基于全生命周期的加氫站成本收益評估

周 莎，劉福建

(中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶 401122)

1 概述

隨著近年來環境污染問題和能源問題的日益加劇，全球各國均已達成建設資源節約型、環境友好型社會的共識，因此新能源汽車發展如火如荼。2018年全球新能源汽車銷量突破550萬輛，其中我國占比超過53%。而燃料電池汽車作為新能源汽車的熱點,因其零排放、綠色環保、高能量密度等優勢被認為是交通出行的終極解決方案。美國、歐盟、日本和韓國都投入了大量資金和人力進行燃料電池車輛的研究，通用、福特、豐田、本田、奔馳等大公司都已經開發出燃料電池車型并且運行狀況良好[1]。

能源戰略已經成為國際關注的問題，對能源結構進行調整是世界各國急需解決的問題，只有電力能源作為終端能源體系已不能滿足能源結構的要求，氫能源可與電能源形成互補成為我國的能源主體。目前應用最廣泛的氫能領域為氫燃料電池汽車，若可在汽車領域率先得到大規模應用，形成示范效應，必將帶動整個交通領域的變革，從而使能源結構得到有效的調整，實現汽車等產業的轉型升級，提升相關產業的科技水平及國際影響力[2-3]。我國已將氫能源與燃料電池汽車提上了戰略高度。在《中國制造2025》 《節能與新能源汽車技術路線圖》等綱領性文件中，我國政府對燃料電池汽車提出了明確的發展戰略。2019年3月15日，首次將氫能源寫入《政府工作報告》，明確提出“推動充電、加氫等設施建設”。2019年3月26日，由財政部、工信部、科技部、發改委等四部委聯合印發《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，指出除新能源公交車和燃料電池汽車外，過渡期后不再對其他新能源汽車給予購置補貼，轉為用于支持充電(加氫)基礎設施‘短板’建設和配套運營服務等方面。2019年4月，國務院發布國發[2019]8號文《落實〈政府工作報告〉中重點工作部門分工意見》，建議財政部、工業和信息化部、國家發展改革委員會、國家能源局、商務部、交通運輸部、住房城鄉建設部等按職責分工負責該項工作。我國已從頂層設計開始明確了加氫站建設的職責分工。

從2009年元月由國家科技部、財政部、發改委、工信部等四部委共同啟動的“十城千輛節能與新能源汽車示范推廣應用工程”開始，我國正式拉開新能源汽車大規模推廣運營序幕。回首近10年的發展歷程，充換電站主要存在投資回收期長、區域布局不均、政策法規不健全、充電基礎設施標準體系不完善以及跨運營商充電站的互聯互通水平較低等問題。與新能源汽車發展初期類似，基礎設施瓶頸在短期內仍然難以克服。同樣燃料電池汽車產業最突出的問題就是加氫站的短缺。我國在未來建設加氫站過程中，應充分借鑒充換電站發展的成功經驗，避免在加氫站建設運營中出現相似問題。目前，我國加氫站存在沒有統一規劃建設、標準不完善、審批流程不清晰、建設成本高等諸多問題。

從全球加氫站建設運營情況來看，國外加氫站建設相比更為完善。目前大力發展燃料電池汽車加氫站的國家主要有美國、德國、日本，并制定了長期的發展規劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國家[4]。截止2018年底，全球加氫站約369座(表1)。其中北美78座(其中39座位于美國)，亞洲136座，歐洲152座。但在全部369座加氫站中，僅273座對外公開開放，可供所有人使用，其余加氫站則封閉保留給固定用戶群體，供應公共汽車或車隊車輛。

表1 全球加氫站數量排名前五的國家(截止2018年底) 座

國家運營在建2020E2025E2030E日本100+160320900德國106400900美國4890中國24211003001000韓國16100200500

2016年10月，國家工信部、中國汽車工程學會發布《節能與新能源汽車技術路線圖》，指出到2020、2025、2030年，中國加氫站數量將分別超過100、300和1000座。據不完全統計，截至2018年底，我國已有超過40家整車企業開始研發燃料電池汽車。2018年全年氫能與燃料電池汽車產業相關資金投入更是超過了850億元人民幣。我國已建設投入運營的加氫站約24座左右(表2)，運營數量僅占全球的1%左右，與公共充電樁約50%的全球占比有很大的差距，且之前國內加氫站大多都是為了大型比賽或者示范項目而建設，有些在比賽結束后就拆除了，比如深圳大運會、廣州亞運會和上海世博會專用加氫站均已拆除。而我國在建的加氫站 (截止2018年底)只有22座(表3)。

