燃料电池汽车用 III 型和 IV 型储氢气瓶技术经济分析

      储氢罐市场包括乘用车和重型卡车。然而，对于这些储氢罐的经济分析不足，而这是实现市场扩张的关键要素。理论研究已经探讨了汽车和航空航天应用中的碳纤维复合材料以及储氢罐的成本。然而，基于实际技术和成本数据的分析不足。此外，基于产量对材料、劳动力、费用成本和设备投资的分析有限。本研究的目的是根据制造技术、储罐体积、类型和年产量，分析乘用车和重型卡车中与储氢罐相关的成本。此外，本研究采用成本 - 利润建模方法来确定成本、价格、投资和关键成本驱动因素，并提供目标成本、有效的制造技术和策略，以满足储氢罐市场的需求。

关键词：成本分析；成本建模；碳纤维复合材料；储氢罐；燃料电池汽车 

引言

      减少温室气体排放是防止全球变暖的关键方面。氢作为一种零碳能源具有巨大潜力，它易于储存，并能在各种应用中使用，尤其是在交通运输领域。氢能可用于减少对化石燃料的依赖，并在运输、热力、工业和电力部门开发绿色能源系统，这些部门占全球二氧化碳排放量的三分之二[1]。氢能源系统已成为化石燃料的替代品，特别是在交通运输领域，包括混合动力电动汽车、电动汽车和其他交通形式，以及便携式应用[2,3]。氢燃料电池为需要高能量密度和快速加油能力的重型车辆提供了可行的解决方案，使其适用于长途和高利用率场景[4,5]。全球氢能产业增长率为 3.06%，氢单元总数从 2014 年的 51,089 个增加到 2019 年的 59,403 个。预计到 2027 年，储氢罐市场价值将达到 350 万美元，2020 年至 2027 年的复合年增长率为 21.4%[6]。氢气储存罐是氢燃料电池系统的重要组成部分。据马德里抄本记载，此类储存罐的最早设计记录可追溯至 1495 年莱奥纳多·达·芬奇的基础实验[7]。目前，大多数储存罐由钢制成，但使用玻璃、芳纶和碳纤维增强的复合材料的趋势日益增长。由碳纤维制造的复合储存罐由于碳纤维出色的物理性能，与传统的金属压力罐相比具有重量轻的优势。然而，它们的制造过程具有挑战性且复杂[8,9]。长丝缠绕是使用连续碳纤维复合材料生产圆柱形结构的可行方法[10]。这种经济高效且自动化的技术可以降低生产成本，特别是在大规模生产的情况下[11]。因此，成本分析在碳纤维复合材料的有效利用中起着关键作用。

         成本可分为经常性成本、非经常性成本、直接成本、间接成本、可变成本和固定成本[12]。经常性成本是作为常规和持续业务运营的一部分而产生的。它们包括管理成本、债务以及支持业务运作的其他长期成本。非经常性成本不常发生，是由于特殊情况而产生的。直接成本是特定的，对于特定产品或活动容易识别。间接成本是为共同目的而产生的，对于特定产品不容易或无法具体识别。固定成本是恒定的，无论产出或活动水平如何，而可变成本则取决于活动或产出水平[13]。成本还可分为相关成本和无关成本[14]。相关成本与特定决策有关，Fabrycky 等人提出的成本细分结构[15]可用于成本分类。总产品成本或生命周期成本可分为四个部分[16]：研发、生产和建设、运营和维护以及退役和处置成本。此外，无论使用何种形状、工艺或材料，成本都应基于适用于所有选项的技术得出[17]。定性成本估算涉及现有产品和新产品的比较。相比之下，定量成本估算并非仅依赖现有成本数据或估算者的知识，而是基于对产品设计、特征和制造工艺的详细分析[18]。

