可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22016

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (4): 473-483.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22016

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可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究

兰宇¹, 龙妍¹^,², 张哲豪¹, 阮金港¹

^1.华中科技大学能源与动力工程学院, 湖北省武汉市 430074
^2.华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院, 湖北省武汉市 430074

收稿日期:2022-08-25 出版日期:2023-08-31 发布日期:2023-08-29
通讯作者: 龙妍
作者简介:兰宇(1996)，男，硕士研究生，研究方向为新能源、能源经济与管理、能源与节能技术等，M202071095@hust.edu.cn；
龙妍(1975)，女，博士，副教授，研究方向为物质流、能量流与信息流的协同研究，能源经济与管理，区域能效分析等，ly_hust@hust.edu.cn；
张哲豪(1997)，男，硕士研究生，研究方向为新能源、能源经济与管理、能源与节能技术等；
阮金港(1995)，男，硕士研究生，研究方向为新能源、能源经济与管理、能源与节能技术等。
基金资助:
国家重点研发计划项目(2021YFF0601004)

Technical and Economic Feasibility of Inter-Provincial Supply of Renewable Energy Hydrogen Production

Yu LAN¹, Yan LONG¹^,², Zhehao ZHANG¹, Jingang RUAN¹

^1.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China
^2.China-EU Institute for Clean and Renewable Energy, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China

Received:2022-08-25 Published:2023-08-31 Online:2023-08-29
Contact: Yan LONG
Supported by:
National Key R&D Program of China(2021YFF0601004)

摘要/Abstract

摘要：

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，也可为构建能源运输新通道提供新思路。

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 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 inter-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 yuan/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 provide 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 feasibility

中图分类号:

TK 91

兰宇, 龙妍, 张哲豪, 阮金港. 可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 473-483.

Yu LAN, Yan LONG, Zhehao ZHANG, Jingang RUAN. Technical and Economic Feasibility of Inter-Provincial Supply of Renewable Energy Hydrogen Production[J]. Power Generation Technology, 2023, 44(4): 473-483.

图/表 19

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技术特征	高压气态氢运输	低温液态氢运输	管道运输(专属)	管道运输(天然气掺氢)	固态储氢运输
运输设备	长管拖车	液氢罐车	氢气管道	天然气管道	金属氢化物等
运输条件	高压常温	常压低温	高压常温	高压常温	常温常压
优点	①运输方便；②技术成熟；③压缩氢气能耗低；④充放速度快	①单车运输量大；②储运氢效率高；③广泛应用于航空航天领域	①连续运输，运输量大；②运输过程能耗低	①可利用现有西气东输管道，减少前期投资成本；②连续运输，运输量大	①体积储氢密度大；②中间体储运安全方便
缺点	①单车运输量少；②车身笨重，储运氢效率低；③气态运输安全较差	①液化氢气能耗高；②液态氢运输需保证低温，解决气化问题；③缺乏民用标准	①前期投资高，审批困难；②需保证上游氢源充足	①国内技术尚不成熟，相关操作参数(如掺氢比等)不确定；②氢气掺入使管道安全性下降	①质量储氢密度低；②固态储氢装置的充装和释放速率较慢
技术进展	35 MPa Ⅲ型瓶已实现国产化，沈阳斯林达等企业已掌握70 MPa Ⅲ型瓶核心技术	①欧、美、日等液氢技术发展已相对成熟；②中国数十年航天军事领域液氢发展已具备经验与能力	①全球范围内氢气输送管道总里程已超过4 600 km；②我国已建成氢气管道400 km(金陵—扬子，巴陵—长岭，济源—洛阳)	①国外已有VG2、NaturalHy等掺氢天然气输送项目；②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	实验室研究阶段

技术特征	高压气态氢运输	低温液态氢运输	管道运输(专属)	管道运输(天然气掺氢)	固态储氢运输
运输设备	长管拖车	液氢罐车	氢气管道	天然气管道	金属氢化物等
运输条件	高压常温	常压低温	高压常温	高压常温	常温常压
优点	①运输方便；②技术成熟；③压缩氢气能耗低；④充放速度快	①单车运输量大；②储运氢效率高；③广泛应用于航空航天领域	①连续运输，运输量大；②运输过程能耗低	①可利用现有西气东输管道，减少前期投资成本；②连续运输，运输量大	①体积储氢密度大；②中间体储运安全方便
缺点	①单车运输量少；②车身笨重，储运氢效率低；③气态运输安全较差	①液化氢气能耗高；②液态氢运输需保证低温，解决气化问题；③缺乏民用标准	①前期投资高，审批困难；②需保证上游氢源充足	①国内技术尚不成熟，相关操作参数(如掺氢比等)不确定；②氢气掺入使管道安全性下降	①质量储氢密度低；②固态储氢装置的充装和释放速率较慢
技术进展	35 MPa Ⅲ型瓶已实现国产化，沈阳斯林达等企业已掌握70 MPa Ⅲ型瓶核心技术	①欧、美、日等液氢技术发展已相对成熟；②中国数十年航天军事领域液氢发展已具备经验与能力	①全球范围内氢气输送管道总里程已超过4 600 km；②我国已建成氢气管道400 km(金陵—扬子，巴陵—长岭，济源—洛阳)	①国外已有VG2、NaturalHy等掺氢天然气输送项目；②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	实验室研究阶段

