氫能長距離輸送的經(jīng)濟性研究

李周波，蘆 琳，田小江，田永強 編譯

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

0 前 言

化石燃料燃燒引起的環(huán)境污染以及資源枯竭問題，激發(fā)了可再生能源（RES）的快速發(fā)展。然而，可再生能源的間歇性問題會制約其廣泛應(yīng)用。隨著需求側(cè)的波動，區(qū)域電網(wǎng)中的功率匹配不均衡，因此，必須引入儲能系統(tǒng)進行調(diào)峰。采用水庫抽水蓄能、鹽穴壓縮空氣儲能以及通過電解水制氫技術(shù)生產(chǎn)氫氣等方式進行儲存。

數(shù)據(jù)顯示，高壓直流電纜輸電線路每1 000 km的損耗約為3.5%，而高壓交流電纜在相同條件下的損耗為6.7%。對于傳輸距離大于60 km的海底或超過200 km 的架空區(qū)域，高壓直流電纜輸電具有更好的經(jīng)濟性。電力傳輸存在距離效應(yīng)及損耗，因此可以利用電力轉(zhuǎn)氣（PtG）技術(shù)以氫氣的形式借助天然氣管道傳輸可再生能源。PtG 技術(shù)包括利用剩余可再生能源進行電解水制氫、儲氫、輸氫以及氫能再轉(zhuǎn)化為電能。通過電解水制氫將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再以壓縮態(tài)、液態(tài)或化合物的形式儲氫并將其輸送至各個領(lǐng)域。

在管道輸氫方面，現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)可用于高壓輸氫。在5%～15%低氫濃度下，將氫氣摻入到天然氣管道中進行輸送。然而，高壓下隨著氫濃度的增加，則需要進行相關(guān)技術(shù)研究及輸氫的安全論證，其中包括天然氣管道氫脆機理研究、氫在金屬中的滲透以及現(xiàn)有天然氣管道摻氫安全性分析等。從經(jīng)濟性方面考慮，隨著氫需求量的增加，管道輸氫成本最低，使用現(xiàn)有天然氣管道可將氫氣輸送成本降低60%以上。

綜上所述，通過對現(xiàn)有能源傳輸方式進行分析，發(fā)現(xiàn)基本沒有氫能遠(yuǎn)距離傳輸方式的分析研究成果。因此，本研究對氫能兩種遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)的等效成本進行分析。一種方式是將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能，通過高壓直流電力電纜傳輸，最終在用戶端電解水制氫；另一種方式是先將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣，再通過天然氣管道將氫氣輸送給用戶。定量計算氫能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)某杀荆捎妹涝?kg為單位對輸送氫氣的平準(zhǔn)化度電成本（levelized cost of energy，LCOE）進行比較，同時還對其敏感性參數(shù)進行了分析。

1 研究內(nèi)容

1.1 研究方法

利用現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)進行輸電線路和天然氣管道成本估算。氫能傳輸，一種方式是電力電纜的形式直接傳輸，然后到達(dá)目的地利用電能電解水制氫氣；另一種方式是先將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣，再通過天然氣管道將氫氣輸送給用戶。

本研究中的資本成本僅通過取長距離電力電纜和天然氣管道項目公開數(shù)據(jù)的平均值進行計算。

1.2 理論計算

資本成本采用公式（1） 資本回收系數(shù)（CRF）進行年度化計算，該系數(shù)反映了貨幣的時間價值。公式（2）中的加權(quán)平均資本成本是資本利率、機會成本、風(fēng)險和公司稅收等的加權(quán)平均值。然后，根據(jù)年化資本和固定運營成本除以年輸送量，計算出平準(zhǔn)化度電成本（LCOE），如公式（3）所示?？勺兂杀竞腿剂铣杀局苯犹砑拥絃COE中。

式中：A——資本回收系數(shù)（CRF）；

t——時間，年；

i——資本成本，美元。

式中：iw——加權(quán)平均資本成本（WACC），美元；

g——公司杠桿率；

rf——無風(fēng)險利率；

DP——部門溢價；

rtax——公司稅率；

βequity——公司回報對市場回報的敏感性度量；

rm-rf——市場風(fēng)險溢價的加權(quán)組合。

式中：Ccap——工廠的資本成本，美元；

FO&M——固定運營和維護成本，美元；

N——設(shè)施的壽命，年；

Etrans——每年傳輸?shù)哪芰?，MW；

Cenergy——能源成本，美元；

2 分析與討論

2.1 氫平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）組成

以電解1 kg 水制取氫氣為例，在傳輸距離4 000 km、容量因數(shù)32.7%、1 000 MW輸電能力情況下氫平準(zhǔn)化度電成本組成如圖1所示。由圖1可知，整體來看不論是電纜傳輸還是管道輸送，陸上傳輸成本比海上傳輸更低；而在海上，電纜傳輸比管道輸送成本更高；在4 000 km距離下，陸上電纜傳輸和管道輸送成本基本接近。一方面，雖然電纜維護費用較低，但傳輸能量損耗大，因此電力成本較高；另一方面，管道在長距離輸送過程中存在壓降，因此需要在管道輸送過程中增加相應(yīng)的增壓站成本。研究表明，對于下游用戶，遠(yuǎn)距離輸送氫氣的成本過高，即使在陸上輸送氫氣，氫LCOE 的價格也在10美元/kg 左右，因此，比起輸送傳統(tǒng)天然氣，輸送氫氣則完全沒有競爭力。為了克服高成本，必須增大氫氣的輸送量，以分擔(dān)高額的資本支出，可以通過增加線路的容量因數(shù)或傳輸容量來實現(xiàn)。

