关于国内加氢站规划选址的几点思考

2019-07-24陈天驰

上海化工 2019年7期

陈天驰

上海华谊（集团）公司（上海 200040）

0 前言

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。其中，氢能作为一种低碳高效的二次能源，来源广泛，储运方式灵活，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。燃料电池汽车是氢能应用推广最重要的组成部分之一，其续航里程长，充气时间短，行驶过程完全零排放，是纯电动车以外又一越来越受到关注和重视的新能源汽车发展方向。

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。近年来，多项国家级政策及发展规划大力鼓励和支持氢能的应用推广，尤其注重基础设施的完善。2019年，“推动充电、加氢等设施建设”更是被写入政府工作报告，再次在各地引起氢能的研究和投资热潮。但需要注意的是，并非每个地区都适合发展氢能产业，不考虑区域资源禀赋和发展潜力的跑马圈地，最终很可能导致资源的浪费，亦不利于产业的有序进步。基于此，本文拟以加氢站的实际有效运营为目标，探讨加氢站规划布局与选址应考虑的主要因素，提出合理化建议，为构建有效的加氢站网络，探索成熟的氢能应用商业模式提供支持。

目前全球的氢能产业仍处于导入期，加氢站建设的规模比较小。据H2stations网站统计，截至2018年年底，全球加氢站数量达到369座，其中，日本（102 座）、德国（60 座）、美国（42 座）合计拥有 204座，占比达到55%。这3个国家在燃料电池与氢能应用领域亦处于世界领先地位。我国国内有23座加氢站已投入运营，各地在建或规划中到2020年将建成的站数超过100座。参考日、美等领先国家前期的建设经验和应用实践，同时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。

1 瞄准潜在市场

加油站在其一定的服务半径内具有排他性，因而其规划与设置应以实际需求预测为依据。2003年《国家经济贸易委员会、建设部关于完善加油站行业发展规划的意见》（国经贸贸易[2003]147号）中就明确要求：国道、省道百公里加油站数量原则上不得超过6对，高速公路加油站按照国家相关规定执行，每百公里不得超过两对。而加氢站作为功能性相仿的燃料补给站点，同样具备区域排他性的特征。另外，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1 500万～2 000万元，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。

那么加氢站的未来市场，即燃料电池车的目标客户群，最可能分布在哪些区域呢？2018年美国加利福尼亚州空气资源委员会（CARB）针对首批燃料电池车使用者的调研或可提供一些启示。加州是全世界范围内推广燃料电池车最快最多的地区，截至2018年5月已有约4819辆燃料电池车上路，配套的加氢站有36个正在运营，29个在建[1]。该项调研共访问640位使用者（约占15%），旨在为加州进一步建设加氢站网络、扩大覆盖范围和密度提供优先选址的建议。

调研结果显示，首批燃料电池车的用户具备良好的教育背景，80%以上拥有学士以上学位（如图1[1]所示）；同时家庭收入相对优厚，大约2/3年均收入超过10万美元（如图2所示[1]）。而关于购车时的考虑因素，约有30%的受访者表示“降低环境压力”是首要考量要素（如图3所示[1]）。这表明该群体对环境的关注程度非常高，也认可燃料电池车在减排方面的突出优势。

图1 燃料电池车使用者的教育背景

综合上述客户画像的关键要素，燃料电池车的目标市场应优先瞄准汇集了大量高收入、高学历、高层次人群的中心城市。上述中心城市通常也是人流、物流的集散中心，这客观上也能够为燃料电池车的先期示范和运行探索创造有利条件。

图2 燃料电池车使用者的家庭收入

图3 燃料电池车使用者购车时的最重要考虑因素

图4 加氢站地点对燃料电池车使用者购车选择最重要的影响因素

同时，加氢站的地址选择也会对燃料电池车使用者的购车决定产生影响，如图4[1]所示。超过50%的使用者认为在家附近的加氢站对其购车影响最大，沿着通勤线路次之，此外包括靠近高频目的地和度假地。

分析表明，上述考量要素与加油站/加气站布点极为相似，因而对加氢站而言，优先考虑围绕原加油站/加气站所在地选址，在条件允许的情况下探索合建站的模式，可能是最佳路径。

国内加油站/加气站网络多掌控在中石化、中石油等能源巨头手中，相比充电桩，布局加氢站从而大力推动氢能产业发展更符合他们的战略诉求。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。

2 依托产业链协同

日本在氢能与燃料电池技术上处于绝对领先地位，日本政府甚至将氢能的重要性提升到了国家战略层面。早在2014年，日本经济贸易产业省（METI）就提出要实现“氢能社会”，到2040年建设完善零碳排放的氢燃料供给体系。但其近年来燃料电池车的推广速度并不尽如人意。2017年，其全境近100个加氢站的全年合计加氢量仅为150 t，按单站加注能力200 kg/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。

那么如何提高燃料电池车的普及度呢？中国给出的答案是商用车先行。与日美直接瞄准私家车市场的策略不同，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（见图5）。《中国制造2025》等国家规划即很好地体现了这一思路。

图5 中国燃料电池车发展的思路

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[2]，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12 m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。一方面，通过财政补贴的方式可在一定程度上降低加氢站和车辆运营方的成本，缓解资金压力；另一方面，辖区内的公交公司可在早期不过多考虑成本限制，提供一定数量的公交线路进行示范，为培育产业提供土壤。

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。选取佛山、上海等（如表1所示）上下游产业链具备可靠基础、地方政府已有具体补贴措施出台，产业扶持的决心和力度都比较大的地区进行加氢站规划布点，更可能实现配套燃料电池商用车的示范落地，是较稳妥的方案。

表1 地方已推出的加氢站建设/运营方面的补贴政策

3 围绕上游资源

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。柴油平均价格为6.5元/L，其体积能量密度约为36.7 MJ/L（参考GB/T 2589—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%），1 L柴油实际转换能量为11.01 MJ。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143 MJ/kg，则所需要的氢气量约为11.01/50%/143=0.15 kg。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：一是制备/提纯成本，二是运输成本，三是站内成本。不同制备方式的制备/提纯成本如表2所示[3]。

表2 不同制备方式的氢气制备/提纯成本

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300 kg，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500 kg/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。

从表3可以看到，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。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/提纯成本也相对在可接受的范畴，氢能产业发展初期阶段以优先消纳上述资源为佳。

表3 加氢站氢气成本构成

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。[4-5]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（100 km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。