时间：2022-10-01 15:31:57
氢能作为一种来源多样、清洁低碳、灵活高效且安全性高的二次能源，具有热值高、零污染、可储存、可再生等多种优势［1］。氢能的广泛应用是推动能源结构清洁高效化转型的重要途径之一，是高碳行业实现脱碳的有效方式［2-3］。在全球各国均减少碳排放量、保障能源安全的大环境下，欧洲、美国、日本、韩国、中国等国家和地区高度重视氢能产业的发展，并将其作为新能源技术创新的重要方向展开相关的研究和应用［4］。氢能在交通领域的应用已成为全球新能源发展的重点，全球加氢站和氢燃料电池汽车数量持续增长。同时，氢能还可以广泛用于发电、商业建筑、工业等领域，如利用燃气轮机技术、燃料电池技术应用于分布式发电，为家庭住宅、商业建筑等供暖供电［5］。目前，中国氢能产业正处于培育期和增长期，氢能在交通领域的应用发展已进入商业化和规模化发展阶段［6］，预计未来中国交通用氢在氢能应用中能够占到30%左右。已有学者研究指出氢能作为交通能源有比其他燃料更高的经济性［7］。而加氢站是氢能交通产业链的基础和关键环节，本文基于加氢站不同商业模式，从经济角度对其进行分析研究得到加氢站可行的发展模式，以推动氢能在交通领域的产业链发展。
1加氢站视角的氢交通产业链及成本分析
从产业链角度看，氢能在交通领域的应用由上游氢源供应、中游加氢站运行以及下游氢燃料电池在汽车市场的普及3个主要环节构成［8］（见图1）。分析加氢站商业模式，即以加氢站为核心，分别分析氢源供应、加氢方式、燃料电池汽车需求三个主要环节的成本构成、成本影响因素、工艺技术等主要问题。从加氢站供应链和加氢站类型角度入手，形成“横”“纵”双向分析框架，探讨加氢站的不同运营模式。加氢站根据氢源供应方式的不同，分为外供氢源的独立加氢站和制氢加氢一体站，根据加氢站功能分为纯加氢站和油氢（或油气氢）合建站。通过不同组合，可形成4种类型加氢站，下面将主要围绕这4种加氢站进行运营模式和成本构成分析，并围绕其经济性进行详细比对分析。
1.1氢源供应分析
根据目前中国现阶段制氢能力水平，煤制氢成本最低，其次是工业副产氢（见图2）。天然气制氢和可再生能源制氢受气价和电价影响较大，同时受氢资源限制，在天然气和可再生能源丰富的地区制氢成本较低［9］。从发展趋势上来看，由于煤炭价格下降空间有限，煤化工制氢企业已形成较大规模，未来煤制氢成本下降空间较小；工业副产氢是中短期内有效氢源供应主体，但会受制于主产物的产能，限制氢产能上限；天然气制氢相对电解水制氢具有明显的成本优势。远期来看伴随政策扶持、技术发展、规模化效应，可再生能源电价成本仍有下降空间，因此利用可再生电力获得的绿氢有望成为未来供氢的主力［10］。从氢储运来看，目前中国氢能储运以高压气态方式为主，外供氢气均采用长管拖车进行运输，适用于运输距离较短、输送量较低、氢气日用量为吨级的用户［11-12］。虽然每百千米的氢源供应成本是随着运输距离增大而减少（见图3），但总供应成本是随着运输距离增大而相应增加。加氢站选择外供氢源还是制氢加氢一体化运营需综合考虑氢源获取条件和供应成本。由于不同地区能源结构存在很大差异，应结合区域市场条件和需求情况选择合理的制氢加氢方式。例如：长三角地区工业副产氢资源丰富，因地制宜选择工业副产氢具有明显优势；粤港澳大湾区有便捷条件获取LNG资源，可以依托丰富的天然气资源就近建设天然气制氢加氢站；北方地区可结合周边可再生资源情况，发展绿氢资源［13］。