       基于流程的成本建模（PBCM）由卡尔·布洛赫于 1991 年提出。它是评估不同技术和流程的合适决策支持工具。在这个模型中，每个流程的成本是使用输入数据计算的，例如工艺流程、每个流程步骤的速度和成品率、设备成本、操作次数、机器、间接人工以及工厂参数，包括操作员成本、间接人工成本、间接费用、空间成本、轮班次数和维护时间[19]。菲尔德等人提出的 PBCM 框架[20]表明，成本可以被视为诸如周期时间、停机时间、废品率、设备、维护、工具或材料等技术因素的函数。这些技术因素，包括操作效率低下，决定了给定技术输入下生产产出所需的资源数量[21]。近年来，随着储氢罐市场的扩大，各种材料和方法的生产正在被研究。然而，缺乏成本分析研究。

       本研究旨在对交通运输领域中不同容量、类型和年产能的储氢罐进行全面的成本分析。它将成本模型应用于实际制造数据；通过参数研究确定关键成本驱动因素；评估材料、劳动力、能源和投资成本；并根据年产量呈现固定成本投资成本和利润。

二、成本分析建模的文献综述2.1复合材料的成本分析建模

    基于复合材料制造工艺的成本建模领域相对较小。如表 1 所示，已经开发了几种模型来估算由先进复合材料制造的部件的成本。这些模型包括为政府承包商开发的“先进复合材料成本估算模型（1976 年）”[32]；M. Akermo 等人开发的用于估算压缩成型复合材料和夹芯部件成本的模型[22]；以及 Bader [23]、Verrey 等人[33]、Fuchs 等人[24]和 Ye 等人[25]的研究，他们探索了不同复合材料和制造工艺的成本估算和比较。Schubel [34]对使用真空灌注工艺制造的风力涡轮机叶片[35]进行了详细的技术成本分析。Weiland 等人[36]基于作业成本法的原则为直升机旋翼叶片部件开发了成本模型。Hagnell 等人[27]为航空机翼开发了复合材料生产成本估算模型。Ellringmann 等人[37]使用模块化设计方法对聚丙烯腈基碳纤维的生产成本进行建模。在长丝缠绕方面，DuVall [38]对湿树脂和预浸丝束纤维缠绕进行了成本分析。Dionoro 等人[39]提出了机器人长丝缠绕的成本估算模型，Centea 等人[28]研究了仅真空袋预浸料处理的制造成本关系。其他研究涉及碳纤维回收[29]、自动铺带、自动纤维铺放工艺[30]、结构设计权衡、生命周期评估[31]和复合门的成本核算框架[40]等主题。总之，不同的研究人员已经为复合材料制造的不同方面开发了成本估算模型并进行了成本分析，考虑了材料、劳动力、设备、能源、废物处理和运输成本等因素。这些研究有助于了解成本影响，并优化基于复合材料产品的制造工艺。

2.2氢气储存罐的成本分析和目标成本

    美国能源部（DOE）以及欧洲的一些项目，如压缩氢气储存系统（CHSS）和 COst & PERformaNces Improvement for CGH2（COPERNIC）复合罐项目，通过建模和参数研究，针对氢气储存罐提出了各种成本分析和目标成本建议。DOE[41]开展了一项降低氢气成本的计划，并报告了[42-46]其与设定目标相比所取得的成就。自 2013 年以来，对 IV 型罐的性能和成本进行了详细分析。DOE、美国 DRIVE[48]和 Villalonga 等人[49]对氢气储存罐系统的目标[47]于 2009 年[50]和 2017 年[51]进行了更新，目标指标见表 2。根据 2013 年至 2016 年开展的 COPERNIC 项目[53]，目前氢气储存罐系统的成本为 3000 欧元/千克 H2。通过优化复合材料，预计成本将降低 13%，罐的内部容积可增加 40%（从 37 升增加到 61 升）。600 欧元/千克 H2 的目标成本有望实现 。

      表2.美国能源部储氢系统目标成本和欧洲FCH-JU CHSS目标成本

     如果年产量达到 8000 台。重量容量和体积容量分别为 4.99%和 0.0221 千克/升。应当注意的是，尽管在过去几十年中，为分析复合材料和储氢罐的成本已经进行了各种尝试，但这些研究结果在实际生产成本中的应用有限，因为它们大多是侧重于制造成本的理论研究。

