多因素影響下海上風(fēng)電制氫運(yùn)輸技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

摘要：隨著海上風(fēng)電制氫技術(shù)蓬勃發(fā)展，運(yùn)氫上岸作為關(guān)鍵一環(huán)，在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面都顯得尤為重要。本文研究海上風(fēng)電制氫的運(yùn)輸技術(shù)方案，建立經(jīng)濟(jì)模型，制定經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)，評價不同因素影響下運(yùn)輸技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性。仿真分析表明，該模型能有效提高風(fēng)電消納率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，具有較高的合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；風(fēng)氫耦合；經(jīng)濟(jì)性分析；運(yùn)輸

中圖分類號：TM614；TK91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.045

Economic analysis of transportation technology for hydrogen production from offshore wind power under the influence of multiple factors

QIN Zheng1， LIU Jia1， JIN Mingyue2， LIU Jing2， LUO Qin1， WANG Qiuyuan1

（1. Shanghai Investigation， Design amp; Research Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200335， China; 2. North China Electric Power University （Baoding）， Baoding 071003， China）

Abstract： With the rapid development of hydrogen production technology from offshore wind power， hydrogen transportation ashore， as a key link， is particularly important in terms of safety and economy. This paper studies the transportation technology schemes for hydrogen production from offshore wind power， establishes an economic model， formulates economic evaluation indicators， and evaluates the economic performance of transportation technology schemes under different factors. Simulation analysis shows that this model can effectively improve the wind power consumption rate， achieve maximum economic benefits， and has high rationality and feasibility.

Keywords： offshore wind power; wind-hydrogen coupling; economic analysis; transportation

全球風(fēng)能資源豐富，作為可再生能源，具有龐大的市場需求[1]。然而，風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性和反調(diào)峰等特點(diǎn)，對其大規(guī)模并網(wǎng)消納造成不利影響。考慮到能量密度、儲存運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵因素，風(fēng)電制氫成為風(fēng)電開發(fā)利用的良好方案之一，許多國家已相繼開展風(fēng)電制氫項(xiàng)目[2-3]。相較于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電資源更為豐富。近年來，海上風(fēng)氫耦合項(xiàng)目成為一大熱點(diǎn)[4-5]。隨著陸上風(fēng)氫項(xiàng)目的推進(jìn)，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性[6-8]。現(xiàn)有研究對海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目進(jìn)行多角度的探討，但未深入分析不同運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)差異。由于離岸距離、建設(shè)規(guī)模、運(yùn)營周期等因素，不同運(yùn)輸方式的成本將直接影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文建立海上風(fēng)電制氫運(yùn)輸技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)模型，分析不同因素影響下運(yùn)輸技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性，以有效提高風(fēng)電消納率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 海上風(fēng)電制氫的運(yùn)輸技術(shù)方案

海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)包括風(fēng)電場、制氫系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)三部分[9]。風(fēng)電場發(fā)電經(jīng)制氫系統(tǒng)產(chǎn)生氫氣，然后氫氣通過管道運(yùn)輸或船舶運(yùn)輸轉(zhuǎn)移至陸地，供應(yīng)給用能端。考慮到經(jīng)濟(jì)性和安全性，本文主要針對壓縮氣態(tài)氫氣展開討論。

1.1 管道運(yùn)氫技術(shù)方案

海上平臺制氫及管道輸氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。海上風(fēng)電場發(fā)電輸送到海上換流站，由交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再將電流輸送到海上制氫站，通過電解槽電解水制成氫氣，最后通過管道將壓縮后的氫氣運(yùn)輸上岸[10]。陸地運(yùn)輸管道建設(shè)技術(shù)已趨于成熟，但多用于運(yùn)輸天然氣。海上氫氣管道建設(shè)已無技術(shù)障礙，然而與天然氣管道相比，氫氣管道的建造成本更高，這主要是因?yàn)闅浯喱F(xiàn)象會隨著時間的推移對鋼材料的機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響，需要增加安全裕度[11]。同時，管道建設(shè)成本與管道長度關(guān)系密切，隨著管道長度的增大，建設(shè)成本急劇提高。采用海上風(fēng)電制氫時，離岸距離對運(yùn)輸技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的影響較大。

