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簡(jiǎn)單分析一下氫能源的主要使用成本！
氫能源如果要提高其使用范圍，必須要在降低生產(chǎn)和運(yùn)輸成本方面做相應(yīng)的改進(jìn)，進(jìn)而增加氫能源的使用。今天為大家介紹一下氫能供應(yīng)鏈的成本主要包含哪些方面在。
(一)、制氫成本
我國(guó)作為世界第一產(chǎn)氫大國(guó)，產(chǎn)能超過(guò)2000萬(wàn)噸/年。煤、天然氣、石油等化石燃料生產(chǎn)的氫氣占了將近70%，工業(yè)副產(chǎn)氣體制得氫氣約占30%，電解水占不到1%。我國(guó)制氫潛力巨大，煤炭、天然氣制氫幾乎不受資源約束，焦炭、氯堿、甲醇、合成氨的副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能也超過(guò)千萬(wàn)噸，2018年全國(guó)可再生能源棄電量為1023億千瓦時(shí)，理論制氫潛力達(dá)到186萬(wàn)噸。
在各類制氫技術(shù)路線中，化石燃料制氫技術(shù)具有技術(shù)成熟、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但也面臨碳排放量高、氣體雜質(zhì)含量高等問(wèn)題。我國(guó)煤制氫技術(shù)成熟，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化且具有明顯成本優(yōu)勢(shì)(0.8～1.2元/標(biāo)準(zhǔn)立方米)，適合大規(guī)模制氫，且我國(guó)煤炭資源豐富，煤制氫是我國(guó)當(dāng)前主要的制氫方式。天然氣制氫成本受原料價(jià)格影響較大，綜合成本略高于煤制氫(0.8～1.5元/標(biāo)準(zhǔn)立方米)，主要適用于大規(guī)模制氫，但也存在碳排放問(wèn)題，同時(shí)我國(guó)天然氣大量依賴進(jìn)口，原料相對(duì)較難以保證。雖然未來(lái)碳捕捉技術(shù)有望解決CO2排放問(wèn)題，但也會(huì)增加制氫成本。此外，化石燃料制氫技術(shù)生產(chǎn)的氣體雜質(zhì)成分多，如果要應(yīng)用于燃料電池還需要進(jìn)一步的提純，增加純化成本。
工業(yè)副產(chǎn)氫制氫盡管提純工藝相對(duì)復(fù)雜，但具有技術(shù)成熟、成本低、環(huán)境相對(duì)友好等優(yōu)點(diǎn)，有望成為近期高純氫氣的重要來(lái)源。工業(yè)副產(chǎn)氫制氫指利用含氫工業(yè)尾氣為原料制氫的生產(chǎn)方式。工業(yè)含氫尾氣主要包括焦?fàn)t煤氣、氯堿副產(chǎn)氣、煉廠干氣、合成甲醇及合成氨弛放氣等，一般用于回爐助燃或化工生產(chǎn)等用途，利用效率低，有較高比例的富余。目前采用變壓吸附技術(shù)(PSA)的焦?fàn)t煤氣制氫、氯堿尾氣制氫等裝置已經(jīng)得到推廣應(yīng)用，氫氣提純成本僅0.2元/立方米，計(jì)入綜合成本后仍具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。
電解水制氫技術(shù)成熟、氫氣純度高且環(huán)境友好，但是制氫成本高。電解水制氫技術(shù)主要包括堿性電解水制氫、固體質(zhì)子交換膜電解水(SPE)制氫和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)制氫。我國(guó)堿性電解水制氫技術(shù)早已成熟，是目前最成熟的電解水制氫方法，但成本仍然偏高。目前生產(chǎn)1立方米氫氣需要消耗大約5～5.5千瓦時(shí)電能，即使采用低谷電制氫(電價(jià)取0.25元/千瓦時(shí))，加上電費(fèi)以外的固定成本(約0.5元/立方米)，則目前制氫綜合成本至少在1.7元/立方米。SPE制氫技術(shù)在國(guó)外已進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入階段，但與SOEC技術(shù)一樣，在國(guó)內(nèi)還都處于研發(fā)階段。與堿性電解水制氫技術(shù)相比，SPE制氫設(shè)備價(jià)格高出數(shù)倍，但具有對(duì)負(fù)荷變化響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，更適應(yīng)可再生能源發(fā)電間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，有望在裝備成本降低后，成為未來(lái)更具市場(chǎng)前景的電解水制氫技術(shù)?？傮w而言，電解水制氫高靈活性和高成本的特點(diǎn)決定了其更適合在分布式場(chǎng)景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制氫。