参数	国内	国际
氢源地	内蒙古乌海	澳大利亚黑斯廷斯
目的地	广东广州	日本神户
距离	2 500 km	8 000 km
氢能物态	液态	液态
运输工具	液氢罐车	液氢运输船
运量	1车	2.6 t(设计容量88 t)

参数	国内	国际
氢源地	内蒙古乌海	澳大利亚黑斯廷斯
目的地	广东广州	日本神户
距离	2 500 km	8 000 km
氢能物态	液态	液态
运输工具	液氢罐车	液氢运输船
运量	1车	2.6 t(设计容量88 t)

成本项	构成
设备	锂电池
	制氢设备
	氢气压缩机
土地与建设	土地
土地与建设	建设
运行与维护	制氢用电
	原料水
	冷却水
	氢氧化钾
	人工
	维护

可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究

Technical and Economic Feasibility of Inter-Provincial Supply of Renewable Energy Hydrogen Production

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成本项	构成
液化站液化	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
液氢罐车运输	液氢罐车
	人工
	车辆保险
	维护费
	燃料费
	过路费

类型	成本项
氢气专属管道	管道建设
	运行与维护
	人工
	泵站
天然气管道掺氢	管道使用费
天然气管道掺氢	分离与提纯

参数	数值
制氢功率/MW	30
年产氢气体积/(万m³)	4 984.63
年产氢气质量/t	4 450.56
制氢年耗电量/(万kW⋅h)	24 000

项目	成本/万元
总计	8 525.46
土地	120
厂房建设	213.9
锂电池	559.8
制氢设备	5 296.17
氢压缩机	1 246.17
大修费用	529.62
换电池费用	559.80

项目	单价	生产1 m³ 氢气消耗量	生产1 m³氢气成本/元
合计			1.499 9
电	0.25元/(kW⋅h)	4.814 8 kW⋅h	1.203 7
原料水	3.5元/t	0.001 17 t	0.004 1
冷却水	0.25元/t	0.001 t	0.000 3
氢氧化钾	10元/kg	0.000 6 kg	0.006 0
折旧	743.60万元/a	—	0.149 2
维修	56.51万元/a	—	0.011 3
大修	108.94万元/a	—	0.021 9
其他运行	65.60万元/a	—	0.013 2
人工	7.5万元/(人⋅a)	—	0.090 3

项目		生产1 kg氢气成本/元
制氢用电		13.52
运行与维护	原料水	0.05
	冷却水	0
	KOH	0.07
	其他运行	0.15
	人工	1.01
	年维修	0.13
	大修	0.25
设备和建造年折旧		1.68
总计		16.85

项目	液化1 kg氢气成本/元
合计	12.99
液化用电	6.5
液化设备	2.51
液氮	3.65
维护	0.34

参数	数值
液氢罐车费用/(元/辆)	4 500 000
折旧年限/a	10
单次运输量/kg	4 000
工作时间/d	360
每天工作时间/h	12
罐车平均时速/(km/h)	50
平均百千米油耗/L	28
柴油价格/(元/L)	6.4
车辆保险/(元/a)	25 000
维修费用/(元/km)	0.3
过路费/(元/km)	0.6
人工费/[元/(人⋅a)]	100 000
员工数量/人	4
氢气冲放时间/h	2

项目	运输1 kg液氢成本/元
合计	2.06
折旧	0.66
人工	0.58
保险	0.04
保养	0.09
燃料	0.52
过路费	0.17

阶段	项目	1 kg氢气成本/元
制氢	制氢用电	13.52
	原料水	0.05
	冷却水	0.003
	KOH	0.07
	其他运行	0.15
	制氢人工	1.01
	年维修	0.13
	大修	0.25
	年折旧	1.68
液化	液化用电	6.5
	液化设备	2.51
	液氮	3.65
	维护	0.34
运输	折旧	0.66
	运输人工	0.58
	保险	0.04
	保养	0.09
	燃料	0.52
	过路费	0.17
合计		31.9

参数	赣州泰和-佛山线路
距离/km	579
功率/MW	30
制氢电价/[元/(kW⋅h)]	0.25
生产1 kg氢气成本/元	16.85
储运1 kg液氢成本/元	15.05

参数	赣州泰和-佛山线路
距离/km	579
功率/MW	30
制氢电价/[元/(kW⋅h)]	0.25
生产1 kg氢气成本/元	16.85
储运1 kg液氢成本/元	15.05

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