2.3储氢罐的类型和制造工艺

储氢罐的类型

    车辆中的储氢罐有四种类型[54,55]，如下所列。Composite Technology Development, Inc. 最近又推出了另一种类型：即无衬里的复合压力罐[56–59]。在本研究中，我们根据外包覆材料将 IV 型罐分为 IV-a 型和 IV-b 型罐。

● I 型：全金属结构。

● II 型：带有环向复合材料外包覆的金属。

● III 型：带有全复合材料外包覆的金属衬里。复合材料承担所有负载。

● IV 型：带有全复合材料外包覆的聚合物衬里。

● IV-a 型：带有全复合材料外包覆的聚合物衬里（湿缠绕工艺）。

● IV-b 型：带有全复合材料外包覆的聚合物衬里（干缠绕工艺）。

● V 型：无衬里的复合材料。

      I 型指的是全金属压力罐。II 型表示圆柱形部分带有复合材料外包覆的金属罐。III 型是带有全碳纤维或玻璃纤维外包覆的金属衬里罐。在 II 型和 III 型罐中，负载由衬里和复合层共同承担。IV 型具有带有全碳纤维和/或玻璃纤维外包覆的塑料衬里罐。在本研究中，根据长丝缠绕工艺，IV 型罐分为 IV-a 型和 IV-b 型。IV-a 型罐使用湿长丝缠绕工艺在塑料衬里上完全施加碳纤维，而 IV-b 型罐使用干长丝缠绕工艺。最后，V 型罐完全由碳纤维或玻璃纤维制成，没有任何衬里，如图 1 所示。

      储氢罐中常用的增强材料包括碳纤维、玻璃纤维以及与环氧树脂或乙烯基酯树脂的混合结构。所有类型的储氢罐都适用于储氢，其选择取决于技术性能、成本考量和应用场景。I 型储氢罐适用于压力在 150 巴至 300 巴的工业气体。这类储氢罐价格最低，但最重。与 I 型相比，II 型储氢罐更适用于更高的压力，由于其重量原因，适用于固定应用场景。III 型和 IV 型储氢罐主要用于便携式应用，在这些应用中低重量至关重要。碳纤维的低密度和高强度使得能够制造出薄而坚固的储氢罐。然而，碳纤维的缺点是价格昂贵，高速复合材料制造工艺也具有挑战性[60]。III 型和 IV 型储氢罐价格相当昂贵[61]，这导致了对制造储氢罐的成本效益方法的持续研究。目前，储氢罐已在乘用车中商业化应用。在初始阶段通常使用压力为 700 巴的储氢罐。储氢罐的数量取决于车辆布局，会使用两个或三个。为此目的，通常使用湿缠绕法制造的 IV 型储氢罐[62]。已经推出了几款燃料电池汽车，例如现代 Tucson i×35[63]（2013 年生产），在两个储氢罐中储存 140 升和 5.64 千克氢气。2021 款丰田 Mirai[64–66]（2014 年生产）在三个储氢罐中储存 142.2 升和 5.6 千克氢气。本田 Clarity[67–69]（2016 年推出）在两个储氢罐中储存 5.46 千克氢气。梅赛德斯 - 奔驰 CLS（2017 年推出）[70,71]储存 4.4 千克和 117 升氢气。2018 款现代 Nexo[72,73]在三个储氢罐中储存 156.6 升和 6.33 千克氢气[62,72–74]。现代 Xcient 是一款氢燃料电池卡车，自 2020 年 10 月开始进行了为期 2 年的测试运行，在瑞士行驶了 500 万公里。Xcient 的全面商业销售于 2022 年 12 月开始[75–78]。图 2 展示了储氢罐的示意图。

图2.燃料电池车及氢气储罐：乘用车(a) 52 L罐[79]；重型卡车(b) 175 L罐[80]；氢气储罐(c)示意图[81]。

制造工艺

      长丝缠绕工艺对于制造储氢罐至关重要。在这个过程中，可以使用玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维。由于碳纤维具有高拉伸强度，因此在储氢罐中它被优选作为增强纤维。碳纤维可以根据其模量和强度分为不同的类型[67]。在本研究中，强度超过 3 GPa 的高拉伸强度型（HT）碳纤维被用于制造 III 型和 IV-a 型储氢罐。此外，还使用了由 HT 型碳纤维制成的丝束预浸料[82]。储氢罐的一般制造工艺如图 3 所示。

