氢-水逆向运输系统工程的方案设计及可行性分析

2022-11-16麻林巍韩储银李卓然倪维斗

动力工程学报 2022年11期

麻林巍，韩储银，李卓然，李政，倪维斗

(1.清华大学能源与动力工程系，北京 100084；2.国家电力系统重点实验室，北京 100084)

针对日益严峻的气候变化与可持续发展挑战，我国亟待发展清洁、低碳的新型燃料和化工原料来替代传统的煤炭、石油产品和天然气。而氢能是一种重要的替代选项，大力发展氢能也已经成为国家战略,“十四五”规划中明确将氢能列入“未来产业”规划之中[1]。从氢能生产的未来方向来看，来自非化石能源的“绿氢”无疑将是发展重点[2]。

利用风、光等可再生能源发电来进行电解水制氢将是一种大规模制取“绿氢”的重要途径，然而该途径面临着我国能源资源和水资源呈区域逆向分布的挑战。经济发达的东部地区对绿氢有着巨大的需求，而风、光资源却主要分布在经济欠发达的西部地区。与此同时，西部地区水资源高度匮乏，限制了大规模电解水制氢的发展，而东部地区水资源丰富。为解决这一区域逆向分布挑战，需要在跨区域合作的系统工程设计和运营上探索创新。

为此，首先提出了氢-水逆向运输的系统工程设想：(1)建设横跨东西部的输水管道，将东部相对丰富的水资源调运至西部，解决西部水资源匮乏的问题；(2)在西部利用风、光电力电解东部运来的水来制氢，将制得的“绿氢”通过输气管道输送至东部地区消费。由此形成“东水西送、西氢东送”的大循环，通过跨区域合作来促进“绿氢”的大规模开发利用。其次，笔者针对该设想开展了结合区域实际情况的工程方案设计，并建立了物质能量平衡模型，然后进行核算。最后在此基础上进一步建立了经济性模型，进行了技术经济性评估和多种商业运营模式的分析。

1 研究现状与研究方法

所提出的氢-水逆向运输系统工程设想是结合国情的原创性想法，经调研，在国内外尚未发现类似的文献和工程。然而在可再生能源电解水制氢、跨区域输氢和跨区域水资源运输这些方面，各自都有一些可参考的文献和工程。

在电解水制氢方面，杨昌海等[3]对以电解水制氢为核心制取原理的制氢-加氢站进行了年收益模型分析，研究结果显示制氢-加氢站项目在低电价情况下具有比较好的收益效应，且氢气价格相对于电价对该项目经济性的影响更大。张轩等[4]从氢能供应链出发，分别对制氢、运氢和加氢站成本进行了计算，发现运输和加注环节成本较高，占到总成本的60%。而且随着技术进步，“绿氢”会占据主流市场，达到一个临界点后成本会快速降低，产业进入大规模发展阶段。Chai等[5]研究认为，当电价低于0.3元/(kW·h)时，可再生能源电解水制氢成本与煤制氢成本相当。但整体来看，国内对于跨省份、多主体的大型电解水制氢工程的经济性研究分析较少。

在跨区域输氢方面，管道运氢是长距离运输的关键手段，其研究热点是天然气掺氢运输。综合若干学者的研究[6-8]，将天然气内掺混氢气的体积比例控制在 5%～15%范围内，在运输过程和终端利用的安全性、市场化方面是比较适宜的。结合本文设想，若利用“西气东输”的现有天然气管道来进行大规模、长距离输氢，可以大大降低基础设施建设的成本。

在跨区域水资源运输方面，多个国家已经有相关工程项目。例如，美国加州的“北水南调”工程是美国甚至世界最大的调水工程[9]；我国的“南水北调工程”总长度达4 350 km，实现了中国水资源的合理配置格局[10]。这些工程都为水资源跨区域运输积累了经验，可供本工程参考。

整体来看，所提出的氢-水逆向运输系统工程在上述各环节已有一定的研究基础和工程实践，但缺乏综合这些环节的系统集成设计和定量评估。

为解决这一问题，参考Li等[11]提出的关于多能协同技术的“物理建模-经济性建模-商业模式分析”的三段式方法，笔者提出了适合研究该系统工程的“方案设计和物理建模→单主体运营模式经济性建模→多主体运营模式分析”的三段式分析方法，该方法框架如图1所示。在方案设计和物理建模部分，结合东、西部具体情况提出可行的工程方案，并开展物质和能量守恒验证，计算整体物质和能量效率；在经济性建模部分，主要采用净现值(NPV)方法进行技术经济评估，并完成单主体运营模式的计算；在多主体运营模式分析部分，进一步计算不同商业模式情景下各主体的成本和收益情况，并进行比较分析。