(二)、儲(chǔ)運(yùn)成本
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前氫氣儲(chǔ)存的主要方式，具有容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低、充放速度快等優(yōu)點(diǎn)。按照氫氣狀態(tài)的不同以及技術(shù)發(fā)展的不同階段，目前國(guó)內(nèi)外氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式可分為三大類：一是壓縮氣態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)，這是目前國(guó)內(nèi)外最成熟的技術(shù)。根據(jù)氫氣壓力級(jí)別不同，可分為低壓、中壓和高壓三類。其中，低壓儲(chǔ)罐一般用于就地儲(chǔ)存，常見為15兆帕低壓儲(chǔ)罐;中壓儲(chǔ)罐通常儲(chǔ)存壓力為16兆帕～45兆帕，可用于加氫站的固定式儲(chǔ)氫或其他對(duì)空間要求比較苛刻的場(chǎng)景;國(guó)內(nèi)高壓儲(chǔ)罐最高設(shè)計(jì)壓力為98兆帕，主要用于加氫站的固定式儲(chǔ)氫。
對(duì)于車載儲(chǔ)氫來(lái)說(shuō)，目前常用的儲(chǔ)氫罐壓力為35兆帕和70兆帕，國(guó)際上70兆帕車載儲(chǔ)氫技術(shù)成熟，已被應(yīng)用于乘用車并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用;國(guó)內(nèi)目前還普遍使用35兆帕車載儲(chǔ)氫罐，還未形成70兆帕車載儲(chǔ)氫罐使用標(biāo)準(zhǔn)。二是液氫技術(shù)，目前國(guó)外已經(jīng)推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)只用于航天領(lǐng)域。液氫儲(chǔ)氫罐的優(yōu)勢(shì)是儲(chǔ)氫密度大，按每立方米液氫儲(chǔ)罐可儲(chǔ)存70公斤(90兆帕高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存47公斤氫氣)，但液氫液化過(guò)程能耗高，折合每千克氫氣耗電約13千瓦時(shí)，且外部侵入熱量會(huì)造成每天約1%的蒸發(fā)損失。三是固體儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料技術(shù)，國(guó)內(nèi)外均仍處于研究開發(fā)階段。固體儲(chǔ)氫指各種類型的儲(chǔ)氫合金或金屬氫化物吸附儲(chǔ)氫，這類儲(chǔ)氫材料體積較小，因此體積儲(chǔ)氫密度高且壓力小，使用安全。但固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，還需要進(jìn)一步提高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度、降低釋氫溫度以及提高使用壽命等。有機(jī)液體儲(chǔ)氫，一般具有儲(chǔ)氫密度較高和運(yùn)輸方便的優(yōu)點(diǎn)，如果能在降低放氫溫度、減少能量消耗等方面獲得突破性進(jìn)展，將有望得到推廣應(yīng)用。
