氫-水逆向運輸系統工程的方案設計及可行性分析

麻林巍， 韓儲銀， 李卓然， 李 政， 倪維斗

(1.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084；2.國家電力系統重點實驗室，北京 100084)

針對日益嚴峻的氣候變化與可持續發展挑戰，我國亟待發展清潔、低碳的新型燃料和化工原料來替代傳統的煤炭、石油產品和天然氣。而氫能是一種重要的替代選項，大力發展氫能也已經成為國家戰略,“十四五”規劃中明確將氫能列入“未來產業”規劃之中[1]。從氫能生產的未來方向來看，來自非化石能源的“綠氫”無疑將是發展重點[2]。

利用風、光等可再生能源發電來進行電解水制氫將是一種大規模制取“綠氫”的重要途徑，然而該途徑面臨著我國能源資源和水資源呈區域逆向分布的挑戰。經濟發達的東部地區對綠氫有著巨大的需求，而風、光資源卻主要分布在經濟欠發達的西部地區。與此同時，西部地區水資源高度匱乏，限制了大規模電解水制氫的發展，而東部地區水資源豐富。為解決這一區域逆向分布挑戰，需要在跨區域合作的系統工程設計和運營上探索創新。

為此，首先提出了氫-水逆向運輸的系統工程設想：(1)建設橫跨東西部的輸水管道，將東部相對豐富的水資源調運至西部，解決西部水資源匱乏的問題；(2)在西部利用風、光電力電解東部運來的水來制氫，將制得的“綠氫”通過輸氣管道輸送至東部地區消費。由此形成“東水西送、西氫東送”的大循環，通過跨區域合作來促進“綠氫”的大規模開發利用。其次，筆者針對該設想開展了結合區域實際情況的工程方案設計，并建立了物質能量平衡模型，然后進行核算。最后在此基礎上進一步建立了經濟性模型，進行了技術經濟性評估和多種商業運營模式的分析。

1 研究現狀與研究方法

所提出的氫-水逆向運輸系統工程設想是結合國情的原創性想法，經調研，在國內外尚未發現類似的文獻和工程。然而在可再生能源電解水制氫、跨區域輸氫和跨區域水資源運輸這些方面，各自都有一些可參考的文獻和工程。

在電解水制氫方面，楊昌海等[3]對以電解水制氫為核心制取原理的制氫-加氫站進行了年收益模型分析，研究結果顯示制氫-加氫站項目在低電價情況下具有比較好的收益效應，且氫氣價格相對于電價對該項目經濟性的影響更大。張軒等[4]從氫能供應鏈出發，分別對制氫、運氫和加氫站成本進行了計算，發現運輸和加注環節成本較高，占到總成本的60%。而且隨著技術進步，“綠氫”會占據主流市場，達到一個臨界點后成本會快速降低，產業進入大規模發展階段。Chai等[5]研究認為，當電價低于0.3元/(kW·h)時，可再生能源電解水制氫成本與煤制氫成本相當。但整體來看，國內對于跨省份、多主體的大型電解水制氫工程的經濟性研究分析較少。

在跨區域輸氫方面，管道運氫是長距離運輸的關鍵手段，其研究熱點是天然氣摻氫運輸。綜合若干學者的研究[6-8]，將天然氣內摻混氫氣的體積比例控制在 5%～15%范圍內，在運輸過程和終端利用的安全性、市場化方面是比較適宜的。結合本文設想，若利用“西氣東輸”的現有天然氣管道來進行大規模、長距離輸氫，可以大大降低基礎設施建設的成本。

在跨區域水資源運輸方面，多個國家已經有相關工程項目。例如，美國加州的“北水南調”工程是美國甚至世界最大的調水工程[9]；我國的“南水北調工程”總長度達4 350 km，實現了中國水資源的合理配置格局[10]。這些工程都為水資源跨區域運輸積累了經驗，可供本工程參考。