1.2加氢站运营成本分析
1.2.1以外供氢源加氢站为例
若以纯加氢站模式运营，以某外供氢源加氢站项目建设实际数据为例，该加氢站加注能力为500kg/d，项目建设总投资约1000×104元（不含土地费），其中员工薪酬及福利、设备折旧在加氢站的运营成本构成中占比较大，分别占37%和31%。
1.2.2以站内撬装制氢加氢一体站为例
以某天然气撬装制氢纯加氢站项目建设实际数据为依据，该加氢站加注能力为500kg/d，项目建设总投资约2500×104元（不含土地费用），其中燃料及动力费占年运营成本的62%，是影响加氢站运营成本的最主要因素，天然气价格（原料成本）是直接影响因素。若以合建站模式运营，在同样假设条件下，随着运营负荷上升，加氢站加注成本同样呈下降趋势，。可以看出，对于站内制氢加氢站，独立运营和合建运营的加注成本差别不明显。根据市场情况可选择合适的运营模式，其运营成本大小主要取决于天然气（原料）价格。
1.3氢燃料电池汽车市场需求分析
目前市场上氢燃料电池汽车类型主要有公交客车、物流车、重卡和乘用车四种，根据中国氢能联盟研究院的统计数据，不同车型的百千米氢能耗差别明显。根据车辆的运行情况来看，氢燃料电池公交车单车日行驶里程主要集中于200km以下，以市内公交运营为主。氢燃料电池物流车单车日行驶里程分布则相对分散，相较于氢燃料电池公交车，氢燃料电池物流车在200km以上高行驶里程段的车辆份额明显较高；氢燃料电池物流车在跨城运输方面的作用逐步显现。整体上，氢燃料电池汽车日行驶里程分布集中在200km左右。
2不同加氢站商业模式经济性分析
2.1加氢站加注氢气价格模型
不同商业模式下的加氢站盈利能力取决于制氢成本、储运成本、运营成本、加氢站运行负荷。“产业链组合效益”是选择加氢站商业模式的重要考量因素，应用产业链成本加成法，计算加氢站达到盈亏平衡点的氢气价格P模型如下：ijPXY（1）式中：iX—氢气供应成本，元/kg，为加氢站不同氢源制氢成本及其运输成本，包括煤制氢、天然气制氢、工业副产提纯制氢及电解水制氢等；jY—加氢站加注成本，为加氢站不同运营类型及效率下的运营成本，元/kg，包括外供氢源纯加氢站、外供氢源合建站、站内制氢纯加氢站、站内制氢合建站等。分别以氢源供应类型、加氢站类型和运营效率为变量计算分析加氢站盈亏平衡点的氢气价格。其中，氢源供应的氢气成本选取上文分析的各制氢成本的中间值，即天然气制氢成本为16元/kg，工业副产氢成本为13元/kg。运输成本以运距为200km的成本为基准，氢气运输成本为7.3元/kg。加氢站规模均以加氢500kg/d为准。
2.2外供氢源纯加氢站运营模式
因外供氢源的不同，加氢站氢气价格主要取决于氢源成本。以天然气制氢和工业副产氢为例，按若加氢站运行负荷保持在75%左右，由于工业副产氢气成本相对较低，加氢站实现盈亏平衡的氢气价格为36.76元/kg，以天然气制氢为氢源的加氢站对应氢气价格为39.76元/kg（详见表4）。同样，若要达到和工业副产氢源相同的氢气加注价格，后者加氢站运营负荷要保持在约90%，这对下游市场需求提出更高要求。因此，对纯加氢站运营模式，重点是采取优质的氢源供应，以保证在一定市场需求下加氢站的经济效益。以行业目前氢气平均销售价格40元/kg测算，当加氢站运行负荷保持在约75%，加氢站才可以实现盈利。
2.3外供氢源合建站运营模式
