要发展燃料电池汽车产业,加氢站等配套基础设施的建设是先决条件。当前我国加氢站的规划选址应从全局出发,考虑潜在市场、产业链协同、上游资源3方面的要素。
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为应对传统化石能源枯竭和全球变暖等环境问题的挑战,脱碳加氢是能源技术未来发展的必然趋势。氢能被普遍认为将与电能互补,在未来社会能源体系的转型中扮演重要的角色。
燃料电池汽车以氢气为燃料,通过燃料电池发电提供驱动力,并借助加氢站为其提供氢气加注服务。
因此,要发展燃料电池汽车产业,加氢站等配套基础设施的建设是先决条件。结合国内现阶段的实际应用需求、资源条件等情况,当前我国加氢站的规划选址应从全局出发,至少考虑潜在市场、产业链协同、上游资源3方面的要素。
加氢站作为与加油站功能性相仿的燃料补给站点,同样具备区域排他性的特征。
单个加油站的投资仅在百万元量级,而单个加氢站的投资达到1500万~2000万元,固定站建成后又有不可逆性,这就更加要求加氢站即使在发展初期,规划选址亦不宜盲目,而应首先考虑未来潜在的市场需求,以构建合理化分布的加氢站网络为目标选取布点位置,为未来市场做好准备。
如能够通过合建站的模式有效利用好这些能源巨头的土地、氢气资源、渠道等优势,将为加氢站基础设施建设的铺开节省大量初期成本。
近年来,燃料电池车的推广速度并不尽如人意。
2017年,日本全境近100个加氢站的全年合计加氢量仅为150t,按单站加注能力200kg/d估算,平均的实际运营负荷不到3%。
考虑到加氢站的初始投资成本很高,日常运营维护也需要不菲的费用,这种超低负荷状态使多数加氢站长期亏损,十分不利于产业的发展。
对于提高燃料电池车的普及度,中国给出的答案是商用车先行。
背靠国内广大的商用车市场,中国发展燃料电池车的思路是先从商用车开始示范运行,在此过程中逐步完善加氢站建设,最终向乘用车领域扩散。
一般而言,商用车以车队为单位,氢气需求量大,且行驶路线相对固定,在产业发展导入期仅需配套少量加氢站,即可实现闭环。
对提升加氢站的运营负荷率使其达到或接近自负盈亏水平,从而促进行业健康发展的意义不言而喻。
但即便对于商用车,目前燃料电池车的推广依然存在不小的困难。
除了其系统的稳定性、可靠性还面临一定的挑战之外,购置成本高企(一辆上汽大通FCV80燃料电池车的售价为130万元,一辆12m长燃料电池公交车的售价为150万~200万元)也是重要的障碍。
对于物流车、通勤班车等商用车队来说,选择燃料电池车事实上不具备经济性,运营方的长期投入意愿存在很大疑问。
在此条件下,地方政府对产业的发展和扶持至关重要。
因此,在现阶段行业发展初期,加氢站的规划选点应与商用车队的示范应用相结合,产业链协同以求车站联动。
从燃料电池用户的角度出发,目前对氢气价格的期望水平是至少与燃油车可比,甚至略低于燃油车。
以柴油为例作简单的估算。柴油均价为6.5元/L,其体积能量密度约为36.7MJ/L(参考GB/T2589-2008《综合能耗计算通则》,下同),考虑柴油机的能量转换效率(约30%),1L柴油实际转换能量为11.01MJ。
而如果利用燃料电池将氢气转换出相同的能量,考虑到燃料电池的转换效率稍高(50%),氢气的质量能量密度为143MJ/kg,则所需要的氢气量约为11.01/50%/143=0.15kg。
即要使终端用户的燃料使用成本相当,氢气售价应控制在6.5/0.15=43元/kg左右。
再从氢气的成本出发进行分析。目前氢气加注到车的成本主要分为三部分:
制备/提纯成本;运输成本;站内成本
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来源:第一元素
不同制备方式的制备/提纯成本。在未考虑加氢站本身利润的情况下,制备/提纯成本需控制在18.3元/kg以内。
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来源:第一元素
基于我国的工业副产氢气资源丰富,仅氯碱行业即可提供每年超过100万t优质氢气,上述制备/提纯成本也在可接受的范畴,氢能产业发展初期阶段以优先消纳上述资源为佳。
运输成本指从氢源点通过管束车运送到加氢站产生的成本,通常包括管束车折旧与检测成本(约20万元/a),可变成本(约10元/km),可变成本又包含油耗、过路费、保养费、人工工资等,随运输距离增加而直线增加。
按单管束车单次有效运载氢气300kg,往返里程(150×2)km估算,运输可变成本部分约为10元/kg。
以一个典型的500kg/d加注能力、投资总额约为1500万元的站为例,站内成本主要包括:人工成本(2人次,约30万元/a),公用工程成本(电耗等,约15万元/a),运营维护成本(约50万元/a)及固定资产折旧(约100万元/a)等。
在投资规模一定的情况下,降低站内成本的途径主要在于提高运营负荷率。假设其运营负荷达到80%,那么站内成本大约为13.4元/kg。
综上所述,加氢站氢气降本以满足终端客户对价格水平期望的关键,除了提高运营负荷外,核心控制环节一是获取低成本的稳定氢源以降低制备/提纯成本,二是尽可能缩短运输距离以降低运输可变成本。
这就要求加氢站的规划选址充分考虑地区的资源禀赋条件,从获取低成本氢源的便利性和稳定性出发,优先布置在多处低成本氢源点可有效覆盖的区域(100km内最优)。
因此,氯碱、丙烷脱氢等产能集中的华东区(江苏、浙江、上海、安徽、山东等)及焦炭/焦油等产能集中的华北区(河北、山西、北京等)可能是首选的考虑方向。