图1 本文的研究框架图Fig.1 Research framework of this paper

2 方案设计和物理建模

2.1 方案设计

根据氢-水逆向运输系统工程的设想及文献调研情况，提出的原则性流程为：首先，以修建输水管道的方式将水资源从东部地区运输至西部地区，大部分供给西部地区生产生活使用，小部分用于电解水制氢产业；其次，在西部建设电解水制氢工厂，利用当地丰富的可再生能源发电，制取氢气；最后，将电解水制得的氢气掺混入天然气管道，通过高压管道输送的方式运回东部地区，销售给下游的化工企业等用户。

因长距离气体管道运输均为高压运输，故在氢气进入输气管道前需要利用特种的氢气压缩机升压，然后进入天然气管道掺混运输。在东部下游段，利用变压吸附分离(PSA)技术将氢气与天然气分离，再将分离提纯后的氢气销售给东部地区。具体设计方案如图2所示。

图2 本工程的物理系统设计方案Fig.2 Design scheme of physical system in the project

2.2 质量和能量守恒方程的推导

由于该系统是涉及多个环节的复杂系统，其中存在工质种类发生变化、物质损失等多类现象，因此为推导方便，将全系统按照环节发生的先后顺序分割为不同的子过程，具体过程已在图2中标出，如1～5过程。

其中，在氢气压缩环节，由于压缩机密封性好，因此将该过程视为无物质损失过程，且压缩机有保温层，压缩过程快，可近似视为压缩过程未与外界发生热量交换，即无能量损失。

对系统1→2、2→3、3→4、4→5过程的质量(m)守恒推导结果分别为：

mH2O,初始=mH2O,进入电解+mH2O,销售+mH2O,管道损失

(1)

mH2O,进入电解=mH2,1.5 MPa+mO2+m电解水物质损失

(2)

mH2,1.5 MPa=mH2,8 MPa+mH2,管道损失

(3)

mH2,下游=mH2,8 MPa-mH2,分离损失

(4)

将以上各子过程质量守恒方程进行总体加和并化简，即可得到全系统的质量守恒方程：

mH2O,初始=mH2,下游+mO2+mH2,分离损失+

mH2,管道损失+m电解水物质损失+mH2O,销售+mH2O,管道损失

(5)

对系统1→2、2→3、3→4、4→5过程的能量(q)守恒推导结果分别为：

-q输水管损=(h2-h1)+gx(z2-z1)-w泵,输水管道

(6)

w电解水-q电解水耗散=uH2+uO2-uH2O

(7)

-q输气管损=(h4-h3)+g×(z4-z3)-w压缩机

(8)

-qPSA设备管损=(h5-h4)-wPSA设备

(9)

式中：h为焓值；g为重力加速度；z为高度；w为机械功；u为内能。

将以上各子过程能量守恒方程进行总体加和并化简，即可得到全系统的能量守恒方程：

w泵，输水管道+w电解水+w压缩机+wPSA设备=

(h2-h1+h5-h3)+(uH2+uO2-uH2O)+

q输水管损+q电解水耗散+q输气管损

(10)

2.3 子环节设计

由于缺乏现成的输水管道，故本工程中的输水管道拟采用新建方式。考虑到输水与用氢需求，管道的起点城市应当具备丰富的水资源且拥有密集的化工产业园区，经综合考虑选定为上海市。一方面，上海位于长江入海口处，具有丰富的水资源，据统计，2020年上海太湖流域来水量201.8亿m3，长江干流来水量11 620亿m3，可满足调水需求[12]；另一方面，在上海南部的金山区和奉贤区，专门设有化学工业区，这些区域化工企业密集。同时，甘肃省酒泉市具有风力资源丰富、风电装机规模大、风电消纳困难的特点，因此将其选定为管道终点。输水管道设定为直线轨迹。

经实际地图测距，管道全长2 324.8 km。参考美国加州“北水南调”工程、我国“南水北调”东线工程及“南水北调”中线工程的实际数据，对管道造价进行估算，得到海拔差与造价的关系式。拟合结果如图3所示。

图3 输水管道造价函数拟合曲线Fig.3 Fitting curve of water pipeline cost function

本工程中，上海市和酒泉市的海拔差为1 478.8 m，代入拟合公式可得到吨单位公里造价为0.019 2元。考虑到上海—酒泉线的输水管道较长，经综合考量，将管道运水量设定为20亿m3/a，通过计算得到输水管道造价估计值为893亿元。电解水装置部分的数据输入情况如表1所示，部分数据由政策文件及统计年鉴取得[13-14]。

