大型水電企業(yè)電解水制氫經(jīng)濟(jì)可行性分析

甘霖　朱云翔

摘? 要：氫能是公認(rèn)的清潔能源，其具有來源廣泛、利用途徑多、儲(chǔ)運(yùn)方便、高能量、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，為解決能源危機(jī)、全球變暖和環(huán)境污染等問題提供了可能的途徑。電解水技術(shù)作為一種成熟、高效的制氫手段，未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的主要原因在于高能耗和高成本問題。該文以我國水電大省四川省為例，探討了大型水電企業(yè)開展電解水制氫的經(jīng)濟(jì)可行性，同時(shí)指出現(xiàn)行條件下，決定電解水制氫項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素在于消納。

關(guān)鍵詞：氫能? 清潔能源? 電解水技術(shù)? 水電企業(yè)

中圖分類號(hào)：TQ11 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（b）-0022-03

氫能應(yīng)用，特別是氫燃料電池技術(shù)的應(yīng)用，一直被認(rèn)為是解決未來人類能源危機(jī)的終極方案，近年來在世界范圍內(nèi)持續(xù)升溫。我國已將氫能的開發(fā)和應(yīng)用作為國家能源戰(zhàn)略發(fā)展方向之一進(jìn)行布局，在《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《中國制造2025》等國家政策文件中均提及氫能及燃料電池技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃和階段性目標(biāo)。

氫氣的制取技術(shù)多種多樣，較為普遍的有煤制氫、天然氣制氫、甲醇裂解制氫和電解水制氫等技術(shù)。其中煤制氫、天然氣制氫使用化石能源作為制氫原材料，這與氫能利用的初衷之一——應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)化石能源替代是不符的;煤制氫、天然氣制氫、甲醇裂解制氫過程中均有二氧化碳排放，這與氫能利用的另一初衷——應(yīng)對(duì)全球變暖、減少溫室氣體排放又是不符的。而電解水制氫技術(shù)使用安全、易獲取、可再生的水作為原材料，制取副產(chǎn)品僅有純氧，此外，現(xiàn)行技術(shù)條件下，電解水制氫技術(shù)制取的氫氣初始純度即可達(dá)到99.8%，經(jīng)過簡(jiǎn)單的提純即可達(dá)到99.999%，是氫燃料電池最理想的氫源。如果使用清潔能源發(fā)電企業(yè)的電量進(jìn)行水電解制氫，即可實(shí)現(xiàn)氫能制造環(huán)節(jié)的零排放，充分體現(xiàn)氫能利用的初衷。該技術(shù)一直未能大面積推廣的主要原因是高耗能和高成本問題。

電解水制氫規(guī)?；兄诮档椭茪鋯挝怀杀荆瑫r(shí)大規(guī)模電解水制氫需要大量且穩(wěn)定的電能供應(yīng)。清潔能源發(fā)電企業(yè)中風(fēng)電、光伏發(fā)電普遍裝機(jī)容量較小，年發(fā)電量低，發(fā)電量不穩(wěn)定，中小型水電企業(yè)同樣有發(fā)電量較低的問題。故對(duì)于大規(guī)模電解水制氫而言，大型水電企業(yè)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1? 大型水電企業(yè)自身需求

近年來，受水電裝機(jī)占比提高、經(jīng)濟(jì)增速放緩以及送電通道建設(shè)滯后等問題的影響，我國水電棄水問題日趨嚴(yán)重。以四川省為例，近3年國調(diào)、省調(diào)水電發(fā)電和棄水情況如表1所示。

可以看到，2015—2017年四川省國調(diào)、省調(diào)水電棄水電量呈逐年上升趨勢(shì)。根據(jù)四川省電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃，“十三五”期間全省裝機(jī)年增幅4.7%，全省用電量年增幅4.4%，無新增送電通道。國調(diào)、省調(diào)水電機(jī)組多屬國有大型水電企業(yè)，2018—2020年棄水問題會(huì)更加嚴(yán)峻?！笆奈濉逼陂g，新的電力外送通道的建成會(huì)緩解四川大型水電棄水問題，但受制于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)問題，并不能完全解決。

電力生產(chǎn)、傳輸、使用是同一時(shí)間完成的。氫能的可儲(chǔ)存性優(yōu)于電能，將大型水電的富余電量用于電解水制氫是減少棄水的有效途徑。電解水制氫1kg綜合電耗在61.2kWh左右，如將四川省水電2017年棄水電量的20%用于制氫，可獲得14.7萬t氫氣，滿足約10萬輛氫能燃料電池大巴夏季氫需求。

同時(shí)，水電富余電量的低電價(jià)也有助于拉低制氫全年平均電價(jià)成本，進(jìn)而降低氫氣售出價(jià)格。

2? 大型水電企業(yè)制氫可選擇的方案

電解水制氫需要大量且穩(wěn)定的電力供應(yīng)。為大力推廣電解水制氫，四川省擬將其列入直供電企業(yè)名錄，享受最低輸配電價(jià)，企業(yè)到付電價(jià)不超過0.3元/kWh。在此條件下，四川省大型水電企業(yè)建設(shè)電解水制氫站有兩種方案可供選擇。