圖1 不同輸送方式平準(zhǔn)化度電成本占比

2.2 氫平準(zhǔn)化度電成本與容量因數(shù)的關(guān)系

在4 000 km 傳輸距離、1 000 MW 傳輸容量下，容量因數(shù)與平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）的關(guān)系如圖2 所示。由圖2 可以看出，在容量因數(shù)10%～50% 的范圍內(nèi)， 平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）變化較大，但繼續(xù)增加容量因數(shù)則相應(yīng)平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）的成本效益變化不大。當(dāng)容量因數(shù)設(shè)置為32.7%的情況下，不論海上還是陸上，電纜和管道輸送氫氣成本均高于10 美元/kg。而隨著容量因數(shù)增加到大約40%，陸上輸送氫氣的成本漸趨低于10 美元/kg；對于海上電纜和管道輸氫，則當(dāng)容量因數(shù)達(dá)到50% 以后成本才能降至15 美元/kg以下。

圖2 氫LOCE與設(shè)施容量因數(shù)的關(guān)系

2.3 氫平準(zhǔn)化度電成本與傳輸容量關(guān)系

隨著多種可再生能源介質(zhì)輸送，即使在設(shè)施利用率較低的情況下，平準(zhǔn)化度電成本也可以進一步降低。在4 000 km 傳輸距離、32.7%容量因數(shù)條件下，傳輸容量與平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）的關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知，當(dāng)傳輸容量為1 000～1 500 MW 時，陸上輸氫平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）降至10 美元/kg以下；當(dāng)傳輸容量達(dá)到2 000 MW 時，海上輸氫平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）降至15 美元/kg 以下。結(jié)果表明，隨著傳輸容量的增加，多種能量通過“線路”傳輸，因此氫的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）有望降低。

圖3 4 000 km傳輸距離、32.7%容量因數(shù)下，氫LCOE與可再生能源容量的關(guān)系

在4 000 km 傳輸距離、50%容量因數(shù)條件下，傳輸容量與平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）的關(guān)系如圖4 所示，結(jié)果表明：同時提高容量因數(shù)和傳輸容量是降低輸氫成本的最有效途徑。當(dāng)傳輸容量達(dá)到3 000 MW，陸上管道輸氫低于7 美元/kg；傳輸容量提高到5 000 MW 及以上時，海上電纜輸氫低于9 美元/kg。由圖3 和圖4 可看出，隨著傳輸容量的增加，電纜輸氫的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）降低速度比管道快。但是，當(dāng)傳輸容量在4 000 MW 和5 000 MW時，邊際效應(yīng)開始凸顯，進一步增加傳輸容量則成本降低較小。

圖4 4 000 km傳輸距離、50%容量因數(shù)下，氫LCOE與可再生能源容量的關(guān)系

2.4 氫平準(zhǔn)化度電成本與輸送距離的關(guān)系

圖5 為1 000 MW 傳輸容量、容量因數(shù)32.7%條件下，氫LCOE 與傳輸距離的關(guān)系。由圖5 可知，除電纜傳輸以外，平準(zhǔn)化度電成本（LCOE） 與傳輸距離均成線性比例關(guān)系。由于電纜每傳輸1 000 km，損失能量累積約3.5%，因此電纜傳輸能量損耗會增加成本指數(shù)。以海上傳輸為例，電纜和管道之間的成本會隨著距離的增加而增加。而對于陸上傳輸，電纜傳輸氫氣的成本略低于管道傳輸氫氣的成本。總的來說，距離增加到10 000 km時，海上電纜傳輸氫氣的成本將快速增長，而陸上電纜、海上管道、陸上管道3 種傳輸方式的氫平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）增速較慢。

圖5 在1 000 MW傳輸容量、32.7%容量因數(shù)條件下，氫LCOE與傳輸距離的關(guān)系

在5 000 MW 傳輸容量、容量因數(shù)32.7%條件下，氫的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）與傳輸距離的關(guān)系如圖6 所示。由圖5 和圖6 可看出，隨著傳輸容量的擴大，平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）均有明顯下降，在4 000 km 距離處，海上管道輸氫LCOE 約為11 美元/kg，而陸上電纜則低于9 美元/kg。在傳輸距離方面，陸上管道傳輸明顯優(yōu)于其他三種方式。比較圖5 和圖6 可知，擴大傳輸容量使得海上電纜傳輸成本降低較為顯著；在傳輸距離小于7 000 km 的情況下，與海上管道相比，海上電纜傳輸成本更低。

