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      付亞軒,等.中國加氫站商業模式及經濟性比較

      專題網友投稿2022-11-12A+A-

      付亞軒,等.中國加氫站商業模式及經濟性比較

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      作者簡介

      付亞軒(1994-),女,碩士,分析師?,F在中海石油氣電集團技術研發中心,主要從事天然氣及LNG產業分析及市場研究工作。E-mail: .cn 。

      中國加氫站商業模式及經濟性比較

      付亞軒,張丹,隋朝霞

      中海石油氣電集團技術研發中心

      摘要

      氫能應用場景豐富,被廣泛認為是交通、工業等終端用能領域實現零碳化的重要方式之一。目前中國氫能產業正快速發展,氫能在交通運輸領域已進入商業化和規?;l展階段,加氫站是交通領域氫能產業鏈的關鍵環節,選擇合適的商業模式將推動燃料電池車輛推廣、基礎設施建設和氫儲運成本的降低,對加快氫能在其他領域的應用和產業化發展具有重要意義。以加氫站為研究對象,針對加氫站供應類型和加氫站功能類型組合分析加氫站的不同商業模式,并對不同模式的加氫站經濟性進行比較分析。研究認為:目前階段采用外供氫源方式的合建站是加氫站優選的運營模式,在氫源受限市場站內橇裝制氫加氫一體化模式具有明顯優勢,加氫站布局、下游市場對氫能的需求是影響加氫站商業模式選擇的關鍵因素。

      關鍵詞

      氫能產業鏈;加氫站;商業模式;經濟性

      0   引言

      氫能作為一種來源多樣、清潔低碳、靈活高效且安全性高的二次能源,具有熱值高、零污染、可儲存、可再生等多種優勢 [1] 。氫能的廣泛應用是推動能源結構清潔高效化轉型的重要途徑之一,是高碳行業實現脫碳的有效方式 [2-3] 。在全球各國均減少碳排放量、保障能源安全的大環境下,歐洲、美國、日本、韓國、中國等國家和地區高度重視氫能產業的發展,并將其作為新能源技術創新的重要方向展開相關的研究和應用 [4] 。氫能在交通領域的應用已成為全球新能源發展的重點,全球加氫站和氫燃料電池汽車數量持續增長。同時,氫能還可以廣泛用于發電、商業建筑、工業等領域,如利用燃氣輪機技術、燃料電池技術應用于分布式發電,為家庭住宅、商業建筑等供暖供電 [5] 。
      目前,中國氫能產業正處于培育期和增長期,氫能在交通領域的應用發展已進入商業化和規?;l展階段 [6] ,預計未來中國交通用氫在氫能應用中能夠占到約30%。已有學者研究指出氫能作為交通能源有比其他燃料更高的經濟性 [7] 。而加氫站是氫能交通產業鏈的基礎和關鍵環節,本文基于加氫站不同商業模式,從經濟角度對其進行分析研究得到加氫站可行的發展模式,以推動氫能在交通領域的產業鏈發展。