        图3：氢气罐制造工艺图：(a)III型、(b)IV-a型、IV-b型

    包含塑料衬里。III 型和 IV 型储罐是车辆中氢气储存最常用的类型[76]。6061 和 7000 铝合金等级通常用于 III 型储罐。HDPE 或 PA6 衬里通常用于 IV 型储罐，它们在高压下作为气体的非结构性氢渗透屏障[77]。金属衬里通过三种不同的方法制造。

第一种方法是将深冲铝板成型为所需形状，并通过热旋压工艺形成罐颈[78,85]。

第二种方法使用坯料状板工艺。

第三种方法使用与环箍厚度相同的管，并通过热旋压连接圆顶。

     由于扩散和渗透对于确保氢气压力罐的安全非常重要，因此用于塑料衬里的材料必须满足安全和经济要求[83,86–89]。IV-a 型和 IV-b 型储罐的聚合物衬里可以通过注塑和焊接成型、吹塑和滚塑工艺制造。注塑和焊接成型是一个多步骤过程[90]，在头部注塑成型后对零件进行焊接。此过程提供高精度、稳定的尺寸和良好的机械性能；然而，焊接可能具有挑战性。吹塑是一步快速成型过程；然而，它可能导致均匀性低。滚塑是生产塑料零件的一种经济有效的方法，将聚合物放入最终衬里形状的模具中，在加热和冷却模具的同时旋转[91,92]。衬里制造商目前正在探索和实施他们的衬里制造方法[77]。

干丝束预浸料和湿长丝缠绕工艺  

     长丝缠绕是复合材料制造中常用的大规模生产方法。它涉及以预定的模式缠绕纤维以制造复合材料[93]。III 型、IV-a 型和 IV-b 型储罐使用周向（环向）、螺旋和极角的组合来包裹复合材料[94]。通常使用两种长丝缠绕技术：湿纤维缠绕和干纤维缠绕[95]。如图 4（a）所示，湿缠绕主要用于制造储氢罐。在这个过程中，使用一个固定的旋转芯轴进行缠绕，同时滑架随芯轴水平移动。滑架的臂分配预浸纤维，通常是碳纤维[96]。粗纱缠绕在芯轴上，从而形成碳纤维复合材料缠绕。碳纤维在缠绕前用树脂浸渍。芯轴在烤箱中固化，然后移除[97]。如图 4（b）所示，干缠绕涉及在受控的张力和温度下将丝束预浸料引导到芯轴上。最终在芯轴中在所需压力下使用加热器实现固结。丝束预浸料缠绕具有诸如精确控制树脂含量、减少可变性、由于高速缠绕而提高生产产量以及减少废料和清洁要求等优点。然而，它在保质期和高原材料成本方面存在局限性 。

图4.灯丝绕组示意图：(a)湿式绕组；(b)干（拖压）绕组

储氢罐的成本建模

储氢罐的几何形状、材料特性和设计

      现代汽车、丰田、本田等生产用于燃料电池电动汽车的氢气罐。具体而言，丰田 Mirai 车型配备了两个 700 巴的氢气罐，容量分别为 60 升和 62.4 升，即总容量为 122.4 升和 5 千克氢气[64,98]。现代 Nexo（2018 年）具有三个 700 巴的罐子，容量为 52 升，提供总计 6.33 千克氢气[73,99,100]。此外，诸如现代 Xcient、戴姆勒和 MAN 等重型卡车使用 350 - 700 巴、容量为 175 - 200 升的氢气罐。我们选择了两种 700 巴的氢气罐进行成本分析：一种是乘用车用的 52 升容量的，另一种是重型卡车用的 175 升容量的。III 型、IV-a 型和 IV-b 型储罐使用相同的参数进行建模。52 升的储罐设计内径为 310 毫米，衬里厚度为 5 毫米，工作压力为 700 巴。175 升的储罐设计内径为 386 毫米，衬里厚度为 5 毫米，工作压力为 700 巴。52 升和 175 升储罐的纵横比分别为 2.17 和 4.39，如图（5a 和 5b）所示。III 型储罐由铝衬里（6061-T6）与碳/环氧复合材料集成。IV-a 型储罐采用 PA6 衬里与碳/环氧复合材料相结合，而 IV-b 型储罐采用带有丝束预浸料的 PA6 衬里。每个储罐的规格、组成材料和容量列于表 3 中。

