排水消防、暖通等加氢工艺设备及安装2 台压缩机6 台加氢机3 组15 m3储氢瓶组管理费、监理费、勘察设计费等万元6 1503 8002 2005805006007505 7502.2加氢站氢使用的成本费用构成加氢站的成本费用主要包括人工、修理保险安全生产管理费、电水等可变成本、利息、折旧摊销等。以1 000 kg/d加氢站为例，加氢站的氢使用成本测算见表4、图3。表4加氢站氢使用成本构成项目人工成本修理保险安全生产管理费可变成本（电、水等）利息折旧摊销总成本（不含税）加氢成本构成/（元 kg-1）2.064.731.180.602.4911.065.4%18.6%42.8%10.7%可变成本（电、水等）修理保险、安全生产管理费利息折旧摊销人工成本图31 000 kg/d加氢站氢使用成本构成2.3加氢站氢使用成本的影响因素分析（1）主要设备成本下降的影响分析。随着技术的发展，加氢站三大件及附属设备（BOP）的费用有一定的下降空间。假定设备成本下降50%，如图4所示，设备成本下降对加氢站氢使用成本影响不大，设备成本下降50%，氢的使用成本才下降10%。11.211.010.810.610.410.210.09.89.69.4加氢站氢使用成本/（元 kg-1）设备成本下降幅度/%0102030405011.0610.8610.6610.4610.2610.05图4加氢站氢使用成本随着设备成本下降的影响（2）管理水平提升的影响分析。从加氢站氢使用成本构成，可以发现修理保险安全生产管理费占氢使用成本42.8%，这与加氢站不完全成熟有关，相关的维修、制造费用和管理费用等计提成本较高，并没有实现精细化的管理。随着项目的增多，经营经验增加，部分成本费用下降70%，在其他成本不变的情况下，加氢站氢使用成本降低到 7.75 元/kg，下降幅度75第4期30%，如图5所示。由此可知，提升加氢站管理水平对降低加氢站的氢使用成本效果十分明显。12.0011.0010.009.008.007.006.00加氢站氢使用成本/（元 kg-1）运维成本下降幅度/%01020304050607011.0610.5910.129.649.178.708.227.75图5加氢站氢使用成本随着运维成本下降的影响此外，气氢压缩单位能耗为1.53.5 kWh/kg（取决于不同入口压力和出口压力），降低加氢站的能耗也是降低成本的原因，但程度有限。3结语目前，由于氢能利用尚处于早期，燃料电池汽车数量少，即使政府对于加氢站给予一定的补贴，目前加氢站较高的运营费用仍使运营商找不到盈利的空间。在纯氢站现阶段盈利能力较弱的背景下，油氢合建站越来越受到运营商的青睐。油氢合建站有着节约土地成本的基础优势，可以很好地规避建设加氢站的首要难题土地批复。此外，加油站具有多年运营经验，在设备维护、安全管理以及人员素质方面都有得天独厚的条件，为油氢合建站的建设和示范运行提供了基本保障6。依靠加油站销售网络格局，加氢站也会拥有较为稳定的客户来源。最为关键就是，加油站的经营效益相对可观，“以油养氢、分担风险”模式对处于成长期的加氢站项目来说，是当前比较现实的选择，成为很多立足于加氢站和氢能产业经营者的短中期策略。参考文献：1万燕鸣，熊亚林，王雪颖.全球主要国家氢能发展战略分析 J.储能科学与技术，2022，11（10）：3401-3410.2熊亚林，许壮，王雪颖，等.我国加氢基础设施关键技术及发展趋势分析 J.储能科学与技术，2022，11（10）：3391-3400.3GB/T311382022，加氢机 S.北京：国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会，2022.4赵月晶，何广利，缪平，等.35MPa/70MPa加氢机加注性能综合评价研究 J.储能科学与技术，2020，9（3）：702-706.5朱琴君，祝俊宗.国内液氢加氢站的发展与前景 J.煤气与热力，2020，40（7）：15-19，45.6张旭.油氢合建加氢站建设与设计规范探讨 J.现代化工，2021，41（7）：19-25.王明华等：加氢站技术经济性分析Technical and Economic Analysis of Hydrogen Refueling StationWang Minghua,Zhang Dongqing(CHN Energy Economic and Technological Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 102211)Abstract：Hydrogen refueling station is an important support for the application of fuel-cell vehicles in thetransportation field.This paper compares the development status of hydrogen refueling station technology athome and abroad,and analyzes the investment composition of hydrogen refueling station,composition ofhydrogen use cost and influence factors.The results show that hydrogen energy utilization is still in the earlystage,the number of fuel-cell vehicles is small,even if the government has given certain subsidies to thehydrogen refueling station,but the current high operating costs of hydrogen refueling station still makeoperators unable to find room for profit.The operating benefit of gas station is relatively considerable,andthe construction of oil-hydrogen combined station is a more realistic choice for hydrogen refueling stationproject which is in the growth stage,and has become a short-and medium-term strategy for many hydrogenrefueling stations and hydrogen energy industry operators.Key Words：hydrogen energy;hydrogen refueling stations;technical and economic analysis;investment;cost（收稿日期：2022-07-04责任编辑：马小军）76