表2 我國已建或運營的加氫站(截止2018年底)

序號城市日加注量/kg名稱建成時間投資或建設方運營方備注1北京200北京永豐加氫站2006北京清能華通&BP億華通運營2上海200上海安亭加氫站2007上海舜華和同濟大學上海舜華運營3上海—上海世博會加氫站2010上海舜華上海舜華已拆除4廣州—廣州亞運會加氫站2010上海舜華上海舜華已拆除5深圳—深圳大運會加氫站2011上海舜華上海舜華已拆除6臺灣350臺灣微生物制氫加氫站2011——運營7上海500上海電驅動加氫站2015氫楓能源上海電驅運營8鄭州210鄭州宇通加氫站2016宇通宇通運營9大連400同新加氫站2016同濟大學同濟大學和新源動力運營10佛山100三水加氫站2016氫楓能源廣東國鴻運營11中山1 000中山沙朗加氫站2017氫楓能源大洋電機運營12常熟—豐田加氫站2017豐田豐田運營13云浮200云浮思牢加氫站2017氫楓能源廣東國鴻運營14佛山200丹灶瑞暉加氫站2017瑞暉能源瑞暉能源運營15十堰500東風特汽(十堰)加氫站2017氫楓能源東風特汽運營16如皋200南通百應加氫站2018氫楓能源南通百應運營17成都400郫都區加氫站2018四川燃氣、四川金星四川燃氣運營18張家口1 000張家口臨時加氫站2018億華通億華通運營19佛山100佛羅路加氫站2018佛山汽運集團佛山汽運集團運營20武漢1 000武漢氫雄加氫站2018雄眾氫能雄眾氫能運營21聊城200聊城中通加氫站2018氫楓能源氫楓能源運營22云浮500云浮新興加油加氫站2018氫楓能源廣東國鴻運營23如皋1 000神華如皋加氫站2018神華集團神華集團運營24武漢300武漢中極加氫站2019中極氫能中石油運營

注：上海世博會加氫站是上海特意為服務世博會建設的，主要采用外供氫氣，儲存容量1 000 kg，約服務170輛燃料電池汽車。廣州亞運會加氫站主要給觀光車加氫，加氫總量約5 900 kg。深圳大運會加氫站主要服務62輛燃料電池汽車，加氫總量約460.38 kg。

國內加氫站數量較少，主要原因是我國以政府補貼為導向發展純電動汽車為主，燃料電池汽車發展尚不成熟。另一方面，建設加氫站所需的核心部件大多依賴進口，初期投資成本較高。此外，加氫站運行維護成本也較高，加氫站本身需要依靠加氫的規模效應來達到盈利，而目前加氫車輛較少。加氫站的建設和運營對燃料電池汽車的產業化具有至關重要的作用，而加氫站能夠盈利是投資者是否投資建設加氫站的一個重要指標。

表3 我國在建加氫站統計(截止2018年底)

序號開始建設時間城市名稱備注12018上海靖遠路加氫站在建22018上海金山加氫站在建32018上海松江萬象加氫站在建42018上海青浦韻達加氫站在建52018鹽城奧新汽車加氫站在建62018張家港開發區加氫站在建72018臺州氫能小鎮加氫站在建82018嘉興(嘉善)愛德曼加氫站在建92018佛山國能聯盛加氫站在建102018云浮羅定加氫站在建112018云浮云城區加氫站在建122018云浮郁南縣加氫站在建132018中山古鎮加氫站在建142018襄陽試驗車加氫站在建152018濱州濱化加氫站在建162018西安長安區加氫站在建172018六安明天加氫站在建182018武漢漢南加氫站在建192018北京中石化王府加氫站在建202018北京中石油奧東加氫站在建212018如皋神華加氫站在建222018新賓滿族自治縣撫順新賓沐與康加氫站在建

目前，我國發表的對加氫站成本的研究成果也較少。文獻[5]中通過建立氫氣運輸成本模型和加氫站成本模型，服務90輛燃料電池轎車和10輛燃料電池公交車，以5個加氫站組成的小型加氫站網絡為案例進行了分析計算。除此之外，國內在加氫站成本收益經濟性分析方面，基本沒有統一的建模和分析，投資方、建設方和運營商都不能同維度地比較加氫站的盈利水平，更沒有全面考慮影響加氫站的全生命周期的成本和收入要素。