整體來看，所提出的氫-水逆向運輸系統工程在上述各環節已有一定的研究基礎和工程實踐，但缺乏綜合這些環節的系統集成設計和定量評估。

為解決這一問題，參考Li等[11]提出的關于多能協同技術的“物理建模-經濟性建模-商業模式分析”的三段式方法，筆者提出了適合研究該系統工程的“方案設計和物理建模→單主體運營模式經濟性建模→多主體運營模式分析”的三段式分析方法，該方法框架如圖1所示。在方案設計和物理建模部分，結合東、西部具體情況提出可行的工程方案，并開展物質和能量守恒驗證，計算整體物質和能量效率；在經濟性建模部分，主要采用凈現值(NPV)方法進行技術經濟評估，并完成單主體運營模式的計算；在多主體運營模式分析部分，進一步計算不同商業模式情景下各主體的成本和收益情況，并進行比較分析。

圖1 本文的研究框架圖Fig.1 Research framework of this paper

2 方案設計和物理建模

2.1 方案設計

根據氫-水逆向運輸系統工程的設想及文獻調研情況，提出的原則性流程為：首先，以修建輸水管道的方式將水資源從東部地區運輸至西部地區，大部分供給西部地區生產生活使用，小部分用于電解水制氫產業；其次，在西部建設電解水制氫工廠，利用當地豐富的可再生能源發電，制取氫氣；最后，將電解水制得的氫氣摻混入天然氣管道，通過高壓管道輸送的方式運回東部地區，銷售給下游的化工企業等用戶。

因長距離氣體管道運輸均為高壓運輸，故在氫氣進入輸氣管道前需要利用特種的氫氣壓縮機升壓，然后進入天然氣管道摻混運輸。在東部下游段，利用變壓吸附分離(PSA)技術將氫氣與天然氣分離，再將分離提純后的氫氣銷售給東部地區。具體設計方案如圖2所示。

圖2 本工程的物理系統設計方案Fig.2 Design scheme of physical system in the project

2.2 質量和能量守恒方程的推導

由于該系統是涉及多個環節的復雜系統，其中存在工質種類發生變化、物質損失等多類現象，因此為推導方便，將全系統按照環節發生的先后順序分割為不同的子過程，具體過程已在圖2中標出，如1～5過程。

其中，在氫氣壓縮環節，由于壓縮機密封性好，因此將該過程視為無物質損失過程，且壓縮機有保溫層，壓縮過程快，可近似視為壓縮過程未與外界發生熱量交換，即無能量損失。

對系統1→2、2→3、3→4、4→5過程的質量(m)守恒推導結果分別為：

mH2O,初始=mH2O,進入電解+mH2O,銷售+mH2O,管道損失

(1)

mH2O,進入電解=mH2,1.5 MPa+mO2+m電解水物質損失

(2)

mH2,1.5 MPa=mH2,8 MPa+mH2,管道損失

(3)

mH2,下游=mH2,8 MPa-mH2,分離損失

(4)

將以上各子過程質量守恒方程進行總體加和并化簡，即可得到全系統的質量守恒方程：

mH2O,初始=mH2,下游+mO2+mH2,分離損失+

mH2,管道損失+m電解水物質損失+mH2O,銷售+mH2O,管道損失

(5)

對系統1→2、2→3、3→4、4→5過程的能量(q)守恒推導結果分別為：

-q輸水管損=(h2-h1)+gx(z2-z1)-w泵,輸水管道

(6)

w電解水-q電解水耗散=uH2+uO2-uH2O

(7)

-q輸氣管損=(h4-h3)+g×(z4-z3)-w壓縮機

(8)

-qPSA設備管損=(h5-h4)-wPSA設備

(9)

式中：h為焓值；g為重力加速度；z為高度；w為機械功；u為內能。

將以上各子過程能量守恒方程進行總體加和并化簡，即可得到全系統的能量守恒方程：

w泵，輸水管道+w電解水+w壓縮機+wPSA設備=

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

q輸水管損+q電解水耗散+q輸氣管損

(10)

