可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究.pdf
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1、中国正在大力发展氢能,积极实现“3060”碳排放目标,根据测算,中国将成为最大的氢能生产国和消费国之一。中国各省资源禀赋、经济发展情况各不相同,跨省际能源合作尤为重要。为研究绿色氢能跨省供应的可行性,包括氢能运输的技术可行性,采用全成本(total cost of ownership,TCO)理论建立了氢能跨省运输的全成本模型。在此基础上,通过案例研究分析了江西省制氢供粤的相关情况,通过模型计算,得到了江西供粤氢能的成本为31.9元/kg,与当地氢能售价持平。同时还总结出影响外省氢能价格的主要因素,制氢电费占制氢成本的42.38%。研究结果可为中国省际绿色氢能的供给提供解决方案,也可为构建能源
2、运输新通道提供新思路。关键词关键词:氢能;可再生能源;技术可行性;经济可行性ABSTRACT:China is vigorously developing hydrogen energy and actively realizing the“3060”carbon emission target.It is estimated that China will become one of the largest producers and consumers of hydrogen energy.The resource endowment and economic development of
3、 Chinese provinces are different,so the inter-provincial energy cooperation is particularly important.In order to study the feasibility of inter-provincial supply of green hydrogen energy,including the technical feasibility of hydrogen energy transportation,the total cost of ownership(TCO)model of i
4、nter-provincial transportation of hydrogen energy was established by using the TCO theory.On this basis,the case study of hydrogen production in Jiangxi province for Guangdong province was analyzed.After model calculation,the cost of hydrogen energy from Jiangxi to Guangdong was found to be 31.9 yua
5、n/kg,which is equal to the local price of hydrogen energy.Meanwhile,the main factors affecting the price of hydrogen energy from other provinces were summarized.It is found that the electricity cost of hydrogen production accounts for 42.38%of the cost of hydrogen production.This research results pr
6、ovide a solution for the supply of green hydrogen energy in China,and also provide a new idea for constructing a new energy transportation channel.KEY WORDS:hydrogen storage;renewable energy;technical feasibility;economic feasibility0引言引言随着全球范围内政策的大力支持,氢能获得了前所未有的发展势头。可再生能源制取绿色氢气供应成本的下降以及减缓温室气体排放的紧迫性