本文首次基于初期投資建設階段、運營維護階段和成本回收階段等3個階段建立加氫站的全生命周期成本收益評估模型。結合加氫站的實際情況，將加氫站的全生命周期分為初期投資建設階段、運營維護階段和成本回收階段3個階段。初期投資建設階段所產生的成本是指加氫站從決策立項審批到建成投入使用運營期間所產生的全部成本，包括設備購置費、軟硬件購置費、建設工程費、土地成本及其他成本。初期投資建設階段還沒有開始運營，沒有收入來源。運營維護階段所產生的成本是指加氫站從竣工投入使用到停止加氫服務所產生的全部成本，包括制氫成本、管理費用、常規維護費用及意外維護費用。運營維護階段的收入主要由政府補貼和加氫收取的服務費。成本回收階段，本文暫不考慮難以預估的資產清理費等成本和土地、建筑的殘值收益以及未來的增值或減值影響，在此階段僅考慮設備的殘值收益。因此，加氫站的全生命周期成本主要由初期投資成本和運營成本組成，全生命周期收入主要由運營收入(加氫收取的服務費和政府補貼)和設備殘值收益組成。

2 加氫站成本收益技術路線

加氫站的技術路線主要有兩種：站內制氫技術和外供氫技術；站內制氫技術又包括天然氣重整制氫和電解水制氫。其中，電解水制氫已經應用廣泛且技術已十分成熟，歐洲大多數加氫站都采用這種技術。據不完全統計，當前國內正在運營的加氫站中，僅大連新源加氫站、北京永豐加氫站具備站內制氫能力，其余加氫站的氫氣主要來源于外部供氫。由于燃料電池汽車還沒有實現大規模運營，目前加氫站建設成本和運營成本遠遠高于傳統加油站、加氣站。從全球范圍內來看，政府和整車企業是加氫站建設的主體，政府補貼的幅度均超過50%。

本文加氫站以站內電解水制氫為例。首先根據燃料電池汽車保有量測算加氫站加氫負荷量。根據加氫站設施配建規模，可以確定加氫站設備購置成本、加氫站維修維護成本。設備購置成本結合軟硬件購置成本、建設工程成本、土地成本和其他成本，構成加氫站的初期投資成本。加氫站維修維護成本、管理成本、制氫成本則構成加氫站的運營成本。加氫站的總成本即由初期投資成本和運營成本組成。加氫站的總收入則由政府補貼和加氫服務費組成。成本收益經濟性分析的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

在以上成本和收入分析的基礎上，考慮時間因素及通貨膨脹等對加氫站成本收益的影響，建立全生命周期成本收益評估模型。

3 加氫站成本收益評估模型

本文采取全生命周期經濟性評估，分初期投資建設階段、運營維護階段和成本回收階段3個階段，對加氫站的總成本和總收入進行測算，從而實現對加氫站全面的運營經濟性分析。

3.1 全生命周期成本評估模型

通過調查分析，根據加氫站全生命周期特點，加氫站全生命周期成本由加氫站選址、設計、施工、竣工及運營等各個環節的成本鏈構成，本文將加氫站選址、設計、施工及竣工階段的成本統計為初期投資成本，將運營階段的成本統計為運營成本。本文暫不考慮機會成本的影響。加氫站全生命周期成本具體測算如式(1)所示。

(1)

式(1)中：Stotal為加氫站全生命周期成本；Siv,n為加氫站第n年的初期投資成本；Sop,n為加氫站第n年的運營成本。

3.1.1初期投資成本評估模型

(2)

式(2)中：Siv是加氫站初期投資成本的數據向量；Siv,n表示的是加氫站第n年的初期投資成本。

設備購置費Seq是指加氫站所需的各類設備進行累加，單位為元。Seq,n表示的是加氫站第n年的設備購置費。設各類設備單價為Bi，數量為Ni，要購買的設備種類為t，則設備購置費Seq計算公式如式(3)所示。

(3)

軟硬件購置費Sin是指加氫站運營需要提前購買的軟硬件系統，單位為元；Sin,n表示的是加氫站第n年的軟硬件購置費。

建設工程費Scn是指加氫站建筑建設產生的費用，包括站內房屋建筑，變電、加氫設施建筑或改造費用及消防設施等，單位為元。Scn,n表示的是加氫站第n年的建設工程費。

土地成本Sla是指購買土地的成本和契稅、征用土地的補償費等，單位為元。Sla,n表示的是加氫站第n年的土地成本。加氫站往往需要建設在城市交通人口聚集區，而城市土地寸土寸金。GB 50516—2010 《加氫站技術規范》第3.0.1條規定：“加氫站可與天然氣加氣站或加油站聯合建站”。在考慮交通熱點地區建設加氫站時，可以在已有的天然氣加氣站或加油站的基礎上進行改(擴)建。

