當前，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成本。選取不同的技術路線，加氫站建設和運營的成本也各不相同。本文就加氫站的建設成本進行詳細的分析和比較。
2021年，我國氫能迎來新一輪發(fā)展熱潮。隨著山東、浙江、福建等省關于氫能產(chǎn)業(yè)園、加氫站建設規(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，瞄準碳達峰、碳中和的攻堅戰(zhàn)已然打響。
加氫站的建設熱潮對于氫能行業(yè)的發(fā)展是有力的推動。業(yè)內(nèi)普遍認為加氫站建設滯后，導致氫能發(fā)展緩慢，大型央企、國企的參與能夠促進加氫站的建設標準、流程進一步完善，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)加氫站建設將提速，到2030年預計建成數(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，當加氫站數(shù)量達到一定程度時，需要以“分布式制氫中心+管道供給”的氫能保供網(wǎng)絡作為基礎，同時，保供網(wǎng)絡也需要滿足“大規(guī)模、低成本、高安全”的相關要求。 加氫站從組成上主要包含制氫系統(tǒng)（僅適應于具有內(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，以達到使用標準）、壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、加氫系統(tǒng)、安全監(jiān)控、電氣設備以及其他機械設備（包括管道、配件、閥門等）。
外供氫式高壓氫氣加氫站的建設成本最低
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，三種不同技術路線加氫站的建設總成本進行了對比分析。 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成本為例進行分析。
外供氫高壓氫氣加氫站建設成本
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，其氫氣運輸方式為集裝管束拖車運輸，加氫站同時具備35MPa和70MPa兩種加氫壓力。 當加氫壓力達到70MPa時，需要添加冷卻系統(tǒng)，在加氫過程中對氫氣進行預冷，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備相關的費用約為160萬美元，考慮投入使用前所需的調(diào)試費用、工程設計費用、管理費用、建筑施工費用等其他費用，總成本將超過200萬美元。
如果生產(chǎn)規(guī)模增加到100套/年，加氫站建設成本較2015年可降低40%左右。 未來，隨著設備生產(chǎn)規(guī)模的擴大，規(guī)模經(jīng)濟影響顯著，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行建設成本分析。 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)氫的形式進行運輸。 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行，占地面積更大，因此液態(tài)加氫站的建設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備相關的費用約為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)試費用、工程設計費用、管理費用、建筑施工費用等其他費用，總成本約為280萬美元。
站內(nèi)電解水制氫加氫站建設成本分析
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成本進行分析。 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至加氫站的運輸費用。 受益于模塊化的設計，電解水制氫系統(tǒng)包含的所有設備都可以放置于20-40英尺的國際標準集裝箱中，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、氫氣運輸成本等，僅針對加氫站建設投資成本進行分析比較。 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成本超過320萬美元，遠遠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成本最低，且隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，成本將有大幅降低的可能，進一步考慮氫氣生產(chǎn)和運輸費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)，進行建設成本的分析。 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備成本（Balanceofsystem，BOS）兩部分進行分析，主要包括與設備生產(chǎn)有關的設備/建筑成本、材料成本、廢料成本、工人工資費用、生產(chǎn)耗能、設備及廠房維護費用以及資本成本。 另外，考慮系統(tǒng)建設產(chǎn)生的裝配費，從而得到加氫站中相應系統(tǒng)生產(chǎn)建設所需的成本。
壓縮系統(tǒng)成本隨生產(chǎn)規(guī)模擴大而大幅降低
假設加氫站壓縮系統(tǒng)中采用活塞式壓縮機，其直接成本包括與壓縮機殼體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工制造相關的系統(tǒng)核心部件成本，以及與電機、控制單元、管路系統(tǒng)等相關的輔助設備成本。
根據(jù)AhmadMayyas等人的研究，通過對比壓縮系統(tǒng)建設成本與生產(chǎn)規(guī)模的關系我們發(fā)現(xiàn)： ?。?）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)的資本成本及設備/建筑成本明顯降低； ?。?）輔助設備成本隨生產(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準化、集成化的生產(chǎn)制造模式。 屆時，輔助設備成本將大幅降低，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備成本兩部分。假設加氫站采用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，通過進一步分析我們發(fā)現(xiàn)： ?。?）材料費用是儲氫系統(tǒng)成本的主要部分，其次為人工費用； ?。?）由于材料費用為主要成本構(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； ?。?）當生產(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)建設相關的成本將可降低8.5%.
加氫系統(tǒng)成本隨生產(chǎn)規(guī)模擴大而降低
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； ?。?）同時配有35MPa和70MPa兩種加注口的加氫機。 加氫系統(tǒng)相關部件可直接購買并進行組裝，成本可分為設備成本及人工費用。 在已有加氣站加氣系統(tǒng)的建設經(jīng)驗基礎上，加氫系統(tǒng)中的相關部件現(xiàn)已形成了較為標準化的生產(chǎn)制造，包括加氫機外殼、相關閥門組件、流量計、壓力計、加氫槍、控制及顯示面板、相關按鍵等。 根據(jù)AhmadMayyas等人的研究： ?。?）設備成本中最主要的為閥門和計量儀表等，占設備成本的60%左右，用于監(jiān)測壓力以及氫泄露相關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)品的供應商更少； ?。?）H35單一加注口加氫系統(tǒng)設備成本約為35048美元，H35/H70雙加注口加氫系統(tǒng)的設備成本約為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)的建設成本與美國、日本、德國等其他國家的建設成本進行了比較，以分析中國在加氫站建設成本方面的國際競爭力。
各國壓縮機系統(tǒng)建設成本比較
1 我國壓縮系統(tǒng)建設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 考慮壓縮機制造企業(yè)加權平均資本成本要求后，我國壓縮機建設成本的優(yōu)勢降低，但依然低于其他發(fā)達國家； 3 我國加氫站壓縮系統(tǒng)建設成本較低的優(yōu)勢在于較低的人工費用及設備/建筑成本。
各國儲氫系統(tǒng)建設成本比較
1 若只考慮系統(tǒng)的直接成本，我國加氫站儲氫系統(tǒng)建設成本依然低于其他國家； 2 若綜合考慮企業(yè)的加權平均資本成本要求，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)建設成本優(yōu)勢來源依然是我國較低的人工費用。
各國加氫系統(tǒng)建設成本比較
同樣的，對于加氫站加氫系統(tǒng)建設成本來說，我國的建設成本設備成本及人工費用低于其他國家，而較高的公司加權平均資本成本要求使得我國加氫站建設的總成本優(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鍵系統(tǒng)建設成本上較其他國家具有一定優(yōu)勢。 但是成本降低的關鍵還是在于生產(chǎn)規(guī)模的擴大和技術的進一步發(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)鏈及標準化部件迫在眉睫。