7、,是这一发展势头的主要原因。氢能作为一种清洁能源,可以改善中国的能源结构,减轻环境污染,是实现碳中和的重要途径1-3。同时,氢能产业是实现经济高质量转型发展的重要起点4-5。然而,与石油和天然气相比,氢能成本较高,这严重制约了氢能产业的发展和商业化。若要实现氢能的商业化,不仅要满足技术可行性,还要满足经济可行性。在氢能产业链的各个环节中,上游制氢一直是制约各省氢能可持续健康发展的主要因素。特DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22016 中图分类号:TK 91基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFF0601004)。Project Supported by Nati
8、onal Key R&D Program of China(2021YFF0601004).Vol.44 No.4兰宇等兰宇等:可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究别是随着氢燃料电池汽车推广应用规模的扩大,对氢的需求也随之增加6。氢气短缺、氢能价格高等问题制约了氢能产业的快速发展。目前,中国的氢能来源主要是化石燃料制氢,可再生能源制氢尚未得到广泛推广。同时,风电、光伏发电等可再生能源的高成本和储能问题制约了其大规模发展7-8。大力发展可再生能源制氢,既可以提高风电、光伏发电等可再生能源的利用率,又有利于促进氢能产业发展9。对此,许多学者对
9、可再生能源制氢进行了相关研究。文献10-12计算了多种情景下的制氢成本,认为可以通过降低低谷电价、使用混合系统制氢来降低电解氢的成本,减少对化石燃料的依赖性。文献13-14研究发现,目前可再生能源制氢成本高于采用碳捕集与封存(carbon capture and storage,CCS)技术的天然气制氢成本,不具有市场竞争力,将市场转向可再生能源禀赋好或低成本地区,可以有效解决可再生能源消纳问题。与此同时,利用可再生能源制氢的技术便捷性和经济效率需进一步提高,以便大规模应用15。氢能储运是制氢的下游环节,关注度较制氢偏低,因此跨区域储运的研究较少。国际上有可再生能源制氢跨洲际运输的研究案例,其
10、采用了管道天然气掺氢的方式16-17。国内相关研究尚处于萌芽阶段,有学者18提出了一种解决中国能源分配不平衡的新方法,利用风能、太阳能的富余绿电制氢,并掺入天然气管道内与天然气(混合物简称为HCNG)共同运输。产业上,国内氢能供应基本为本地区供应,但是目前不少地区在本地氢能供应上存在较大缺口,利用周边省份丰富的可再生能源制氢是解决本地氢能供应缺口的有效手段。基于此,本文对可再生能源制氢跨省供应的技术可行性和经济可行性进行分析研究,采用全成本(total cost of ownership,TCO)理论建立氢能跨省运输的全成本模型,将液氢运输和管道运输纳入考察范围。最后,通过案例分析验证模型的有
11、效性,分析影响跨省供应氢能价格的主要因素。1技术可行性分析技术可行性分析根据氢能在输送过程中的不同状态,氢能的输送可分为气态氢、液态氢和固态氢。对于气态氢、液态氢,运输前加压或液化是目前加氢站所采用的运输方式19。多种氢能运输技术特征19-29如表1所示。氢气通常加压到一定压力后,再通过集装箱、长管拖车和管道输送。长管拖车运输技术成熟,规格完善,因此国外许多加氢站使用长管拖车来运输氢气。采用管道输送氢气的方式规模大、距离长,可有效降低运输成本20,30。管道输送氢气的方式主要分为天然气掺氢输送和氢气专用管道输送2类。由于高压氢气输送的经济距离在300 km左右,而省际运输距离在500 km以上
12、,因此高压氢气不适合省际运输。管道运输对距离相对不敏表表1氢能运输技术特征氢能运输技术特征Tab.1Hydrogen energy transport technology characteristics技术特征运输设备运输条件优点缺点技术进展高压气态氢运输长管拖车高压常温运输方便;技术成熟;压缩氢气能耗低;充放速度快单车运输量少;车身笨重,储运氢效率低;气态运输安全较差35 MPa 型瓶已实现国产化,沈阳斯林达等企业已掌握70 MPa 型瓶核心技术低温液态氢运输液氢罐车常压低温单车运输量大;储运氢效率高;广泛应用于航空航天领域液化氢气能耗高;液态氢运输需保证低温,解决气化问题;缺乏民用标准欧