      1    加氫站視角的氫交通產業鏈及成本分析

      從產業鏈角度看,氫能在交通領域的應用由上游氫源供應、中游加氫站運行以及下游氫燃料電池在汽車市場的普及3個主要環節構成 [8] (見圖1)。

      圖1 加氫站商業模式分析框架
      分析加氫站商業模式,即以加氫站為核心,分別分析氫源供應、加氫方式、燃料電池汽車需求等3個主要環節的成本構成、成本影響因素、工藝技術等主要問題。從加氫站供應鏈和加氫站類型角度入手,形成“橫”“縱”雙向分析框架,探討加氫站的不同運營模式。加氫站根據氫源供應方式的不同,分為外供氫源的獨立加氫站和制氫加氫一體站,根據加氫站功能分為純加氫站和油氫(或油氣氫)合建站。通過不同組合,可形成4種類型加氫站,下面將主要圍繞這4種加氫站進行運營模式和成本構成分析,并圍繞其經濟性進行詳細比對分析。
      1.1 氫源供應分析
      根據目前中國現階段制氫能力水平,煤制氫成本最低,其次是工業副產氫(見圖2)。天然氣制氫和可再生能源制氫受氣價和電價影響較大,同時受氫資源限制,在天然氣和可再生能源豐富的地區制氫成本較低 [9] 。從發展趨勢上來看,由于煤炭價格下降空間有限,煤化工制氫企業已形成較大規模,未來煤制氫成本下降空間較??;工業副產氫是中短期內有效氫源供應主體,但會受制于主產物的產能,限制氫產能上限;天然氣制氫相對電解水制氫具有明顯的成本優勢。遠期來看伴隨政策扶持、技術發展和規?;?,可再生能源電價成本仍有下降空間,因此利用可再生電力獲得的綠氫有望成為未來供氫的主力 [10] 。

      圖2 不同制氫類型下的氫氣成本
      (數據來源:中國氫能聯盟)
      從氫儲運來看,目前中國氫能儲運以高壓氣態方式為主,外供氫氣均采用長管拖車進行運輸,適用于運輸距離較短、輸送量較低、氫氣日用量為噸級的用戶 11-12 。雖然每百千米的氫源供應成本是隨著運輸距離增大而減少(見圖 3 ),但總供應成本是隨著運輸距離增大而相應增加。

      圖3 不同運距下的氫氣運輸成本
      (數據來源:中國電動汽車百人會)
      加氫站選擇外供氫源還是制氫加氫一體化運營需綜合考慮氫源獲取條件和供應成本。由于不同地區能源結構存在很大差異,應結合區域市場條件和需求情況選擇合理的制氫加氫方式。例如:長三角地區工業副產氫資源豐富,因地制宜選擇工業副產氫具有明顯優勢;粵港澳大灣區有便捷條件獲取LNG(液化天然氣)資源,可以依托豐富的天然氣資源就近建設天然氣制氫加氫站;北方地區可結合周邊可再生資源情況,發展綠氫資源 [13] 。
      1.2 加氫站運營成本分析
      1.2.1 以外供氫源加氫站為例
      若以純加氫站模式運營,以某外供氫源加氫站項目建設實際數據為例,該加氫站加注能力為500 kg/d,項目建設總投資約1 000×10 4 元(不含土地費),其中員工薪酬及福利、設備折舊在加氫站的運營成本構成中占比較大,分別占37%和31%(見表1)。
      表1 某外供氫源純加氫站運營成本構成

      若以合建站模式運營,如油氫合建站,可節約三分之二的員工薪酬及福利和管理費。不考慮加氫站建設補貼,假設加氫站全年運營350 d,當運營負荷為55%、75%、90%、100%時,加氫站加注成本呈下降趨勢(見圖4)。純加氫站和合建站的加注成本差額大約2元/kg,合建站更有利于降低氫氣的加注成本,獲得更大的經濟效益。

      圖4 外供氫源加氫站加注成本
      1.2.2 以站內橇裝制氫加氫一體站為例
      以某天然氣橇裝制氫純加氫站項目建設實際數據為依據,該加氫站加注能力為500 kg/d,項目建設總投資約2 500×10 4 元(不含土地費用),其中燃料及動力費占年運營成本的62%,是影響加氫站運營成本的最主要因素,天然氣價格(原料成本)是直接影響因素,詳見表2。
      表2 站內橇裝制氫純加氫站運營成本構成

      若以合建站模式運營,在同樣假設條件下,隨著運營負荷上升,加氫站加注成本同樣呈下降趨勢,(見圖5)??梢钥闯?,對于站內制氫加氫站,獨立運營和合建運營的加注成本差別不明顯。根據市場情況可選擇合適的運營模式,其運營成本大小主要取決于天然氣(原料)價格。