在氢气压缩机选择上，目前市场上主要有液驱压缩和隔膜压缩2种类型，其中隔膜压缩机寿命短、性能低，故本研究采用液驱压缩机[15]。氢气压力从1.5 MPa压缩到8 MPa，压缩比为5.33，采用二级压缩方式。

在输气管道的方案选择上，氢脆等现象的存在使得氢气的管道运输成本高于天然气的管道运输成本[16]。本工程拟采用租赁现有西气东输天然气管道的掺混运输方式。关于管道氢气损失问题，由于氢气的渗透率大于天然气，掺氢运输的过程中会产生氢气损失，比例一般小于3%[17]。综合考虑后，本案例中将天然气管道损失的比例取为2%。管道租赁价格采用固定资产租赁价格理论公式推导得到。

输气管道部分的输入数据如表2所示。

表1 电解水装置部分的数据输入汇总表Tab.1 Summary sheet of data input of electrolytic water device

表2 输气管道数据输入汇总表Tab.2 Summary sheet of data input of gas transmission pipeline

在氢气分离技术方面，国内的主要氢气分离方法包括变压吸附分离技术、膜分离法和深冷分离法[18]。本工程中，考虑到产生的氢气产品最终将以商品投向市场，对商品化氢气的纯度要求较高，如对于化工企业，用氢的纯度一般需要大于99.9%[19]。因此，选择变压吸附分离方法作为下游氢气的分离方法。数据输入如表3所示，数据系文献及市场调研后得到[20]。

2.4 物质和能量效率估算

以年度流量为例，全系统质量流动分布的计算结果如表4所示。

表3 变压吸附分离部分的数据输入汇总表Tab.3 Summary sheet of data input of PSA separation part

表4 全系统质量流动分布情况计算表Tab.4 Calculation table of mass flow distribution of the whole system

定义不考虑氧气产物的全系统物质效率(ηm)如下：

(11)

代入相关参数计算得到全系统物质效率为93.563 2%，质量损失主要发生于输水管道的漏水损失。

在能量效率方面，全系统能量输入和能量输出的计算结果如表5和表6所示。

表5 全系统能量输入情况计算表Tab.5 Calculation table of power input of the whole system

定义全系统的制氢能量效率(ηe)为：

(12)

计算可得全系统制氢能量效率为44.25%，全过程的主要能量损失来源于电解水过程热损失和分离过程氢气能量损失。

表6 全系统能量输出情况计算表Tab.6 Calculation table of power output of the whole system

3 单主体运营模式经济性建模

3.1 评估方法

工程项目的技术经济评估中通常使用的方法有净现值方法和内部收益率(IRR)方法。由于本项目属于能源项目，在需求端具有较强的确定性，理论上净现金流预测的精确性较高。对于此类项目，普遍更倾向于使用NPV方法[11]。因此本工程采用NPV方法作为经济性计算方法。

NPV方法中首先取定贴现率，将未来期间的净现金流贴现至当期后再减去初始投资，差值即为项目净现值。当净现值为正值时认为该项目增加了企业的价值，应当进行投资；净现值为负时不应当进行投资；净现值为零时，项目盈亏平衡，是企业勉强可进行投资的净现值点，当然企业也可以选择拒绝投资。

3.2 输入参数

本案例中，假定初始投资发生于工程建设期的末端时刻，即工程运营期的初始时刻。

工程运营期内第i年的现金流量计算公式为：

Ai=(Bi-Ci)·(1-T)+Di·T

(13)

式中：Ai为工程运营期内第i年的现金流量；Bi为第i年的销售现金流入；Ci为第i年的销售现金流出；Di为第i年的工程总折旧金额；T为企业所得税税率。

本工程净现值NPV为：

(14)

式中:A0为工程初始投资；r为贴现率；年数指标0表示工程初始节点，在本案例中设为第1年年初；i∈[1,20]。

经济性计算中的通用数据输入如表7所示。

表7 经济性计算的通用数据输入汇总表Tab.7 Summary sheet of general data input of economic calculation

3.3 单主体运营模式计算

单主体运营模式即工程全流程由单一企业运作的模式,该模式的示意图如图4所示。单主体运营模式下，经济性计算数据输入如表8所示。净现值计算过程如表9所示。

由式(14)计算可得，整体工程的净现值为-701.35亿元，此净现值为负且绝对值金额巨大，意味着该工程的投资价值较差，需要政府给予大量资金补贴。净现值为负的主要原因在于输水管道造价过高，同时单企业主体需负责全系统各项业务，对企业的综合运营能力挑战较大。