13、、美、日等液氢技术发展已相对成熟;中国数十年航天军事领域液氢发展已具备经验与能力管道运输(专属)氢气管道高压常温连续运输,运输量大;运输过程能耗低前期投资高,审批困难;需保证上游氢源充足全球范围内氢气输送管道总里程已超过4 600 km;我国已建成氢气管道400 km(金陵扬子,巴陵长岭,济源洛阳)管道运输(天然气掺氢)天然气管道高压常温可利用现有西气东输管道,减少前期投资成本;连续运输,运输量大国内技术尚不成熟,相关操作参数(如掺氢比等)不确定;氢气掺入使管道安全性下降国外已有VG2、NaturalHy等掺氢天然气输送项目;国内朝阳市掺氢天然气管道安全关键技术验证项目正在进行固态储氢运输金属
14、氢化物等常温常压体积储氢密度大;中间体储运安全方便质量储氢密度低;固态储氢装置的充装和释放速率较慢实验室研究阶段474第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术感,适合大型运输。液态氢的体积密度为 70.8 kg/m3,体积能量密度为 8.5 MJ/L,在输送压力为 15 MPa 时是气态氢体积能量密度的6.5倍。因此,氢气经过低温冷却至21 K,液化后可通过罐车或管道运输,大大提高了运输效率。目前,国外的加氢站使用罐式卡车运送液态氢略多于气态氢。液态氢是未来氢能发展的重点方向,省际运输距离在5001 000 km,适合液态氢运输21-23。20 世纪 70 年代初,荷兰 Philips
15、 公司和美国Brookhaven实验室先后研究发现,LaNi5、Mg2Ni等合金具有可逆吸收和释放氢的能力,它们通过化学键“束缚”了固态储氢材料中的H原子,因此,固态氢储存技术被载入史册24。但由于固态储氢目前储存密度偏低,暂未用于实际应用,只能停留在实验室阶段。在制氢方面,电解制氢因其绿色环保、生产灵活、氢纯度高(99.97%)和氧气副产品价值高等特点,被认为是最具有潜力的制氢方法之一。目前,电解制氢技术主要有碱性电解、质子交换膜电解和固体氧化物电解。其中,我国的碱性电解技术处于世界领先地位,是目前工艺最成熟、生产成本最低的技术,电解水制氢与储运成本在3060元/kg31-33;质子交换膜电
16、解工艺简单,但能耗高,且使用贵金属催化剂导致生产成本高;固体氧化物电解需要在高温环境下工作,能耗在3种电解制氢技术中最高,且目前尚处于实验室研发阶段34-35。随着未来技术的研究突破,利用可再生能源制氢是生产高纯氢的有效途径。结合目前的技术现状和前沿研究,氢能输送方式主要考虑液氢运输和管道运输。截至2022年6月,国内外液氢长距离运输有示范性项目正在开展,如表2所示。2021年,国内首车民用液氢自内蒙古乌海运抵广州,标志着国内液氢跨省运输迈出重要一步。2022 年 3月,由日本川崎重工建造的全球首艘液氢运输船“Suiso Frontier”号运载第一批液氢返回日本,这标志着世界上首次液氢长距离
17、国际运输顺利完成。2经济可行性分析经济可行性分析2.1方法介绍方法介绍本文采用的经济分析模型是TCO模型,该模型基于TCO理论,其最早由Lisa M.Ellram提出,并被不断完善36。通过采用TCO模型进行成本计算,可以用一个更加宏观的角度去看待成本,而不是局限于简单的商品单价37。成本计算方面常用的方法还有平准化电力成本(levelized cost of electricity,LCOE)。美国国家可再生能源实验室最先提出LCOE的概念,德国Fraunhofer协会提出平准化度电成本的概念,用于研究新能源发电项目,主要目的是评估各种能源类型的平均发电成本38。平准化度电成本是指对项目生命
18、周期内的成本和发电量进行平准化后得到的度电成本。LCOE多用于新能源发电或制备时全生命周期成本计算,便于不同能源品种间比较38-40。而本文研究范畴从可再生能源制氢开始,直至目的地加氢站前,包括制取、运输、转化全流程,采用TCO模型计算成本更加合适。目前,TCO模型广泛应用于通信、建筑、零售各个行业,在能源行业中也有较多应用,如石化、新能源汽车等41-42。TCO成本一般由直接购买成本和运营成本组成。当前学术研究中使用TCO测算成本的角度有多种,本文不涉及供应商选择,因此按组织经营流程来计算,计算边界如图1所示,即制氢和储运。计算公式如下:CTCO=C1+C2+C3+C4(1)式中:CTCO为