氫輸送技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)輸送、管道輸氫和液態(tài)氫輸送。高壓氣態(tài)氫氣輸送技術(shù)將氫氣增壓至20兆帕至40兆帕左右充裝到大容積氣瓶組，以長(zhǎng)管拖車從制氫廠運(yùn)送至使用廠家或加氫站。通常每輛長(zhǎng)管拖車的載運(yùn)氫氣量約300～500公斤，由于拖車裝運(yùn)的氫氣重量只占運(yùn)輸總重量的1%～2%，運(yùn)輸效率較低，因此高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)適用于運(yùn)輸距離較近(不超過(guò)150公里)和輸送量較低的場(chǎng)景，國(guó)內(nèi)加氫站的外進(jìn)氫氣目前均采用長(zhǎng)管拖車進(jìn)行運(yùn)輸。管道運(yùn)輸則適用于大規(guī)模、長(zhǎng)距離的氫氣運(yùn)輸，可有效降低運(yùn)輸成本。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新建輸氫管網(wǎng)可以滿足巨大的用氫需求，是大規(guī)模、長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。液氫運(yùn)輸是將液氫裝在壓力通常為0.6兆帕的專用低溫絕熱槽罐內(nèi)，利用卡車、機(jī)車和船舶進(jìn)行運(yùn)輸。每輛汽車的液氫裝載量超過(guò)2000公斤，經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸距離超過(guò)500公里，具有氫氣運(yùn)輸量較大，運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但是制取液氫的能耗較大，并且液氫儲(chǔ)存、輸送過(guò)程均有一定的蒸發(fā)損耗。液氫輸送技術(shù)較為成熟，國(guó)外應(yīng)用也已經(jīng)有一定規(guī)模;而國(guó)內(nèi)由于相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)欠缺，暫時(shí)沒(méi)有液氫卡車罐車，僅有液氫鐵路罐車。
綜上所述，氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式的選擇需根據(jù)需求量、運(yùn)輸距離綜合考慮：氣態(tài)長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸適合用于短距離和300千克/天需求量加氫站，目前高壓儲(chǔ)氫罐拖車運(yùn)輸百公里儲(chǔ)運(yùn)成本為20元/公斤，占終端氫氣售價(jià)約50%;液氫儲(chǔ)運(yùn)適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸和大于500千克/天需求量加氫站;管道運(yùn)輸適合大于1000千克/天需求量加氫站。固態(tài)儲(chǔ)氫材料和有機(jī)液體儲(chǔ)氫是氫氣儲(chǔ)存與運(yùn)輸?shù)闹匾芯糠较颍壳岸继幱谘邪l(fā)或小規(guī)模示范運(yùn)用階段。
(三)、加注成本
加氫站的運(yùn)營(yíng)成本主要包括氫氣采購(gòu)、運(yùn)輸、氫氣存儲(chǔ)，加氫站能耗及人員成本等。加氫站儲(chǔ)氣系統(tǒng)的儲(chǔ)氫容器、儲(chǔ)氫壓力是其主要技術(shù)指標(biāo)。目前35兆帕加氫站高壓儲(chǔ)氫容器工作壓力為45兆帕。70兆帕加氫站高壓儲(chǔ)氫容器工作壓力為87.5兆帕。由于目前加氫站建設(shè)數(shù)量少，各類成本無(wú)法形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以國(guó)內(nèi)某示范項(xiàng)目為例，其45兆帕，300標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)壓縮機(jī)成本為60萬(wàn)元，45兆帕和25兆帕儲(chǔ)氫瓶成本分別為50萬(wàn)元和10萬(wàn)元，35兆帕加氫機(jī)成本為65萬(wàn)元，長(zhǎng)罐拖車成本120萬(wàn)元，加之其他管束、監(jiān)控、站內(nèi)制氫等周邊成本，加氫站(4壓縮機(jī)×4儲(chǔ)氫瓶)綜合建站成本超過(guò)1000萬(wàn)元(不含土地)。
