油、气、氢、电综合能源站成本模型研究

李栖楠

（中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266000）

油、气、氢、电综合能源加注站作为未来城市基础建设的重要组成部分，从宏观布局到微观选址都对未来的城市规划具有深远的影响[1]。考虑到当前城市土地利用紧张的现状，利用规划解决加油、加气、加氢与充电需求递增与城市布局之间的矛盾，建立油、气、氢、电综合能源加注站，可以缓解供应压力，亦可优化城市服务环境、提高土地利用率、降低建设成本与匹配能源需求[2-3]，是满足未来相当长时间内油、气、氢、电车共存期能源补给的最佳方式。该文从站外油、气、氢资源的运输及站内油、气、氢、电能源的转换两个方面进行成本分析，旨在为综合能源加注站的选址及工艺路线的选择提供参考。

1 站外运输成本分析

1.1 运输成本模型

油罐车每年需要往返的次数：

往返一次所需时间：

每年运行时间：

全年耗油量：

全年油费：

长管拖车每年可用时长为Dy×Ttr，则该站需要的拖车数量：

驾驶员每年可用时长为Dyr×Tdr，则该站需要驾驶员数量：

油罐车每年折旧：

每年油品运输的人工成本：

能源站每年X油品的运输总成本：

则每升油品的平均运输成本：

假设天然气管束车压力为20 MPa，长管拖车一次可运送氢气的质量即为1 500 V，则每年需要往返的次数：

同理可计算天然气的运输总成本：

则每公斤天然气的平均运输成本：

经计算可知，长管拖车一次可运送0.89 PV高压氢气或70.85 V液态氢气，高压氢气每年需要往返的次数为：

液态氢气每年需要往返的次数为：

同理可计算高压氢气的运输总成本：

液态氢气的运输总成本：

高压氢气管道运输系统的年均运输费用：

式中，Ccom为压缩机成本，元；Pcom为压缩机实际功率，kW；Tcom与Tpipe分别为压缩机、管道折 旧，年；Cpipe为每公里管道的材料和安装费用，元/km；Cl为劳动力总成本，元。

则每公斤高压氢气的平均运输成本：

每公斤液态氢气的平均运输成本：

每公斤管道氢气的平均运输成本：

以上式中：Vy表示能源站X油品（92/95/98汽油或0#/-10#柴油）年销售量，L；M为氢气/天然气年销售量，kg；V为油罐/长管拖/天然气管束车容积，m3；η为运输效率；S为速度，km/h；P为压力，MPa；H为公里耗油量，L/km；d为直径，m；L为能源站与油库/供氢站/供气站间距、氢气管道长度，km；Tup为装载时间，h；Tdown为卸载时间，h；Dy为车/管道每年可用天数，天/年；Ttr为每天可用时长，h/天；Dyr为驾驶员每年可用天数，天/年；Tdr为每天可用时长，h/天；Co为燃油价格，元/L；Ce为电费，元/kW·h；Cs为瓶组成本，元；Ct为拖车成本，万元；Ccab为车头成本，万元；Cund为拖车底盘费用，元；Ttr为折旧年限，年；Cr为每次运输的人工成本，元。

1.2 运输成本模型计算

按表1条件对运输成本进行计算，得出油品、天然气、氢气运输成本与运输距离的关系，分别如图1~5所示。

图1 油品、天然气运输成本与运输距离的关系

表1 运输成本模型计算假设

图2 高压氢气运输成本、 长管拖车数量与运输距离的关系

由图1、2可知，油品、天然气、氢气的运输成本随运输距离的增加均呈线性增长；在运输距离相同的情况下，单位氢气的运输成本最高、油品的运输成本最低。当运输距离为1 150 km时，油品、天然气和高压氢气的单位运输成本分别为0.25元/L、0.6元/L和39.27元/kg。

由图3、4可知，当运输距离＜250 km时，液氢运输所需拖车数量不受年运输量的影响，1辆拖车就能满足运输要求；当运输距离≥250 km时，所需拖车数量随年运输量和运输距离的增加而增加，且拖车数量的增加并未对液氢运输成本产生明显影响。

图3 液态氢气运输成本与运输距离的关系

由图5可知，负荷率相同时，管道氢气的运输成本随运输距离的增加而增加；运输距离相同时，管道氢气运输成本随着负荷率的增加而降低。

图5 高压氢气管道运输成本、负荷率与运输距离的关系

综上，对比高压氢气管束车、液态氢气槽车和高压氢气管道三种运输方式可知，运输距离相同时，高压气体管道运输成本最高，液氢槽车运输成本最低；且随着运输距离的增加，不同运输方式之间的运输成本差距越来越大。

图4 液态氢气拖车数量、年运输量与运输距离的关系

2 站内能量转换成本分析

2.1 制氢成本

制氢成本与制氢方式有关。常见方式有天然气制氢、甲醇制氢、电解水制氢、煤/石油制氢等[4]。以制氢规模1 000 m3/h（标准状态，以下气体同）为例，根据2020年国家资源分布情况，选取不同制氢方式的平均数据，生产1 m3氢气需要消耗0.6 m3天然气、0.72 kg甲醇、5 kW·h电量、1.8 m3焦炉煤气，按照天然气单价3.2元/m3、甲醇单价2 200元/吨、电费单价0.8元/kW·h，设备折旧10年，土建折旧20年，对不同原料制氢的建设投资和运维成本进行估算，详见表2。