图4 单主体运营模式示意图Fig.4 Schematic diagram of single entity operation mode

表8 单主体运营模式下经济性计算数据输入表Tab.8 Input table of economic calculation data under single entity operation mode 亿元

4 多主体运营模式分析

为了进一步探索该工程在商业运营上的可行性，引入多主体运营模式，并就不同运营模式下对各企业主体的成本和收益进行分析。

4.1 “基础设施主体+双区域主体”模式

考虑到该工程属于跨省工程，而不同区域的情况不同，区域内企业进行域内自我管理的模式应与各省的现实情况相适应。基于以上考虑引入“基础设施主体+双区域主体”的多主体运营模式，主要过程为：基础设施主体A负责输水管道的建设，并从上海地区取水运输至西部地区销售。同时主体A从酒泉区域主体B处购买其在当地生产的氢气，通过租赁管道的方式将氢气运往上海地区，将氢气销售给上海区域主体C；区域主体B为甘肃省内企业，主要业务为电解水制氢；区域主体C为上海市企业，从基础设施主体A处购得氢气，分离提纯后将氢气向市场销售。该模式的示意图如图5所示。

由于本模式是假设性的，存在企业间氢气内部价格，而该价格尚无市场参考依据。因此设图5中1、2、3点处的价格分别为氢气单价1、2、3。氢气单价1和氢气单价2的取值方法为：令区域主体B的工程净现值恰好为0元，确定氢气单价1；令区域主体C的工程净现值恰好为0元，确定氢气单价2。根据上述原则所确定的氢气单价1为2.035 5元/m3，氢气单价2为10.825元/m3。氢气单价3存在市场参考依据，取为14.81元/m3(与单主体运营模式下的氢气价格取值一致)。

表9 单主体运营模式下项目净现值计算表Tab.9 Calculation table of project net present value under single entity operation mode

基于上述氢气单价，计算可知基础设施主体A的工程净现值为-701.33亿元，经济性较差，不具备投资价值。

为使工程具备可行性，政府一方面可进行资金补贴，为主体A提供约701亿元的补贴。另一方面，政府可政策性地提高氢气价格，将氢气单价提高到68元/m3，而上海当前氢气最高单价为37元/m3，涨幅达到了83.8%。

但是，这2种方案现实可行性均较低。若政府为本项目提供大额补贴资金，会带来沉重的财政负担，在现实操作层面也充满不确定性。氢气作为用于工业的非日常所需商品，当前均采用市场化定价方式，若采取通过国家手段统一价格的做法，不利于维护社会主义市场经济秩序。

4.2 专业化分工模式

由于业务类型涵盖运输水业务和氢气产、运、售等多个不同环节，故引入一种专业化分工的模式，以工程流程为序，将不同的业务环节分拆给不同主体运营。具体的运营模式如图6所示。

在专业化分工模式中，主体A主要负责运输水业务，修建输水管道后从上游地区引入水流，运输至下游地区进行销售。区域主体B为西部地区专业的电解水制氢行业企业，向上游主体A购买水资源后，利用电解水设备制取氢气并加压。企业主体C为上海地区的气体企业，通过输气管道的租赁将西部地区产生的氢气运输回上海销售。

图5 “基础设施主体+双区域主体”模式示意图Fig.5 Schematic diagram of operation mode of "infrastructure subject and dual regional subjects"

通过实际测算，可确定氢气单价4为2.035 5元/m3，氢气单价5为3.706 5元/m3。如前述过程，通过经济性建模和计算得到运售水主体A的工程净现值为-864.45亿元，工程经济性较差，不具备投资价值。

为使项目具备可行性，政府一方面可以通过财政调拨将区域主体C的盈余现金流量转移至主体A，并提供约692亿元补贴以改变主体A的经济性。另一方面，政府还可将运输水有选择性地销售给工商业及服务业用户等高端行业，以提升售水价格。

专业化分工的模式下，各主体负责单一业务，可最大程度上实现专业化经营。政府作为中间管理者，可以通过财政调拨将现金流量在企业间均匀分配，使得各主体更加均匀地分摊成本与收益，同时所需提供的补贴资金也有所降低，这一模式有利于充分调动参与方的积极性。引导调水资源销往高端行业的方式在目前政府机构所管辖的范围内具备基本的可行性。因此，本文的初步模式建议为专业化分工模式。