國(guó)內(nèi)目前正在規(guī)劃、建設(shè)中的加氫站大約有20座以上，加氫能力大都小于400公斤/天，屬于示范型加氫站。以400公斤/天的加氫站為例計(jì)算，車載儲(chǔ)氫量為4公斤，則可服務(wù)100輛轎車;公共交通客車百公里耗氫量按照8公斤計(jì)算，車載儲(chǔ)氫量為25公斤，則可服務(wù)16輛公共交通客車。相比單個(gè)加油站平均服務(wù)上千輛汽車，加氫站單站的供應(yīng)能力明顯偏小。單站供應(yīng)能力將影響到加氫站的經(jīng)濟(jì)性，考慮加氫站投資運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)，目前氫氣儲(chǔ)運(yùn)及加注占總成本近70%。隨著氫能應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大和管道運(yùn)輸?shù)囊耄磥?lái)氫能儲(chǔ)運(yùn)和加注成本有較大下降潛力。
從最近公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，日本計(jì)劃到2030年對(duì)于燃料電池的開發(fā)投入將達(dá)到1萬(wàn)億日元;2016年美國(guó)對(duì)于燃料電池和氫能源的研發(fā)就已經(jīng)超過(guò)了7600萬(wàn)美元;在加州目前已經(jīng)建成了31個(gè)加氫站，計(jì)劃2023年將建設(shè)超過(guò)100個(gè)加氫站。其實(shí)從這些數(shù)據(jù)中我們就已經(jīng)可以看出全球都已經(jīng)非常重視對(duì)于燃料電池的開發(fā)和氫能源的使用。
氫能源+燃料電池的組合具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。首先就是排放問(wèn)題，氫能源在使用的時(shí)候與燃料電池發(fā)生反應(yīng)，而排出的唯一物質(zhì)就是水，這可是百分百滿足國(guó)際環(huán)保排放需求。加注速度快也是其主要的優(yōu)勢(shì)之一，據(jù)氫能源制造企業(yè)給出的數(shù)據(jù)來(lái)看，加注100L的儲(chǔ)氫罐只需要兩分鐘。從加注的速度上來(lái)說(shuō)就已經(jīng)可以和傳統(tǒng)的燃油加注速度媲美，這也是目前純電動(dòng)卡車在能源補(bǔ)速度充上無(wú)法超越的。
續(xù)航里程在純電動(dòng)卡車上來(lái)說(shuō)，一直是難以解決的問(wèn)題，但是氫能源+燃料電池的組合卻可以很好地解決續(xù)航里程問(wèn)題。這還是依靠于氫能源的加注速度，換而言之氫能源車未來(lái)其實(shí)就跟目前的燃油車一樣，只是加注的能源從燃油變成了氫能源。
首先是燃料電池的壽命問(wèn)題，這是目前困擾了全球所有研究燃料電池企業(yè)的一大難題。目前即便是本田新一代燃料電池系統(tǒng)的壽命也僅有5000小時(shí)，算下來(lái)差不多也就是200余天。對(duì)于重卡來(lái)說(shuō)如此短壽命的燃料電池當(dāng)然是無(wú)法滿足日常使用需求的，同時(shí)短壽命也注定需要高頻率的更換燃料電池，這成本對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)根本是無(wú)法想象的。
據(jù)了解，儲(chǔ)存一公斤氫的乘用車氫瓶需要約1000美元。由于氫需要很大的壓力來(lái)壓縮，氫瓶壓力一般可以達(dá)到700個(gè)大氣壓，因此，瓶子既要輕便又要保證強(qiáng)度。鋁合金與高強(qiáng)度碳纖維材料的組合，導(dǎo)致氫瓶成本居高不下，如果換算到重卡之上這一成本必定會(huì)呈幾何倍數(shù)增加。同時(shí)安全也是一大難題，低壓儲(chǔ)氫罐如果裝在卡車之上，一旦發(fā)生嚴(yán)重的碰撞事故是否會(huì)發(fā)生讓人擔(dān)心的“氫彈”爆炸?這都是未解難題!
加氫站的建設(shè)也是未來(lái)的一大難題，因?yàn)樗⒎俏覀兿胂笾械哪敲慈菀?。就拿日本已建成的加氫站為例，其建設(shè)一座加油站僅需1億日元(約650萬(wàn)人民幣)，但是建一座中規(guī)模的FCV(參數(shù)|圖片)加氫站則需要4.5億日元(約2700萬(wàn)人民幣)，這還不算基礎(chǔ)建設(shè)的費(fèi)用以及加注設(shè)備的費(fèi)用，由此可見其成本方面是很高昂的。截止到2017年底，全世界正在運(yùn)營(yíng)中的加氫站也僅有274座，而中國(guó)只有7座，如此稀有的配套措施無(wú)疑讓氫能源汽車進(jìn)度更加緩慢。
氫能源如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的道路要走，其市場(chǎng)應(yīng)用也是當(dāng)前發(fā)展氫能源相關(guān)技術(shù)的最好保障。