2.3 子環節設計

由于缺乏現成的輸水管道，故本工程中的輸水管道擬采用新建方式。考慮到輸水與用氫需求，管道的起點城市應當具備豐富的水資源且擁有密集的化工產業園區，經綜合考慮選定為上海市。一方面，上海位于長江入海口處，具有豐富的水資源，據統計，2020年上海太湖流域來水量201.8億m3，長江干流來水量11 620億m3，可滿足調水需求[12]；另一方面，在上海南部的金山區和奉賢區，專門設有化學工業區，這些區域化工企業密集。同時，甘肅省酒泉市具有風力資源豐富、風電裝機規模大、風電消納困難的特點，因此將其選定為管道終點。輸水管道設定為直線軌跡。

經實際地圖測距，管道全長2 324.8 km。參考美國加州“北水南調”工程、我國“南水北調”東線工程及“南水北調”中線工程的實際數據，對管道造價進行估算，得到海拔差與造價的關系式。擬合結果如圖3所示。

圖3 輸水管道造價函數擬合曲線Fig.3 Fitting curve of water pipeline cost function

本工程中，上海市和酒泉市的海拔差為1 478.8 m，代入擬合公式可得到噸單位公里造價為0.019 2元。考慮到上海—酒泉線的輸水管道較長，經綜合考量，將管道運水量設定為20億m3/a，通過計算得到輸水管道造價估計值為893億元。電解水裝置部分的數據輸入情況如表1所示，部分數據由政策文件及統計年鑒取得[13-14]。

在氫氣壓縮機選擇上，目前市場上主要有液驅壓縮和隔膜壓縮2種類型，其中隔膜壓縮機壽命短、性能低，故本研究采用液驅壓縮機[15]。氫氣壓力從1.5 MPa壓縮到8 MPa，壓縮比為5.33，采用二級壓縮方式。

在輸氣管道的方案選擇上，氫脆等現象的存在使得氫氣的管道運輸成本高于天然氣的管道運輸成本[16]。本工程擬采用租賃現有西氣東輸天然氣管道的摻混運輸方式。關于管道氫氣損失問題，由于氫氣的滲透率大于天然氣，摻氫運輸的過程中會產生氫氣損失，比例一般小于3%[17]。綜合考慮后，本案例中將天然氣管道損失的比例取為2%。管道租賃價格采用固定資產租賃價格理論公式推導得到。

輸氣管道部分的輸入數據如表2所示。

表1 電解水裝置部分的數據輸入匯總表Tab.1 Summary sheet of data input of electrolytic water device

表2 輸氣管道數據輸入匯總表Tab.2 Summary sheet of data input of gas transmission pipeline

在氫氣分離技術方面，國內的主要氫氣分離方法包括變壓吸附分離技術、膜分離法和深冷分離法[18]。本工程中，考慮到產生的氫氣產品最終將以商品投向市場，對商品化氫氣的純度要求較高，如對于化工企業，用氫的純度一般需要大于99.9%[19]。因此，選擇變壓吸附分離方法作為下游氫氣的分離方法。數據輸入如表3所示，數據系文獻及市場調研后得到[20]。

2.4 物質和能量效率估算

以年度流量為例，全系統質量流動分布的計算結果如表4所示。

表3 變壓吸附分離部分的數據輸入匯總表Tab.3 Summary sheet of data input of PSA separation part

表4 全系統質量流動分布情況計算表Tab.4 Calculation table of mass flow distribution of the whole system

定義不考慮氧氣產物的全系統物質效率(ηm)如下：

(11)

代入相關參數計算得到全系統物質效率為93.563 2%，質量損失主要發生于輸水管道的漏水損失。

在能量效率方面，全系統能量輸入和能量輸出的計算結果如表5和表6所示。

表5 全系統能量輸入情況計算表Tab.5 Calculation table of power input of the whole system

定義全系統的制氫能量效率(ηe)為：

(12)