方案一：在電站廠區(qū)內(nèi)或附近建設(shè)制氫站，使用電站廠用電供電，制出氫氣經(jīng)加壓后使用氫氣排管車運(yùn)送至加氫站。

方案二：在氫氣消納地建站，享受直購電企業(yè)電價(jià)政策，以輸電代替運(yùn)氫，減少氫氣的運(yùn)輸距離。

兩種方案特點(diǎn)對(duì)比見表2。

可以看到，方案一主要優(yōu)勢(shì)在于可將電費(fèi)成本降到最低，同時(shí)由于大型水電一般位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，制氫站用地成本也明顯低于方案二。但問題在于制氫作為?；飞a(chǎn)，是否能在電站廠區(qū)或附近建站，同時(shí)能否突破配網(wǎng)相關(guān)政策，直接使用廠用電制氫，需要政府和企業(yè)的共同推動(dòng)。同時(shí)由于運(yùn)輸距離問題，方案一的安全管理壓力明顯高于方案二。

3? 電解水制氫項(xiàng)目建設(shè)方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

以四川省某水電站為例，其地處四川省樂山市沙灣縣，裝機(jī)700MW，距成都150km。如其建設(shè)一座日制氫量為500kg的制氫站，考慮氫氣消納地為成都，則兩種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如下。

3.1 固定資產(chǎn)投資對(duì)比

兩種方案對(duì)比，固定資產(chǎn)投資差別主要是成都用地成本遠(yuǎn)高于樂山用地成本，其他固定資產(chǎn)投資基本相同（見表3）。

3.2 可變成本對(duì)比

根據(jù)表4對(duì)比可知，方案一氫氣制造成本較低，但運(yùn)輸成本高，綜合來看兩種方案制氫可變成本相差不大。

3.3 人工成本對(duì)比

人工成本對(duì)比見表5。

3.4 內(nèi)部收益率對(duì)比分析

3.4.1 現(xiàn)行政策、消納形勢(shì)下兩種方案的內(nèi)部收益率

以20年投資收益期計(jì)算，考慮1～20年售氫量的增加和氫氣單價(jià)的降低，稅收上考慮小微企業(yè)“三免三減半”政策及水電原材料可抵扣的增值稅。兩種方案計(jì)算參數(shù)及內(nèi)部收益率見表6、表7。

可見，無論方案一、方案二均不具備經(jīng)濟(jì)吸引力，其中方案二呈現(xiàn)虧損狀態(tài)。

3.4.2 考慮可能的優(yōu)惠政策條件下的兩種方案的內(nèi)部收益率

如要使項(xiàng)目具備經(jīng)濟(jì)吸引力，首先考慮兩條可能的途徑;一是進(jìn)一步降低到付電價(jià);二是政府對(duì)電解水制氫項(xiàng)目給予一次性補(bǔ)貼。對(duì)于方案一，已使用水電企業(yè)成本電價(jià)，無降低空間;對(duì)于方案二，0.3元/kWh（含過網(wǎng)電費(fèi)）的到付電價(jià)也已接近極限。故政府對(duì)電解水制氫項(xiàng)目給與一次性補(bǔ)貼是較為可能的優(yōu)惠措施，在此情況下，兩種方案內(nèi)部收益率見表8。

可以看到，在對(duì)項(xiàng)目給與一次性補(bǔ)貼800萬元后，項(xiàng)目的內(nèi)部收益率仍未達(dá)到8%，經(jīng)濟(jì)吸引力依然較差。

3.4.3 優(yōu)化消納的情況下兩種方案的內(nèi)部收益率

以上計(jì)算中，第1～5年平均制氫負(fù)荷為40%，第6～10年平均負(fù)荷為70%，第11～20年平均負(fù)荷為100%?？梢钥吹剑词故窃诔雠_(tái)更加優(yōu)惠的電價(jià)政策、項(xiàng)目補(bǔ)貼的條件下，項(xiàng)目的內(nèi)部收益率仍不盡如人意。要提高項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率，還有一條途徑，即優(yōu)化消納情況、提高氫氣的售出量。在優(yōu)化氫氣消納的情況下，項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率見表9。

在優(yōu)化消納形勢(shì)的情況下，項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率提高明顯。可以看出，在目前技術(shù)、政策條件下，決定電解水制氫站經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素是消納。

但是，根據(jù)目前市場(chǎng)情況來看，電解水制氫項(xiàng)目一經(jīng)投運(yùn)便滿負(fù)荷運(yùn)行是難以實(shí)現(xiàn)的。以上文例舉的500kg日制氫能力的項(xiàng)目為例，其滿負(fù)荷生產(chǎn)需要約70輛氫能公交大巴投運(yùn)，在氫能市場(chǎng)化初期，該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度較大。故現(xiàn)階段，解決電解水制氫項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的合理途徑應(yīng)為電價(jià)政策、項(xiàng)目補(bǔ)貼、消納確保3條路徑共同作用。

4? 結(jié)語

大型水電企業(yè)開展電解水制氫工作，是解決氫能來源的有效途徑，對(duì)于解決大型水電企業(yè)減少棄水、提高企業(yè)效益也具有探索的價(jià)值，在一定程度上彌補(bǔ)了電解水制氫技術(shù)高耗能、高成本的缺陷。但通過以上分析可以看出，如要使電解水制氫項(xiàng)目能夠生存、具備經(jīng)濟(jì)吸引力，僅靠大型水電企業(yè)自身是不夠的，還需要政府相關(guān)部門從政策上給與扶持和獎(jiǎng)勵(lì)，特別是氫能市場(chǎng)初期需要電價(jià)政策、項(xiàng)目補(bǔ)貼、氫能補(bǔ)貼等優(yōu)惠政策的出臺(tái)和落地。長遠(yuǎn)來看，氫源價(jià)格高會(huì)制約氫能應(yīng)用的發(fā)展，而氫能應(yīng)用、氫能消納情況又反向影響氫能制造項(xiàng)目的生存、發(fā)展以及氫源的價(jià)格。這說明了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同并進(jìn)，擴(kuò)大氫能市場(chǎng)規(guī)模將是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

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