其他成本Sot是指項目管理費用、勘察設計費、技術服務費等，單位為元。Sot,n表示的是加氫站第n年的其他成本。

3.1.2運營成本評估模型

加氫站全生命周期運營成本Sop主要由制氫成本Sh2、管理費用Sma、常規維護費用Smt及意外維護費用Sum組成。目前，燃料電池汽車保有量少，氫需求量小，用水電解制氫較為方便。假設本加氫站采取站內水電解制氫，運營成本的計算公式如式(4)所示。

(4)

由于加氫站設備壽命較長，建立運營成本評估模型時，需考慮通貨膨脹率和社會折現率對總成本的影響。假設通貨膨脹率為a(%)，社會折現率為r(%)，n(年)為設備的平均壽命。國家發改委發布的《建設項目經濟評價方法與參數(第3版)》中規定，社會折現率可取8%，通貨膨脹率可取4%[7]。

式(4)中:Sop為加氫站全生命周期運營成本(元);制氫成本Sh2.i是指第i年全年水電解制氫的用電成本和制氫設備的折舊成本(元)；管理費用Sma是指為維護整個加氫站正常運營而產生的費用(元)，主要為人工費，由于不同加氫站服務差異大，每年的管理費用預計按初期投資成本的12%測算。Sma.i是指第i年全年的管理費用。管理費用的計算公式如式(5)所示。

Sma,i=Siv×12%

(5)

常規維護費用Smt是指對加氫站所有建筑和設備進行日常維護產生的總費用(元)。每年建筑設施常規維護費用按建設工程費Scn的1%進行估算[8],每年設備常規維護費用按建設工程費Seq的3%進行估算[9]。常規維護費用的計算公式如式(6)所示。

Smt,i=Scn×1%+Seq×3%

(6)

意外維護費用Sum是指用戶使用不當或發生某些意外而產生的費用(元)。因難以預測發生意外的時間，將該費用均攤到每一年，每年平均意外維護費用Sum,i按照設備購置費的4%[9]進行估算。意外維護費用的計算公式如式(7)所示。

Sum,i=Seq×4%

(7)

3.2 全生命周期收入評估模型

通過調查分析，根據加氫站全生命周期特點，加氫站全生命周期收入由加氫站運營、設備回收及后市場等各個環節的收入鏈構成。后市場收益主要指發展加氫站周邊經濟產生的附加值，如加氫站廣告運營、預約加氫等增值服務產生的附加值。因后市場收入難以估算，本文暫不考慮后市場收入的影響。本文僅考慮運營收入和設備回收收益兩個方面。

3.2.1運營收入評估模型

加氫站的運營收入主要來自收取的加氫價格和合理的服務費。取收取的加氫價格單價與服務費單價之和為R(元)；加氫站全年總加氫量為E，單位為kg。運營收入的計算公式如式(8)所示。

Pi=R×Ei

(8)

其中：Pi是指第i年全年的運營收入(元)；Ei是指第i年全年的總加氫量。

為支持燃料電池汽車產業發展，目前政府對加氫站基礎設施實施財政補貼機制，包括中央和地方兩級補貼，設為Q，則加氫站全生命周期的總收入Iop如式(9)所示。

(9)

其中：Iop是指加氫站全生命周期的總收入(元)；Q是指加氫站的政府補貼(元)。

3.2.2設備回收收益評估模型

加氫站設備由于有形或無形磨損等原因喪失部分或全部使用價值，要對設備進行轉讓或者出賣，會產生一定的殘值收益。本文假設當設備達到報廢年限后，對設備進行報廢處理，從而得到設備的回收收益Prv,i，單位為元[10]，如式(10)所示。

Prv,i=Seq×5%

(10)

3.3 評價指標

3.3.1動態投資回收期

動態投資回收期m是指加氫站投入運營后，取得的收入總額超過(含等于)投資成本所需要的時間(年限)。動態投資回收期計算如式(11)所示。

(11)

加氫站建設前期需要高額資金投入，特別是加氫站核心設備主要依賴進口。其中加氫站初期投資成本中，關鍵設備占比接近80%。對于投資方來說，投資回收期意味著投資方能否盈利，是評價加氫站經濟性的一個重要指標，同時也是評價加氫站能否順利運營的重要指標。

3.3.2平準化加氫成本及收入

加氫站由于采取的技術路線不同或建設規模不同，動態投資回收期可能不能較好評估加氫站的盈利能力。平準化加氫成本及收入是指在全生命周期內，為用戶每提供1千克加氫服務的平均成本c(單位為元)及收入e(單位為元)，平準化加氫成本及收入分別如式(12)(13)所示。