图5.氢气储罐尺寸：乘用车(a) 52 L和700 bar；重型卡车用(b)175 L和700 bar。

   在初始概念设计阶段，螺旋的角度基于衬里的形状。螺旋和环向的厚度可以使用网格理论获得。然而，当仅应用单个螺旋层时，罐中的凸台部分会变得过厚，导致总重量增加。因此，使用多个螺旋层来减小凸台部分的厚度并降低储罐的总重量。在本研究中，采用了三个螺旋层和环向层，共六层。基于文献中提供的信息，使用 6061-T6 铝和 PA6 的物理特性来分析氢气罐。III 型储罐的衬里的杨氏模量为 68.26 GPa，泊松比为 0.33，极限抗拉强度为 325.79 MPa，屈服强度为 269.85 MPa[101–107]。IV-a 型和 IV-b 型储罐的衬里的杨氏模量为 2.4 GPa，泊松比为 0.43[87,89]，如表 4 所示。

     H2550 碳纤维/环氧树脂（晓星先进材料有限公司）试样用于确定碳纤维/环氧树脂复合材料的正交各向异性性能[108]。长丝缠绕结构中的碳纤维体积分数为 65%，符合国际测试标准。丝束预浸料（TCR 复合材料）重量为 290 克/平方米，宽度为 38 毫米，纤维体积含量为 60%，密度为 1.58 克/立方厘米。复合材料中使用的增强材料为 12K H2550 碳纤维[109–111]。
     通过拉伸、压缩和剪切试验确定了湿长丝缠绕[112]（III 型和 IV-a 型）和干长丝缠绕工艺中使用的复合材料的性能。根据 ASTM D3039、ASTM D6641 和 ASTM D3528 对丝束预浸料（干）和碳纤维/环氧树脂（湿）复合材料进行了测试。如表 5 所示，丝束预浸料和碳纤维/环氧树脂复合材料的纤维方向弹性模量（E11）分别为 150.0 GPa 和 139.0 GPa。

    在分析模型中使用二维轴对称单元采用有限元方法。在轴向应用对称条件。储罐的设计标准是保持纤维方向应变小于 1.56%。III 型储罐的铝衬里能够承受 10%的内压载荷[42,103,113,114]。剩余 90%的载荷由碳纤维复合材料承担。选择 III 型储罐的碳纤维复合材料厚度，以在 90%载荷下实现 1.6%的应变。环向层和螺旋层的厚度分别为 0.3 毫米和 0.6 毫米。采用了[(±14.2°)/(90°)/(±17.2°)/(90°)/(±20.2°)]的碳纤维复合材料堆叠模式。

图 6(a)展示了 III 型、IV-a 型和 IV-b 型储罐的形状。图 6(b)、6(c)和 6(d)显示了在最大内压下的应变分布。进行了结构分析，以确定在 1610 巴的载荷下满足允许应变的厚度，基于 700 巴的工作压力考虑 2.3 的安全系数。III 型、IV-a 型和 IV-b 型储罐的厚度、重量和体积列于表 6 中。

成本分析建模

成本通过将材料选择、制造、检验和装配的成本相加来计算。总成本是材料成本、劳动力成本、能源成本和资本投资的总和。CT = CM + CL + CE + CP  （1）CM、CL 和 CE 分别是材料、劳动力和能源成本，Cp 是资本投资。CM 是原材料的成本，其计算公式为：CM = mPf /（1 ）