1.2 船舶運(yùn)氫技術(shù)方案

海上平臺制氫及船舶運(yùn)氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作流程與管道運(yùn)輸方案相似，不同點(diǎn)在于制氫站所得氫氣被壓縮后儲存在高壓儲氫罐內(nèi)，通過船舶運(yùn)輸上岸。氫氣可以在壓縮機(jī)中加壓，并以氣體的形式儲存在裝配式儲罐中，其包括高壓儲氫氣瓶、高壓復(fù)合儲氫罐、玻璃儲氫容器等，由鋼、鋁和碳纖維增強(qiáng)塑料等材料制成[12]。氫氣壓縮存儲技術(shù)難度低、成本低、過程能耗低，目前已發(fā)展十分成熟，隨著氫能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，已大規(guī)模普及應(yīng)用。

綜上所述，平臺離岸距離影響管道鋪設(shè)與船舶運(yùn)營費(fèi)用；平臺規(guī)模影響電解槽等設(shè)備成本，并間接影響輸送成本與運(yùn)營收益；平臺運(yùn)營周期較長，不同時間段內(nèi)經(jīng)濟(jì)收益累加有顯著變化。

2 海上風(fēng)電制氫運(yùn)輸技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)模型

從管道輸氫和船舶運(yùn)氫兩個角度出發(fā)，通過計算年售氫收益、設(shè)備投資成本、年運(yùn)行維護(hù)成本、設(shè)備退役拆除成本，對海上風(fēng)電制氫運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

Y=IH-C-M-N（1）

式中：Y為凈收益，萬元；IH為年售氫收益，萬元；C為設(shè)備投資成本，萬元；M為年運(yùn)行維護(hù)成本，萬元；N為設(shè)備退役拆除成本，萬元。

2.1 年售氫收益

風(fēng)電場輸出電功率高于電解槽最低輸出功率時，電解槽可正常工作，進(jìn)行電解水制氫。電解槽的制氫速率計算公式為

（2）

式中：WH（t）為制氫速率，kg/h；P（t）為風(fēng)電機(jī)組輸出功率，kW；H為氫氣的高熱值，kW·h/kg；ε為電解槽工作效率，%；η1為電解槽電源轉(zhuǎn)換效率，%；E為輔助耗能，kW·h/kg，表示每生成1 kg氫氣相關(guān)輔助設(shè)備所消耗的電能。

氫氣壓縮機(jī)工作時存在一定損耗，考慮損耗，計算一年可產(chǎn)出的壓縮氫氣總量，如式（3）所示。由此可計算一年的售氫效益，如式（4）所示。

（3）

（4）

式中：W為海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目的實(shí)際年制氫總量，kg；η2為壓縮機(jī)工作效率，%；Δt為單位運(yùn)行時間，即1 d；r為氫氣單價，萬元/kg。

2.2 設(shè)備投資成本

設(shè)備投資成本包括換流站、電解槽、氫氣壓縮機(jī)、輸氫管道、集裝管束箱、船舶等設(shè)備的采購成本及海上安裝成本，其計算公式如式（5）所示。本文涉及兩種不同的運(yùn)輸方式，具體的設(shè)備有所不同，相應(yīng)的投資成本也隨之發(fā)生變化。

（5）

式中：C1、C2、C3、C4、C5、C6分別為海上換流站、電解槽、氫氣壓縮機(jī)、管道、集裝管束箱和船舶的投資成本，萬元。

2.3 年運(yùn)行維護(hù)成本

年運(yùn)行維護(hù)成本主要考慮各設(shè)備的維護(hù)成本、損耗成本及運(yùn)行成本。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的年維護(hù)成本可由年維護(hù)費(fèi)率計算得來，再考慮到管道運(yùn)輸?shù)膿p耗成本及船舶運(yùn)輸?shù)暮哪艹杀荆瑒t可得海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)的年維護(hù)成本，其計算公式如式（6）所示。不同運(yùn)輸方式所涉及的具體設(shè)備有所不同，相應(yīng)的年運(yùn)行維護(hù)成本也隨之發(fā)生變化。

（6）

式中：m1、m2、m3、m5、m6分別為海上換流站、電解槽、氫氣壓縮機(jī)、集裝管束箱和船舶的年維護(hù)費(fèi)率，%；M4、L4分別為管道年維護(hù)成本和損耗成本，萬元；O6為船舶運(yùn)行的年耗油成本，萬元。

2.4 設(shè)備退役拆除成本

海上設(shè)備退役需要進(jìn)行拆除回收，避免占據(jù)海上空間，污染海洋環(huán)境。

2.5 經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)

根據(jù)是否考慮資金的時間價值，海上風(fēng)電制氫運(yùn)輸技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性評估可分為靜態(tài)評價法和動態(tài)評價法。