圖6 在5 000 MW傳輸容量、容量因數(shù)32.7%條件下，氫LCOE與傳輸距離的關(guān)系

2.5 輸送線路單位成本和總成本

表2列出1 000 MW可再生能源傳輸容量下的單位距離資本成本，由表2可看出，每單位施工長度，管道成本比電纜成本更貴。而管道比電纜具有更高的“等效”能量運載能力，因此不能對其進行平行比較。通過比較輸送1 000 MW可再生能源的各項數(shù)據(jù)，可知在海上輸氫過程中電纜的標(biāo)準(zhǔn)化單位成本超過了管道輸氫成本。而對于陸上輸氫過程中，則電纜的標(biāo)準(zhǔn)化單位成本低于管道輸氫成本。

表2 1 000 MW可再生能源傳輸容量下單位距離資本成本

表3列出了不同傳輸距離下電纜和管道的總資本成本。由表3可以看出，在相同傳輸容量下管道比電纜輸送成本更低。

表3 不同輸電距離下電纜和管道的總資本成本

2.6 敏感性研究

影響輸送氫的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）的關(guān)鍵參數(shù)包括可再生電力成本、項目壽命、設(shè)施容量因數(shù)、電解槽成本和電解效率，對這些參數(shù)進行了敏感性評估。對于那些高“靈敏”的參數(shù)，如電解槽成本和可再生電力成本參數(shù)宜采用±50%。由于電解效率和容量因數(shù)不太可能實現(xiàn)較高的改善，因此對這兩個參數(shù)宜采用±10%。

總的來說，電解效率、設(shè)備壽命和容量因數(shù)的提高在不同程度上有利于降低氫的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）。研究結(jié)果表明，容量因數(shù)對海上電纜輸送的影響最大，如圖7（a）所示。容量因數(shù)降低10%將導(dǎo)致氫的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）增加約30%。這反映出電纜的利用率低，不需要進一步降低容量因數(shù)。電解效率是所有海上和陸上情況的關(guān)鍵因素，因為它直接影響制氫總量。

圖7 4 000 km傳輸距離下海上電纜及陸上電纜氫LCOE的敏感性研究

再生電力成本對陸上電纜的影響大于對海上電纜的影響，如圖7（b）所示，這是因為與海上設(shè)施相比，陸上設(shè)施支出資本相對較低，因此海上電力成本在總資本中占比更大。低成本設(shè)施的充分利用，包括更高的容量因數(shù)和更長使用壽命，并不會顯著降低平準(zhǔn)化度電成本（LCOE），這也解釋了容量因數(shù)和設(shè)施壽命對陸上電纜傳輸成本影響較小的原因。

如圖8 所示，在管道輸送氫方面，電解效率、可再生電力成本和容量因數(shù)對平準(zhǔn)化度電成本有很大影響，特別是在海上管道輸氫成本中運行和維護成本占很大一部分，這與目前海上管道建設(shè)項目的實際情況相一致。一般認(rèn)為，影響資本支出和運營支出的參數(shù)對平準(zhǔn)化度電成本的影響最大。隨著這些參數(shù)的進一步提高，將會輸送更多的能源，從而降低了平準(zhǔn)化資本支出，當(dāng)這些參數(shù)達(dá)到一定的比例時，敏感性將達(dá)到一定的平衡。隨著關(guān)鍵核心技術(shù)的進一步提升，如電解槽效率提升、服役壽命提高、電解槽成本和可再生電力成本的降低，將在一定程度上降低氫氣的制造和輸送成本。

圖8 4 000 km傳輸距離下海上及陸上管道輸送氫LCOE的敏感性研究

3 結(jié) 論

（1）從建設(shè)成本角度來看，單位長度的管道建設(shè)成本高于電力電纜的建設(shè)成本，但是管道具有較大的傳輸能力，傳輸容量標(biāo)準(zhǔn)化后，管道輸氫的成本更經(jīng)濟。

（2）從運維成本角度看，電纜傳輸時運維成本低，但是隨著距離的增加，電力電纜傳輸能量損失較大。管道輸氫雖然增加一些增壓方面的運維成本，但是長距離輸送能量損失較小。因此，長距離管道輸送氫運維成本更低。

（3）對于電力電纜和管道輸送氫氣，提高電力電纜傳輸能力和管道傳輸?shù)娜萘恳驍?shù)是降低氫LCOE 成本最有效途徑。同時，降低可再生能源發(fā)電成本和提高電解效率也是進一步降低氫LCOE成本的有效方法。

譯自：MIAO B，GIORDANO L，CHAN S H.Long-distance renewable hydrogen transmission via cables and pipelines[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46 （36）:18699-18718.