M为零件的质量（kg），Pf为单位质量（kg）的原料成本，s为材料废料的百分比或浪费率。CL为制造零件所需的劳动时间，其计算方法为

Pwaig是小时劳动工资率，tLi是过程i的劳动时间。CE是指衬里、灯丝绕组和固化过程所消耗的电费。能源成本与部分生产中设备的电力容量和运行时间成正比

ELi为工艺i的机器时间的能量强度，tTi为所需的运行过程时间，包括运行周期时间和设置时间，PEi为电能单价（kWh）

 复 制  重新生成  

图6：氢气储气罐（52 L）：III、IV-a和IV-b型的(a)绕组配置；III、(c) IV-a和(d) IV-b型的(b)最大应变和应力。

对于每个工艺步骤，CP分为工装、设备和建筑成本。

表6.III、IV-a和IV-b型储罐（52 L和175 L）的复合材料的厚度、重量和体积。

Ct、Ce、Cb分别表示工具、设备和建筑成本。资本投资在初始投资的基础上进行随时间分配。财务模型用于在工具、设备和建筑的使用寿命(n)内分配资本投资，并应用公共贴现率(r)。用于确定年度付款的资本回收系数由

对于给定的初始资本投资（Cteb），用于分配非统一现金流的年度资本成本（Cp）计算如下：

其中，n为投资分配的周期数（这里，ntool为3，设备为10，n建筑为30），r为10%。本研究假定当前部分所使用的所有工具、设备和建筑物都不与其他部分共享。成本分析模型中最重要的变量之一是过程率[24]。这是通过将工艺i的期望年产量（PVi）除以可用生产线时间a（LTai）来计算的。

工艺i的可用线路时间计算如下：

成本计算考虑了各种因素，包括初始投资、能源消耗和基于工艺的成本、材料、劳动力、建筑、设备、工装和维护成本。制造过程包括衬里制造、检验、灯丝缠绕、固化和装配检查。衬垫制造被分类将其放入铝或聚合物衬里工艺中，长丝缠绕分为湿缠绕和干缠绕。图 7 展示了 52 升和 175 升储罐每个工艺的周期时间、闲置时间、型腔和劳动力。衬里制造、固化和长丝缠绕工艺在制造流程中需要最多的时间和劳动力。

     我们开发了一个基于 Excel 的成本计算程序，称为“Hycost”，以预测氢气罐的制造成本，如图 8 所示。Hycost 是一个用于对与氢气罐相关的成本和投资进行建模的综合工具。它允许在实际公司的开发和投资过程中进行经济分析和决策。此外，它考虑了诸如土地和其他设施建设的资本成本等投资要求。该程序的目标是根据实际公司的要求确定制造氢气罐所需的成本、利润和投资，识别浪费或低效率，并为每种储罐类型提供详细的成本信息。它将储罐类型、体积、年生产数量、制造类型、材料成本、劳动力成本、制造费用、资本投资、公用事业成本和一般费用作为输入，输出为投资成本、销售收入、利润和单位成本。根据 3000 台、30000 台、60000 台、100000 台和 500000 台的年生产量，对 52 升和 175 升的 III 型、IV-a 型和 IV-b 型储罐的成本进行了估算。使用 Hycost 获得的结果根据年生产量和情况进行了 10％-20％的加价调整，以便与报价直接比较。表 7 列出了制造氢气罐的输入数据，包括材料、劳动力、能源、建筑、设备、模具、维护、间接费用和测试成本。此外，还考虑了一般管理费用、利率、研发成本和利润来预测销售价格。这些因素是通过与原材料和设备制造商的访谈确定的。

