四川省甘孜地区光伏制氢产业联合开发的经济性评价及对策

张立民

中国大唐集团川藏规划发展中心， 四川 成都 610031

摘要：随着氢能在全球的火爆，光伏制氢产业也迅速被点燃。中国多地政府和企业正在通过可再生能源来制造氢气，通常称为“绿氢”。日本、德国、荷兰、澳大利亚、加拿大等国家均已开展大型光伏制氢项目的研究或投入。本文以四川省甘孜地区为例，论述在光伏资源丰富且不具备送出条件下，利用光伏发电制氢，发展新能源项目的必要性和可行性。

关键词：太阳能；光伏制氢；氢气储运

导言：

四川省太阳能资源最丰富的地区是甘孜、攀枝花一带，年总辐射量达6000兆焦耳/平方米以上，年日照时数在2400-2600小时。四川省甘孜地区受地理条件和基础设施条件影响，光伏电站的送出问题至今未能解决，是导致光伏电站造价高居不下的主要原因。笔者试图通过太阳能发电制备氢气，制氢项目与甘孜地区丰富的阳光资源高度契合，精准测算制氢和物流成本，探索一条集生产、制造、储运于一体的氢能产业链。为甘孜地区大规模光伏开发，解决甘孜地区能源消纳突出问题提供了可靠的依据。

通过实地调研，笔者设想在甘孜州西北部甘孜县及其周边地区建设光伏电站、制氢工厂设在新都桥为最佳方案，利用甘孜县至新都桥220Kv线路，将电站产生的电量输送至新都桥制氢工厂，利用汽运将氢气运送到成都销售，形成一条集生产、制造、储运于一体的氢能产业链，太阳能直接制氢的经济模式已具备一定的可能性。

1 甘孜地区的太阳能资源开发状况

甘孜州具有丰富的太阳能资源，可利用量约5600万kW。甘孜北部区主要覆盖石渠、德格、甘孜、炉霍、色达、新龙、白玉7县，大部分地区年平均太阳能辐射值超过6500MJ/m²，年日照小时数2400小时以上，在全州太阳能资源条件最好，属于全国太阳能资源二类地区，具备建设太阳能光伏电站条件。由于该地区送出问题难以解决，太阳能资源开发量不足1%。

2 关于光伏制氢技术

光伏制氢技术是将太阳能转化成电能，电能通过电解水制氢设备转化成氢气，通过将氢气输送至氢气应用终端，完成从光能能到氢能的转化。光伏制氢技术作为一种新型的生产和储能方式，技术主要涉及电氢转换和氢气输运两大关键技术，整个技术流程包括光伏发电及传输、电解水制氢系统、储氢系统和氢气输运系统。按照控制需求取电后，经过AC/DC转化，进行电解水制氢，所制的氢气先储存在中压储氢罐中，然后，通过20MPa氢气压缩机充灌到氢气管束车，根据用氢需求进行派送，或者可以将中压氢气以不高于体积比10%的浓度掺入到天然气管道中进行输送。

3 经济性评价

3.1 光伏电站的成本分析

目前，光伏电站的主要成本包括光伏组件、逆变器、光伏支架光伏汇流箱、光伏直流及交流线缆、项目设计、安装费用、系统调试、监控系统、其他不可预见费用等费用组成。基本成本计算如下表（表1）：

表1：光伏电站成本表（单位：元 /瓦）

按照以上成本测算，建设5万千瓦容量的光伏电站，成本约2亿元人民币。我们也可以推算出，当售电电价0.3元/Kwh时，全投资内部收益率达到9%。但是，我们还应该注意到，由于甘孜地区的地处高原，施工及运输等成本均高于内地。 3.2 制氢成本分析

常见的制氢技术有包括煤制氢、天然气与石油制氢、工业副产氢等，电解水制氢技术成熟度也较高，生产成本相对较低，主要有碱性水电解槽（AE）、质子交换膜水电解槽（PEM）和固体氧化物水电解槽（SOE），且有一些案例已经进入实用阶段，此外，考虑碳减排的因素，电解水制氢较化石燃料法制氢法相比更具有一定的社会效益。在电解水制氢技术中，电价是其决定因素。

若以正常工商业销售电价计算并拆分电解水制氢的成本，具体应包括资产折旧、运营费用（一般维护、电池组更换）、电费（用电、过网费）等，其中电费成本会达到70-80%，占比较高。具体如图（图1）：

图1：电解水制氢成本分布瀑布图

因此，电解水制氢最重要的成本在于电费，用电的成本决定了氢气的成本，电解水制氢工艺需要尽可能的压低电费成本。其他如折旧、运营费用，则需要通过技术进步、提升管理水平来降低，整体占比较小且是一个长期过程。