(12)

(13)

平準化成本收益采取了類歸一化的思想，可以比較客觀反應不同加氫站的盈利能力。

4 案例計算

本文以建設一個日供氫能力為500 kg的加氫站為例進行全生命周期的成本效益分析。該加氫站可服務40輛燃料電池客車或100輛燃料電池物流車或100輛燃料電池乘用車。加氫站采用加注壓力為35 MPa。以站內水電解500 m3/ h的制氫產能為例，制氫綜合電耗≤4.55 kW·h/ m3，按照某城市大工業電價平均0.6元/ kW·h測算。假設加氫站一年工作251天，一天工作24 h，由此可計算每年制氫268.07 t氫氣。可測算每年制氫成本約為822.28萬元。

加氫站的核心設備有壓縮機、儲氫罐、氫氣加注機等。按照現在市場可采購的設備造價(含EPC總承包)水平，估計設備購置費約800萬元。加氫站占地在3 500 m2左右，某城市土地、土建和審批手續按照250萬元測算。全周期成本見表4。

表4 加氫站全生命周期成本測算

參數模式1:中央和地方政府補貼∶初期投資成本=1∶1模式2:中央和地方政府補貼∶初期投資成本=0.5∶1備注設備購置費/萬元800 800 按照現行市場采購價土地、土建、審批手續等/萬元250250各區域土地價格可能會不同軟硬件設備購置費、其他費用/萬元100100其他成本/萬元57.557.5按照前3項成本的5%進行估算電費成本單價/(元/kWh)0.60.6售氫和服務費單價/(元/kg)1.81.8中央和地方政府補貼/萬元1 207.5603.75社會折現率/%88通貨膨脹率/%44全生命周期平準化成本42.6442.64全生命周期平準化收益26.8514.34

由表4可知，加氫站的土地費用和設備購置費占初期投資成本的90%以上，同時，加氫站水電解制氫中電費占制氫成本的90%以上。

從上述測算可知，當中央和地方政府補貼∶初期投資成本=1∶1時，全生命周期平準化成本為42.64元/kg，全生命周期平準化收益為26.85元/kg。以燃料電池乘用車為例，相當于每公里能耗成本就是0.43元。通常一般的傳統燃油型乘用車平均能耗成本在0.6～1元/km左右，可見使用氫燃料電池汽車更經濟。

從上述測算可知，當中央和地方政府補貼∶初期投資成本=0.5∶1時，全生命周期平準化成本為42.64元/kg，全生命周期平準化收益為14.34元/kg。本文假設加氫站僅通過售氫、收取服務費、設備回收以及政府補貼獲得收益。燃料電池汽車未大規模推廣，因用戶加氫習慣和用戶數量的限制，使得售氫量較少，售氫和收取的服務費較低，需要加大政府補貼力度，才能縮短投資回收期。

5 建議

本文利用全生命周期分析法建立了加氫站的全生命周期成本收益經濟性分析模型，并做了案例分析。案例分析結果表明，本文建立的全生命周期成本收益經濟性分析模型是可行的，氫燃料電池汽車每km能耗成本0.43元，氫燃料電池汽車經濟性明顯優于傳統燃油汽車。同時，現階段加氫站建設成本高且收益有限，投資回收期長，不利于產業發展。加氫站的短缺始終制約著燃料電池汽車的規模化推廣，而投資者最關注的就是加氫站的經濟性，若要提高加氫站的經濟性，結合加氫站全生命周期的經濟指標，提出以下建議：

1) 制(修)訂相應的氫能與燃料電池汽車標準法規體系，包括制定車用氫氣標準、高壓氫氣運輸標準、車用儲氫容器充氫壓力法規、加氫站與加油站、加氣站的合建技術規范及審批流程。

2) 鼓勵各方社會資本共同建設加氫站。

3) 發展加氫站附加經濟，如發展加氫站廣告運營、車輛租賃、預約加氫、車輛保養以及車輛大數據等增值服務來增加加氫站的附加值，以期縮短收益周期。

4) 發揮我國燃料電池產業政策引導型的體制優勢，完善財稅和產業政策，盡快出臺加氫站的建設規范和補貼細則。

5) 加速交通熱點地區加氫站規劃建設運營，鼓勵在已有的天然氣加氣站或加油站的基礎上進行改(擴)建，建設加油、加氫、充電的“三合一”綜合站。

6) 建立企業、地方、國內、海外等四級聯動的創新研發體系，鼓勵國內企業盡快將壓縮機、儲氫系統等國產化，降低加氫站設備購置成本。