19、案例的全成本;C1、C2分别为制氢环节的直接采购成本、运营成本;C3、C4分别为储运环节的直接采购成本、运营成本。表表2示范性项目示范性项目Tab.2Demonstration projects参数氢源地目的地距离氢能物态运输工具运量国内内蒙古乌海广东广州2 500 km液态液氢罐车1车国际澳大利亚黑斯廷斯日本神户8 000 km液态液氢运输船2.6 t(设计容量88 t)475Vol.44 No.4兰宇等兰宇等:可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究2.2模型构建模型构建通过对氢能生产和储运全流程成本的分析,将所有涉及到的过程都纳入成本计算中。首
20、先计算出制氢端的总成本,然后在运输端计算出不同运输方式的成本,最后对管道与液氢的运输成本进行比较,给出合理的运输方案。表3为制氢成本,主要由三大类11项构成,其中,设备、土地和建设部分是直接采购成本,运营与维护部分是运营成本。运输方面主要分为气态、液态和固态运输,其中气态和液态运输技术较为成熟。一般来说,气态罐车运输在300 km范围内经济效益较好,跨省运输已经超过这个范围,因此不考虑气态高压槽车43。制氢、液化、液氢罐车、液氢加气站形成完整的液氢产业链。与其他运输方式相比,液态氢运输需要增加一个氢气液化站来液化氢气厂生产的气态氢。目前,我国民用液氢装置的建设正在逐步成形,前景广阔。液氢罐车运
21、输是指将氢冷却至253,液化后装入低温储罐运输。由于液氢质量密度大(70.6 kg/m3),液氢罐车单次运输质量可达3 000 kg以上,比长管拖车运输效率更高。液氢运输成本如表4所示,分为液化站液化和液氢罐车运输2部分,其中,液化设备一次投入是直接采购成本,液化站其他成本和液氢罐车运输是运营成本。管道输氢是将管道系统埋在地下输送氢气,适用于大规模长距离输氢。管道输氢效率高,但是初期施工成本高。我国输氢管道总里程大约400 km,主要分布在渤海湾、长三角等地。管道输氢更适合固定终端用户,如制氢厂和氢气站。目前,管道输氢有氢气专属管道运输和天然气管道掺氢运输2种技术路线。管道输氢成本如表5所示,
22、其中管道建设是直接采购成本,其他成本是运营成本。3案例分析案例分析3.1案例背景案例背景截至2021年5月,中国有18个省级行政区域出台了关于发展氢能相关产业和基础设施的政策;此外,中央政府还出台了18个相关政策。在各省市行政部门中,广东省出台的氢能相关政策最多。表表3制氢成本制氢成本Tab.3Cost of hydrogen production成本项设备土地与建设运行与维护构成锂电池制氢设备氢气压缩机土地建设制氢用电原料水冷却水氢氧化钾人工维护表表5管道输氢成本管道输氢成本Tab.5Pipeline hydrogen transport cost类型氢气专属管道天然气管道掺氢成本项管道建设
23、运行与维护人工泵站管道使用费分离与提纯表表4液氢运输成本液氢运输成本Tab.4Transportation cost of liquid hydrogen成本项液化站液化液氢罐车运输构成液化设备一次投入(包括土地与建设成本)液氮液化电费人工维护费液氢罐车人工车辆保险维护费燃料费过路费可再生能源发电厂制氢厂液化装置压缩机液氢罐车管道储氢设备用氢设备计算边界图图1 案例计算边界案例计算边界Fig.1 Case calculation boundaries476第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术广东省是国内较早布局氢能产业的地区,氢能产业链完善,产业发展配套设施齐全,目前已覆盖氢能生产
24、、氢能运输、氢能加注、燃料电池及系统的全产业链。在示范应用方面,广东省推广了1 600多辆氢燃料电池运营汽车,初步实现了大规模示范应用。在基础设施建设方面,23个加氢站已建成投产,主要集中在佛山和云浮。但是当前广东本地氢能供应能力不能较好地对接终端需求,在交通等领域缺乏高纯度氢能应用,未能有力支撑相关产业发展。面对日益增长的氢能终端需求,广东省内的氢能供应已经受到限制,如佛山部分氢燃料电池汽车只能暂停使用,从外省调氢势在必行。本文将以江西省制氢供粤为案例,利用江西省风电制氢为氢源,考虑采用液氢储运技术和管道输氢技术2种运输方式,分析可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性。通过案例计算江西省氢能
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