靜態(tài)投資回收期是指經(jīng)營收益所得補(bǔ)償投資成本所需要的時間，可以在一定程度上反映資金回收能力。靜態(tài)投資收益率是指海上風(fēng)電制氫年收益與總投資成本的比值，用以衡量項(xiàng)目的盈利水平。凈現(xiàn)值是指項(xiàng)目周期內(nèi)年總收益值與總投資值之差的累計值。其計算公式分別為

（7）

（8）

（9）

式中：SPB為靜態(tài)投資回收期，年；ROI為靜態(tài)投資收益率，%；NPV為凈現(xiàn)值，萬元；t為投資回報時間，年；T為投資回報總年限，年；idr為折現(xiàn)率，%。

動態(tài)投資回收期是指凈現(xiàn)值等于零時的年數(shù)。它考慮了資金的時間價值，比靜態(tài)投資回收期更為準(zhǔn)確。動態(tài)投資收益率是指凈現(xiàn)值等于零時的折現(xiàn)率。它體現(xiàn)了投資成本的使用效率，具有很大的參考價值。

（10）

（11）

式中：D為動態(tài)投資回收期，年；IRR為動態(tài)投資收益率，%。

3 案例分析

以市場調(diào)研及文獻(xiàn)資料獲得的數(shù)據(jù)為支撐，以離岸距離、規(guī)模和運(yùn)營周期為線索，對海上風(fēng)電制氫管道運(yùn)氫和船舶運(yùn)氫方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比，最后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評估。

3.1 數(shù)據(jù)分析

目前，氫氣的市場價格為39～55元/kg，本文取平均值46.93元/kg。某類型電解槽參數(shù)如表1所示。經(jīng)市場調(diào)查，我國加氫站平均建設(shè)成本為1 200萬元，其中氫氣壓縮機(jī)占比可達(dá)42%。因此，本文將氫氣壓縮機(jī)成本記為504萬元。我國陸上輸氫管道建設(shè)成本為456萬～616萬元/km，本文取平均值536萬元/km。

相同條件下，海底管道鋪設(shè)成本普遍比陸地鋪設(shè)成本高出40%～70%，本文取均值55%，即海底氫氣管道鋪設(shè)費(fèi)用為831萬元/km。

市面上，氫氣存儲容器種類繁多。單位集裝箱（TEU）船舶可運(yùn)輸17.5 t貨物（總質(zhì)量為貨物質(zhì)量的兩倍），成本為9.2萬元/TEU。管道輸氫系統(tǒng)中，年維護(hù)費(fèi)用為2.5萬元/（a·km），年損耗成本為1.4萬元/（a·km）。船舶運(yùn)氫系統(tǒng)中，其運(yùn)輸損耗可忽略不計，但存在一定的運(yùn)行費(fèi)用。參考大型集裝箱船舶海上航行耗油數(shù)據(jù)，每萬噸集裝箱船舶航行100 km耗油2 726.5 L，柴油價格取8元/L。上述海上設(shè)備安裝成本按設(shè)備價格的35%估算。海上風(fēng)電制氫管道輸氫和船舶輸氫方案的經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表2所示。參考文獻(xiàn)資料，各設(shè)備的年維護(hù)費(fèi)率如表3所示。部分設(shè)備總成本較低，年維護(hù)費(fèi)率按1%估算。

3.2 距離因素影響

裝機(jī)容量300 MW的海上風(fēng)電場在全壽命周期內(nèi)隨離岸距離變化的經(jīng)濟(jì)效益如圖3所示。船舶運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益隨離岸距離的變化較小，管道運(yùn)輸則變化劇烈。隨著離岸距離增大，影響船舶運(yùn)輸費(fèi)用的柴油費(fèi)用增量不明顯，船舶與集裝箱使用周期長，更換維修費(fèi)用可忽略不計。而管道運(yùn)輸造價極高，離岸距離直接影響管道鋪設(shè)規(guī)模。

圖3 經(jīng)濟(jì)效益隨離岸距離的變化

在離岸22 km范圍內(nèi)，管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于船舶運(yùn)輸，超過22 km后，船舶運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢則逐漸凸顯，尤其在離岸300 km情況下，兩者經(jīng)濟(jì)效益相差38%。近距離范圍內(nèi)，船舶與集裝箱購置費(fèi)用遠(yuǎn)大于同距離的管道鋪設(shè)費(fèi)用。因此，降低海上船舶運(yùn)氫費(fèi)用，提升運(yùn)輸效率，將對海上風(fēng)電開發(fā)利用起到至關(guān)重要的作用。