以天然气制氢为氢源的合建站为例，当加氢站运营效率保持在75%，实现盈亏平衡的氢气价格为37.47元/kg（见表5），对比之下，纯加氢站则要达到39.76元/kg，合建站运营成本低于纯加氢站。因此同等条件下合建站的氢气价格要明显低于纯加氢站的价格。若考虑两种类型加氢站的外供氢源成本区别，工业副产氢为氢源的合建站在氢气加注价格和盈利能力上则更有优势。
2.4站内制氢加氢站运营模式
站内制氢增加了制氢投资，减少了氢气运输成本，整体来看氢气加注价格有一定优势［14］。以站内撬装式天然气制氢纯加氢站为例，在加氢站加注能力相同的情况下，当加氢站运营负荷为100%时，撬装制氢加氢站实现盈亏平衡的氢气价格为33.89元/kg，而外供氢源加氢站氢气价格为35.64元/kg，因此撬装制氢加氢站盈利能力较优。当加氢站运营负荷低于100%，外供氢源加氢站氢气价格更具竞争力，且运行负荷越低其竞争力会越显著（见表6）。即使采取合建站方式，撬装制氢加氢站的加注成本变化不明显，对的氢气价格影响不大。因此，现阶段满负荷运营是撬装制氢加氢站的理想状态。随着撬装制氢设备成本下降、天然气原料成本优化，该类加氢站具有明显的差异化发展优势。
3不同商业模式加氢站的优势
整个加氢站运营过程中，氢源供应成本占加氢站氢气价格的60%以上，是氢气价格构成的最主要部分，氢源的供应能力和经济性影响加氢站商业模式的选择［15］。站内撬装制氢加氢站目前已进入市场推广阶段，其特点和优势还有待市场发现，外供氢源加氢站是目前主要的模式，且由纯加氢站逐步向油氢或油气氢共建站转变，既有利于土地资源集约化利用，也有利于降低合建站的运营成本。中国目前加氢站以纯加氢站居多，该运营模式并不利于提高加氢站盈利水平，油气氢合建站可利用现有的基础设施资源。在同等条件下，该运营模式能获得更大经济效益，氢气价格也更具竞争力；同时，撬装制氢加氢站具有独特的优势，随着氢燃料电池汽车消费市场规模扩大，有助于满足不同类型市场的需求。
4结论及建议
交通用氢是中国氢能产业中长期发展的重点，也是远期氢能产业发展的突破口。加氢站供应链发展涉及氢气制、储、运等多个环节，同时推动着燃料电池技术的发展。综上所述，可以得出以下结论。“产业链组合效益”是加氢站商业模式选择的重要考量。氢源供应方式、加氢站功能类型的不同选择，形成不同的加氢站运营模式。研究特定市场环境下氢能产业链组合效益最大，即是最优的氢能商业模式。根据4种加氢站模式的经济性分析结果，外供氢源的合建站是加氢站优选的运营模式。在获得低成本优势的同时，最大化利用已有的基础设施资源，从而实现最大的收益。站内撬装式天然制氢加氢站具有独特的优势，在氢源供应受限的市场，其一体化模式有利于提高加氢站的整体经济效益。根据以上结论，提出两点建议：一是交通用氢市场处于政策支持下的快速发展阶段，加氢站的布局和发展影响产业发展速度和规模，区域市场需做好加氢站的整体发展规划，可通过适当补贴政策进行提前布局，同时适应长期市场需求保证加氢站盈利。二是氢能产业链长，且环节复杂，加氢站商业模式选择要求参与企业具备较强的资源整合能力，一方面着眼产业链整体，向产业上下游延伸形成一体化的发展优势优化加氢站成本，另一方面加强横向整合，开发油氢或油气氢等合建站。
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作者: 付亚轩 张丹 隋朝霞 单位:中海石油气电集团技术研发中心