表2 不同制氢方式成本估算 万元

当制氢规模为1 000 m3/h时，天然气、甲醇、电解水、焦炉煤气的制氢总成本排序为：焦炉煤气制氢＜甲醇制氢＜天然气制氢＜电解水制氢。考虑到经济性，如果要求氢气成本＜2元/m3，则需要达到以下条件之一：1）天然气单价＜2.65元/m3、甲醇价格低于2 319元/吨；或者2）用电单价低于 0.34元/kW·h，详见图6。焦炉煤气制氢由于经济性优势目前已在我国推广应用[5-7]，同时，其制氢副产LNG可在综合能源站进行利用。

图6 制氢成本与原料成本的关系

2.2 CNG成本

到站低温LNG转换为CNG的过程包含低温LNG加压、LNG高压气化为CNG两个过程[8-9]，具体的压力和储气装置需根据实际情况确定。

按照规模为10 000 m3/天的加气量计算，LNG加气站及L-CNG加气站的建设成本见表3，运维成本见表4。

表3 加气站投资建设及设备成本 万元

表4 加气站运行及维护成本 元

2.3 充电桩成本

以60 kW的直流桩为例进行计算，成本如表5所示。

表5 60 kW直流充电桩成本费用估算

新能源车电容量大约在30~50 kW·h之间[10]，交流充电桩一般效率为88%，直流电效率为93%，则电费为电池容量／充电效率×电价。按照续航350 km、 电池容量46 kW·h、剩余电量10%、需充电44 kW·h进行计算，充电成本见表6。

由表6可知，以续航350 km的新能源汽车为例，充电每次电费最低约为20元，最高约为90多元；平均每公里电费从0.06元到0.30元不等。

表6 充电成本估算（电池容量46 kW·h）

3 综合能源站成本模型及计算

3.1 综合能源站成本模型

综合能源站的选址问题要考虑的因素包括建站地址的能源环境现状[11]，油[12]、气、氢生产成本及运输成本与电力成本[13-16]。以年总成本最低为目标函数，在容量、储运方式等因素确定的条件下得到综合能源站的最优位置。

式中，HP、HT、OP、OT、CP和CT分别表 示氢气、油品、天然气的生产成本和运输成本， 元/年。

式中，C、O分别表示加氢站建设投资成本和运维成本，元/年；T表示碳税成本，元/年；Cc表示单一加氢站的建设投资成本；rs表示贴现率；t表示折旧年限；ip表示单位氢气生产成本，元/kg；M表示氢气的年销售量，kg。

式中，ip表示1 kg氢的生产成本；V表示加氢站的容量。

3.2 模型计算

由于油品、天然气及电力的成本随地区定价，相关工艺较为成熟，因此重点讨论综合能源站模型中氢气部分的工艺方案。由上文可知，氢气的生产成本与制氢方式和加氢站容量有关。以一座1 000 kg级的加氢站为例，因其流量较小，因此仅考虑高压氢气管束车、液氢槽车两种运输方式。考虑到制取端成本，根据《中国氢能行业发展白皮书（2020年）》，液氢的制取与加注成本约为29.5元/kg，高压氢气的制取与加注成本约为19.0元/kg，将两种运输方式的费用随运输距离的变化绘制在同一张图中，结果如图7所示。

图7 氢气到站成本与运输方式、运输距离的关系

由图7可知，两种运输方式到站成本在350 km处相交。当运输距离＜350 km时，宜采用高压氢气管束车的运输方式；当运输距离＞350 km时，宜采用液氢槽车运输方式；当运输距离＝350 km时，两种方式均可。

年运输量80万kg时液氢运输成本与不同负荷率下的高压氢气管道运输成本如图8所示。

由图8可知，当管道氢气负荷率达到60%及以上时，其运输成本始终低于液氢运输成本；当管道氢气负荷率低于60%时，液氢运输成本曲线与高压氢气管道运输成本曲线相交于200 km（10%），300 km （20%），600 km（40%）左右。基于上图增加氢气制取成本，到站成本如图9所示。

图8 液氢运输与高压氢气管道运输费用的比较

图9 液氢与高压氢气管道到站成本比较

由图9可知，当运输距离小于1 000 km、管道氢气运输系统负荷率10%~100%时，液氢运输方式的氢气到站成本始终高于管道氢气运输方式。

4 结论

1）油品、天然气、氢气的运输成本均随运输距离的增加而增加，其中，氢气运输成本最高、油品运输成本最低；运输距离相同时，高压氢气管道运输成本最高，液氢槽车运输成本最低，且随着运输距离的增加，不同运输方式之间的运输成本差距越来越大。

2）可统筹建站规模、各地天然气、石油、风光电等能源现状，选择不同的工艺制氢。天然气和电力的成本主要受当地定价的影响。

3）油、气、电、氢综合能源站的选址需综合考虑站内规模、当地资源、距离母站的运输距离、管道氢气负荷率等因素。以1 000 kg级的加氢规模为例，天然气和电力成本为当地定价，当运输距离＜350 km时，宜采用高压氢气管束车的运输方式；当运输距离＞350 km时，宜采用液氢槽车运输方式；当运输距离＝350 km时，两种方式均可。