3.3 周期因素影響

離岸100 km的300 MW海上風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益隨運(yùn)營時間的變化曲線如圖4所示。海上風(fēng)電場離岸100 km，船舶運(yùn)輸較管道運(yùn)輸更具優(yōu)勢。本文未考慮全壽命周期內(nèi)設(shè)備老化對實(shí)際功率的影響，因此運(yùn)營時間變化時，運(yùn)輸方式帶來的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢并無明顯變化，主要與年運(yùn)維成本和年售氫收益有關(guān)。

目前，海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營壽命普遍為25年。圖4中，兩種運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)效益均隨運(yùn)營時間增長呈現(xiàn)上升趨勢。以船舶運(yùn)輸為例，年經(jīng)濟(jì)效益增長率在36%以上，投資潛力非常可觀。但是，設(shè)備投建和運(yùn)維成本仍處于較高水平，若能合理延長設(shè)備使用壽命，或?qū)Σ糠衷O(shè)備進(jìn)行翻新和回收再利用，勢必能大幅度提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目的大規(guī)模運(yùn)營。

3.4 規(guī)模因素影響

目前，國內(nèi)外啟動的海上風(fēng)電項(xiàng)目中，風(fēng)電機(jī)組容量由百兆瓦級至千兆瓦級各有不同。在100 km離岸距離與25年全壽命周期條件下，機(jī)組規(guī)模介于100～1 000 MW的海上風(fēng)電制氫不同運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)效益變化曲線如圖5所示。

在離岸100 km條件下，隨著風(fēng)電機(jī)組規(guī)模增大，經(jīng)濟(jì)效益均呈現(xiàn)上升趨勢，船舶運(yùn)輸明顯優(yōu)于管道運(yùn)輸。海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備投資成本與風(fēng)電機(jī)組規(guī)模呈負(fù)相關(guān)，在經(jīng)濟(jì)效益中占據(jù)較大比例。然而，隨著制氫技術(shù)逐步發(fā)展，制氫效率得到明顯提升。風(fēng)電機(jī)組規(guī)模越大，產(chǎn)氫量越高，售氫收益越高。因此，隨著風(fēng)電機(jī)組規(guī)模增大，項(xiàng)目總體經(jīng)濟(jì)效益不降反升。

在船舶運(yùn)輸方式中，產(chǎn)氫量的增加會提高運(yùn)輸船舶與儲氫集裝箱的成本，并間接影響船舶用油費(fèi)用。管道運(yùn)輸成本則基本不受運(yùn)氫量的影響。隨著風(fēng)電機(jī)組規(guī)模增大，管道運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益比船舶運(yùn)輸上升更快。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組規(guī)模達(dá)到2 000 MW時，船舶運(yùn)輸與管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)。

3.5 綜合對比分析

取離岸100 km的300 MW風(fēng)電機(jī)組全壽命周期25年的經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)，對管道輸氫與船舶運(yùn)氫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，如表4所示。

靜態(tài)投資回收期與動態(tài)投資回收期遠(yuǎn)小于項(xiàng)目運(yùn)行全壽命周期，兩種運(yùn)輸方案的凈現(xiàn)值都是正值。這說明現(xiàn)有技術(shù)足以支撐海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目大規(guī)模開發(fā)盈利。通過比較靜態(tài)投資回收期和靜態(tài)投資收益率，在某些場景下，船舶運(yùn)輸方案比管道運(yùn)輸方案更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。動態(tài)投資收益率大于折現(xiàn)率（5%），這說明海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目收益率大于投資成本的時間價值，投資價值較高。

4 結(jié)論

本文通過建立經(jīng)濟(jì)模型，對比分析不同因素影響下海上風(fēng)電制氫管道運(yùn)輸與船舶運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益變化。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯，投資價值較高。同時，提升相關(guān)設(shè)備使用年限和降低投建成本能大幅度提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。相同條件下，離岸距離近，則管道運(yùn)輸占據(jù)優(yōu)勢；離岸距離遠(yuǎn)，則船舶運(yùn)輸更占優(yōu)勢。運(yùn)營時間越長，對項(xiàng)目投資成本的補(bǔ)償作用越強(qiáng)。隨著風(fēng)電機(jī)組規(guī)模增大，船舶運(yùn)輸相較管道運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢逐漸消失，達(dá)到一定規(guī)模以后，管道運(yùn)輸方式開始發(fā)揮優(yōu)勢。

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