      圖5 站內制氫加氫站的加注成本
      1.3 氫燃料電池汽車市場需求分析
      目前市場上氫燃料電池汽車類型主要有公交客車、物流車、重卡和乘用車4種,根據中國氫能聯盟研究院的統計數據,不同車型的百千米氫能耗差別明顯(見圖6)。根據車輛的運行情況來看,氫燃料電池公交車單車日行駛里程主要集中于200 km以下,以市內公交運營為主。氫燃料電池物流車單車日行駛里程分布則相對分散,相較于氫燃料電池公交車,氫燃料電池物流車在200 km以上高行駛里程段的車輛份額明顯較高;氫燃料電池物流車在跨城運輸方面的作用逐步顯現。整體上,氫燃料電池汽車日行駛里程分布集中在約200 km。

      圖6 不同車型氫燃料電池汽車百千米氫能耗
      (數據來源:中國氫能聯盟研究院)
      按照加氫站500 kg/d的加注能力,當加氫站達到不同運營負荷時,對應所提供的各類車型氫氣量(按日行駛里程200 km計算),詳見表3。通常情況下,加氫站為不同類型氫燃料電池汽車提供加注,若僅考慮公交客車,根據每輛氫燃料電池公交車日運營里程數為210 km,日氫能耗量為11 kg,加氫站負荷100%、90%、75%、55%時分別對應公交客車加注量為45輛、41輛、34輛、25輛。
      表3 不同運營效率下的可加氫能源汽車數量 

      從區域市場來看,假設某區域市場推廣燃料電池汽車100輛,其中公交客車80輛,物流車20輛,按單車日行駛里程200 km計算,則每天氫氣需求量為 1 320 kg,若每座加氫站日加氫能力500 kg且保持75%以上的運行效率,則該區域至少需要建設加氫站4座。

        不同加氫站商業模式經濟性分析

      2.1 加氫站加注氫氣價格模型
      不同商業模式下的加氫站盈利能力取決于制氫成本、儲運成本、運營成本、加氫站運行負荷?!爱a業鏈組合效益”是選擇加氫站商業模式的重要考量因素,應用產業鏈成本加成法,計算加氫站達到盈虧平衡點的氫氣價格 模型如下:  
                                                       P = X i + Y j  (1)
      式中: X i —氫氣供應成本,元/kg,為加氫站不同氫源制氫成本及其運輸成本,包括煤制氫、天然氣制氫、工業副產提純制氫及電解水制氫等; Y j   —加氫站加注成本,為加氫站不同運營類型及效率下的運營成本,元/kg,包括外供氫源純加氫站、外供氫源合建站、站內制氫純加氫站、站內制氫合建站等。
      分別以氫源供應類型、加氫站類型和運營效率為變量計算分析加氫站盈虧平衡點的氫氣價格。其中,氫源供應的氫氣成本選取上文分析的各制氫成本的中間值,即天然氣制氫成本為16元/kg,工業副產氫成本為13元/kg。運輸成本以運距為200 km的成本為基準,氫氣運輸成本為7.3元/kg。加氫站規模均以加氫500 kg/d為準。
      2.2 外供氫源純加氫站運營模式
      因外供氫源的不同,加氫站氫氣價格主要取決于氫源成本。以天然氣制氫和工業副產氫為例,按若加氫站運行負荷保持在約75%,由于工業副產氫氣成本相對較低,加氫站實現盈虧平衡的氫氣價格為36.76元/kg,以天然氣制氫為氫源的加氫站對應氫氣價格為39.76元/kg(詳見表4)。
      表4 純加氫站運營模式

      同樣,若要達到和工業副產氫源相同的氫氣加注價格,后者加氫站運營負荷要保持在約90%,這對下游市場需求提出更高要求。因此,對純加氫站運營模式,重點是采取優質的氫源供應,以保證在一定市場需求下加氫站的經濟效益。以行業目前氫氣平均銷售價格40元/kg測算,當加氫站運行負荷保持在約75%,加氫站才可以實現盈利。
      2.3 外供氫源合建站運營模式
      以天然氣制氫為氫源的合建站為例,當加氫站運營效率保持在75%,實現盈虧平衡的氫氣價格為37.47元/kg(見表5),對比之下,純加氫站則要達到39.76元/kg,合建站運營成本低于純加氫站。因此同等條件下合建站的氫氣價格要明顯低于純加氫站的價格。若考慮兩種類型加氫站的外供氫源成本區別,工業副產氫為氫源的合建站在氫氣加注價格和盈利能力上則更有優勢。
      表5 合建站運營模式