一般来讲，每生产1Nm³氢气约消耗电力3.5-5kWh，也就是说生产1公斤氢消耗电力40-62KWh，如果采用当前市场销售电价作为制氢成本，电解水技术路线是没有竞争力的。在特定收益条件下，电费成本越低，氢气成本越低，项目则更有竞争力。但如果能够使用到成本较低的电力用于制氢，即当电解水制氢的综合成本降低到约1元/Nm³（1公斤氢气电力成本大约12元）的时候，在经济性上就具有一定竞争力，低成本的电力通常情况下较难获得，但有望在弃风弃光电力消纳过程实现，这也是电解水制氢工艺路线的核心。

3.3 氢气储运成本分析

氢气目前主要通过气氢拖车、液氢槽车和氢气管道三种方式运输。国内加氢站的外进氢气均采用气氢拖车进行运输，比较适用于运输距离较近、输送量较低、氢气日用量为吨级的用户。液氢槽罐车的运输成本结构与集装管束车类似，但增加了氢气液化成本及运输途中液氢的沸腾损耗。管道运输应用于大规模、长距离的氢气运输，可有效降低运输成本。管道输送方式以高压气态或液态氢的管道输送为主。

通过对比三种运输方式成本的测算（见图2）：管道的运输成本具有明显优势，但管道运输前期投资建设成本较高，在氢能及燃料电池汽车产业成熟之前有较大风险，其运输成本受运能利用率影响，运能利用率越高越经济；气氢拖车在300公里以内运输具有成本优势，中远距离运输，液氢占优，且在400公里后液氢的成本优势大于管道运输。

图2：三种运输方式成本比较

根据实际调研，四川地区主要使用氢气的集散地为成都。笔者认为从新都桥到成都公路里程300公里，以气氢拖车方式（20MPa）储运较为合理，气氢拖车运输成本主要包括：固定成本（折旧费、人员工资等）和变动成本（包括氢气压缩耗电费、油料费等）。

假设目前国内集装管束拖车的价格约120万/台，使用年限8年。每辆拖车配备司机以及多名操作人员，人员费用共50万。拖车满载20Mpa压力氢气可达300kg，每百公里消耗柴油约27升。拖车平均运行速度假设为50km/小时，两端装卸氢气时间约8小时，年有效工作时间为4500小时；氢气压缩过程耗电1kwh/kg。经过测算，从厂址（新都桥）运输到成都（约300公里）的每公斤氢气运输成本大约为7.5元/百公里。

3.4 全流程成本分析

综上所述，我们以生产1公斤氢气为例，计算其全流程的成本及收益情况（详见表3）：

表3：全流程成本测算表

由此可以看出，当光伏提供电力成本0.4元/KWh时，全投资内部收益率大约为25%。如果光伏提供的电力成本接近0.6元/KWh时，出售氢气所得收益基本与成本持平。

氢能源应用是一个庞大的系统工程，氢能源能实现真正意义上的“零排放”，而且能量转换效率高，它被认为是未来工业可持续发展的方向之一，作为新能源汽车主要技术路径之一，氢燃料电池汽车被写入《国家创新驱动发展战略纲要》、《汽车产业中长期发展规划》等重要战略纲要中。我们还应该看到，氢燃料电池的应用市场属于朝阳产业，基础配套设施还不够完善，只有加氢站和氢燃料电池汽车的普及以及实际终端的销售价格低于化石燃料，氢能才能被未来的市场接受。

4 结论

笔者认为，利用四川甘孜地区丰富的阳光资源制造“绿氢”， 创新模式，建立一条集生产、制造、储运于一体的氢能产业链，打造甘孜州氢能源产业基地近期可行。同时，四川省甘孜地区还具备以下地域优势：

一是有效利用当地廉价电力作为电解水制氢的能量来源。目前，四川省甘孜地区水电资源丰富，但受地域限制，弃水现象严重，弃水的发电成本可降至0.15元/KWh，完全可以利用部分弃水电量开展氢气制备，将很大程度的降低成本，同时，氢气制备规模越大，其成本越低，因此大力推广可再生能源制氢并形成规模效应，将更快速推动制氢的成本下降。

二是制氢技术和储运日趋成熟。对氢能这样的新兴产业而言，不仅需要通过短期研发落实示范项目，还需要长期开展基础研发工作，如寻找理想的材料用于生产电解槽，通过材料的选择进一步降低成本，提高效能、延长维护周期等，通过大量的技术探索和研发，从电力制氢的能量转换效率提高到较高水平(60%~80%)。同时，随着川西地区交通逐步完善、氢气储运技术的进一步提高，将进一步降低储运成本。

三是光牧结合增加社会效益。目前，充分利用光伏产业与甘孜地区牧业及养殖业互补性，形成光牧结合的新型牧场（光伏电站）。积极推广“光伏+牧业”模式,既能集约利用土地,又能帮助甘孜地区的农牧民拓宽收入来源，助力当地脱贫攻坚，社会效益明显。