計算可得全系統制氫能量效率為44.25%，全過程的主要能量損失來源于電解水過程熱損失和分離過程氫氣能量損失。

表6 全系統能量輸出情況計算表Tab.6 Calculation table of power output of the whole system

3 單主體運營模式經濟性建模

3.1 評估方法

工程項目的技術經濟評估中通常使用的方法有凈現值方法和內部收益率(IRR)方法。由于本項目屬于能源項目，在需求端具有較強的確定性，理論上凈現金流預測的精確性較高。對于此類項目，普遍更傾向于使用NPV方法[11]。因此本工程采用NPV方法作為經濟性計算方法。

NPV方法中首先取定貼現率，將未來期間的凈現金流貼現至當期后再減去初始投資，差值即為項目凈現值。當凈現值為正值時認為該項目增加了企業的價值，應當進行投資；凈現值為負時不應當進行投資；凈現值為零時，項目盈虧平衡，是企業勉強可進行投資的凈現值點，當然企業也可以選擇拒絕投資。

3.2 輸入參數

本案例中，假定初始投資發生于工程建設期的末端時刻，即工程運營期的初始時刻。

工程運營期內第i年的現金流量計算公式為：

Ai=(Bi-Ci)·(1-T)+Di·T

(13)

式中：Ai為工程運營期內第i年的現金流量；Bi為第i年的銷售現金流入；Ci為第i年的銷售現金流出；Di為第i年的工程總折舊金額；T為企業所得稅稅率。

本工程凈現值NPV為：

(14)

式中:A0為工程初始投資；r為貼現率；年數指標0表示工程初始節點，在本案例中設為第1年年初；i∈[1,20]。

經濟性計算中的通用數據輸入如表7所示。

表7 經濟性計算的通用數據輸入匯總表Tab.7 Summary sheet of general data input of economic calculation

3.3 單主體運營模式計算

單主體運營模式即工程全流程由單一企業運作的模式,該模式的示意圖如圖4所示。單主體運營模式下，經濟性計算數據輸入如表8所示。凈現值計算過程如表9所示。

由式(14)計算可得，整體工程的凈現值為-701.35億元，此凈現值為負且絕對值金額巨大，意味著該工程的投資價值較差，需要政府給予大量資金補貼。凈現值為負的主要原因在于輸水管道造價過高，同時單企業主體需負責全系統各項業務，對企業的綜合運營能力挑戰較大。

圖4 單主體運營模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of single entity operation mode

表8 單主體運營模式下經濟性計算數據輸入表Tab.8 Input table of economic calculation data under single entity operation mode 億元

4 多主體運營模式分析

為了進一步探索該工程在商業運營上的可行性，引入多主體運營模式，并就不同運營模式下對各企業主體的成本和收益進行分析。

4.1 “基礎設施主體+雙區域主體”模式

考慮到該工程屬于跨省工程，而不同區域的情況不同，區域內企業進行域內自我管理的模式應與各省的現實情況相適應。基于以上考慮引入“基礎設施主體+雙區域主體”的多主體運營模式，主要過程為：基礎設施主體A負責輸水管道的建設，并從上海地區取水運輸至西部地區銷售。同時主體A從酒泉區域主體B處購買其在當地生產的氫氣，通過租賃管道的方式將氫氣運往上海地區，將氫氣銷售給上海區域主體C；區域主體B為甘肅省內企業，主要業務為電解水制氫；區域主體C為上海市企業，從基礎設施主體A處購得氫氣，分離提純后將氫氣向市場銷售。該模式的示意圖如圖5所示。

由于本模式是假設性的，存在企業間氫氣內部價格，而該價格尚無市場參考依據。因此設圖5中1、2、3點處的價格分別為氫氣單價1、2、3。氫氣單價1和氫氣單價2的取值方法為：令區域主體B的工程凈現值恰好為0元，確定氫氣單價1；令區域主體C的工程凈現值恰好為0元，確定氫氣單價2。根據上述原則所確定的氫氣單價1為2.035 5元/m3，氫氣單價2為10.825元/m3。氫氣單價3存在市場參考依據，取為14.81元/m3(與單主體運營模式下的氫氣價格取值一致)。