      2.4 站內制氫加氫站運營模式
      站內制氫增加了制氫投資,減少了氫氣運輸成本,整體來看氫氣加注價格有一定優勢 [14] 。以站內橇裝式天然氣制氫純加氫站為例,在加氫站加注能力相同的情況下,當加氫站運營負荷為100%時,橇 裝制氫加氫站實現盈虧平衡的氫氣價格為33.89元/kg, 而外供氫源加氫站氫氣價格為35.64元/kg,因此橇裝制氫加氫站盈利能力較優。當加氫站運營負荷低于100%,外供氫源加氫站氫氣價格更具競爭力,且運行負荷越低其競爭力會越顯著(見表6)。
      即使采取合建站方式,橇裝制氫加氫站的加注成本變化不明顯,對氫氣價格影響不大。因此,現階段滿負荷運營是橇裝制氫加氫站的理想狀態。隨著橇裝制氫設備成本下降、天然氣原料成本優化,該類加氫站具有明顯的差異化發展優勢。
      表6 站內制氫與外供氫源純加氫站運營模式對比

      3   不同商業模式加氫站的優勢

      整個加氫站運營過程中,氫源供應成本占加氫站氫氣價格的60%以上,是氫氣價格構成的最主要部分,氫源的供應能力和經濟性影響加氫站商業模式的選擇 [15] 。站內橇裝制氫加氫站目前已進入市場推廣階段,其特點和優勢還有待市場發現,外供氫源加氫站是目前主要的模式,且由純加氫站逐步向油氫或油氣氫共建站轉變,既有利于土地資源集約化利用,也有利于降低合建站的運營成本。
      中國目前加氫站以純加氫站居多,該運營模式并不利于提高加氫站盈利水平,油氣氫合建站可利用現有的基礎設施資源。在同等條件下,該運營模式能獲得更大經濟效益,氫氣價格也更具競爭力;同時,橇裝制氫加氫站具有獨特的優勢,隨著氫燃料電池汽車消費市場規模擴大,有助于滿足不同類型市場的需求(見圖 7 )。

      圖7 加氫站類型的轉變及發展模式

      4   結論及建議

      交通用氫是中國氫能產業中長期發展的重點,也是遠期氫能產業發展的突破口。加氫站供應鏈發展涉及氫氣制、儲、運等多個環節,同時推動著燃料電池技術的發展。綜上所述,可以得出以下結論。
      “產業鏈組合效益”是加氫站商業模式選擇的重要考量。氫源供應方式、加氫站功能類型的不同選擇,形成不同的加氫站運營模式。研究特定市場環境下氫能產業鏈組合效益最大,即是最優的氫能商業模式。
      根據4種加氫站模式的經濟性分析結果,外供氫源的合建站是加氫站優選的運營模式。在獲得低成本優勢的同時,最大化利用已有的基礎設施資源,從而實現最大的收益。
      站內橇裝式天然制氫加氫站具有獨特的優勢,在氫源供應受限的市場,其一體化模式有利于提高加氫站的整體經濟效益。
      根據以上結論,提出兩點建議:
      一是交通用氫市場處于政策支持下的快速發展階段,加氫站的布局和發展影響產業發展速度和規模,區域市場需做好加氫站的整體發展規劃,可通過適當補貼政策進行提前布局,同時適應長期市場需求保證加氫站盈利。
      二是氫能產業鏈長,且環節復雜,加氫站商業模式選擇要求參與企業具備較強的資源整合能力,一方面著眼產業鏈整體,向產業上下游延伸形成一體化的發展優勢優化加氫站成本,另一方面加強橫向整合,開發油氫或油氣氫等合建站。

      參考文獻上下滑動閱覽

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      排版|陳   瀟
      校對|倪杰清
      審核|張   曦

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