表9 單主體運營模式下項目凈現值計算表Tab.9 Calculation table of project net present value under single entity operation mode

基于上述氫氣單價，計算可知基礎設施主體A的工程凈現值為-701.33億元，經濟性較差，不具備投資價值。

為使工程具備可行性，政府一方面可進行資金補貼，為主體A提供約701億元的補貼。另一方面，政府可政策性地提高氫氣價格，將氫氣單價提高到68元/m3，而上海當前氫氣最高單價為37元/m3，漲幅達到了83.8%。

但是，這2種方案現實可行性均較低。若政府為本項目提供大額補貼資金，會帶來沉重的財政負擔，在現實操作層面也充滿不確定性。氫氣作為用于工業的非日常所需商品，當前均采用市場化定價方式，若采取通過國家手段統一價格的做法，不利于維護社會主義市場經濟秩序。

4.2 專業化分工模式

由于業務類型涵蓋運輸水業務和氫氣產、運、售等多個不同環節，故引入一種專業化分工的模式，以工程流程為序，將不同的業務環節分拆給不同主體運營。具體的運營模式如圖6所示。

在專業化分工模式中，主體A主要負責運輸水業務，修建輸水管道后從上游地區引入水流，運輸至下游地區進行銷售。區域主體B為西部地區專業的電解水制氫行業企業，向上游主體A購買水資源后，利用電解水設備制取氫氣并加壓。企業主體C為上海地區的氣體企業，通過輸氣管道的租賃將西部地區產生的氫氣運輸回上海銷售。

圖5 “基礎設施主體+雙區域主體”模式示意圖Fig.5 Schematic diagram of operation mode of "infrastructure subject and dual regional subjects"

通過實際測算，可確定氫氣單價4為2.035 5元/m3，氫氣單價5為3.706 5元/m3。如前述過程，通過經濟性建模和計算得到運售水主體A的工程凈現值為-864.45億元，工程經濟性較差，不具備投資價值。

為使項目具備可行性，政府一方面可以通過財政調撥將區域主體C的盈余現金流量轉移至主體A，并提供約692億元補貼以改變主體A的經濟性。另一方面，政府還可將運輸水有選擇性地銷售給工商業及服務業用戶等高端行業，以提升售水價格。

專業化分工的模式下，各主體負責單一業務，可最大程度上實現專業化經營。政府作為中間管理者，可以通過財政調撥將現金流量在企業間均勻分配，使得各主體更加均勻地分攤成本與收益，同時所需提供的補貼資金也有所降低，這一模式有利于充分調動參與方的積極性。引導調水資源銷往高端行業的方式在目前政府機構所管轄的范圍內具備基本的可行性。因此，本文的初步模式建議為專業化分工模式。

5 結論和建議

(1) 全系統氫的物質效率為93.563 2%，質量損失主要源自輸水管道漏水；全系統制氫的能量效率為44.25%，能量損失主要源自電解水過程熱損失和氫氣分離能量損失。

(2) 單主體運營模式下的凈現值為-701.35億元，需要政府給予大量資金補貼。同時，單主體運營涉及多個業務板塊，對單個企業的綜合運營能力提出了挑戰。

(3) “基礎設施主體+雙區域主體”模式下，區域主體B和C的工程凈現值良好，而基礎設施主體A的經濟性較差，需要政府補貼約701億元或利用政策將氫氣價格提高至68元/m3，但這2種方案的現實可行性均較低。

(4) 專業化分工模式下，制氫企業主體B和運售氫企業主體C的工程凈現值良好，運售水主體A經濟性仍然較差。政府可考慮“財政調撥+補貼”的方式改變主體A的經濟性，或將運輸水有選擇性地銷往工商業及服務業用戶，以此提升水價。這2種方案在現實中具備基本可行性。因此，本文建議實施專業化分工的運營模式。

下一步，建議對該工程的實施可行性進行進一步論證，同時研究將氫氣在西部地區合成為甲醇，將甲醇作為能量載體運輸回東部地區的方案。