成本、价格和投资结果

      成本受到包括碳纤维、环氧树脂、丝束预浸料和衬里等材料的显著影响[124]。为了进行比较，2022 年与制造商讨论了低产量时碳纤维的成本，并对低年产量应用了 24.0 美元/千克的价格。我们选择了 KFR 系列（Kukdo Chemical）的环氧树脂，价格为 4.6 美元/千克。我们假设氢气罐制造商购买丝束预浸料的价格是碳纤维的 1.27 倍[38,44,125]。由于当前的商业氢气罐不使用丝束预浸料，我们假设丝束预浸料的价格为 30.50 美元。随着年产量从 3000 台增加到 500000 台，考虑了碳纤维的成本以及基于数量的购买力。与碳纤维制造商讨论后，最终假设碳纤维的成本为 20.0 美元/千克。铝衬里的材料成本设定为 6.04 美元/千克[115]。PA6 衬里的价格设定为 1.43 美元/千克[116]。

                                  图8.氢气储罐的成本树。

       基于从制造商的小批量采购，模具和凸台的价格分别被认为是 20 美元和 50 美元。在生产 30000 台 III 型（52 升）储罐的材料成本分析中，碳纤维和铝衬里的成本分别为 436 美元和 97 美元。铝衬里承担了储罐上的一部分负载[42,113]，复合材料的缠绕量为 24.3 千克，是 IV-a 型储罐（27.7 千克）的 87.7％。因此，III 型的碳纤维成本储罐低于 IV-a 型储罐。对于 IV-a 型储罐，碳纤维和环氧树脂的成本分别为 497 美元和 42 美元。IV-b 型储罐的丝束预浸料成本为 741 美元。使用碳纤维的储罐（III 型和 IV-a 型）的材料成本低于使用丝束预浸料的储罐（IV-b 型）。如图 9（a 和 b）所示，52 升（30,000 个单位）储罐的材料成本如下：III 型：601 美元，IV-a 型：668 美元，IV-b 型：883 美元。

以下因素对于计算劳动力成本很重要：基于工艺设计的缠绕速度，考虑学习曲线对劳动时间的优化，储罐类型的特点以及最低工资要求。劳动时间和生产之间的关系可以使用学习曲线来衡量，这也被称为产品改进曲线[31,126–129]。学习曲线的关键假设是随着产量的增加制造过程保持不变，学习曲线率为 0.9 [130]。湿缠绕（III 型和 IV-a 型）的速度为 60 米/分钟，干缠绕（IV-b 型）的速度为 120 米/分钟[131]。高缠绕速度可以提高缠绕机的生产率，从而提高产量并降低劳动力成本。湿缠绕过程涉及两名工人，而干缠绕过程由一名工人进行。考虑标准闲置时间，IV-a 型（52 升）储罐的总缠绕时间为 60 分钟。由于三个主轴同时运行，每个储罐的生产时间约为 20 分钟。考虑三个型腔和标准闲置时间，IV-b 型（52 升）储罐的总缠绕时间为 30 分钟，每个储罐的生产时间约为 10 分钟。基于工业生产，III 型和 IV-a 型储罐的固化时间设定为 240 分钟，IV-b 型储罐的固化时间为 60 分钟。实际工作时间包括将储罐放入和取出固化炉的 5 分钟以及三个储罐额外的 5 分钟。固化时间取决于所使用的树脂类型、衬里厚度和工作环境。最低工资是法律规定工人必须获得的最低金额，这取决于国家。

   图9.按年产量计算的700 bar氢气储罐成本：52L(a)材料成本；175L(b)材料成本；52L(c)劳动力成本；175L(d)劳动力成本；(e)52L能源成本；(f)175L能源成本；(g)52L资本成本；(h)175L资本成本。

      在韩国，最低工资委员会将 2023 年的最低工资设定为每小时 9620 韩元（7.45 美元）[117]。然而，由于制造业需要熟练工人，根据 2021 年韩国就业和劳动统计数据，本研究对制造业中设备、机器操作和装配工人应用了平均每小时 16.00 美元的劳动力成本[118]。如图 9（c 和 d）所示，对于年产量为 30,000 个单位，III 型储罐的估计劳动力成本最高，52 升的为 92.3 美元，175 升的为 219.3 美元。IV-b 型储罐的劳动力成本，52 升的为 22.9 美元，175 升的为 31.7 美元。

能源消耗数据来自韩国电力公司发布的“能源价格和税收统计”报告，该报告是经合组织-国际能源署（OECD-IEA）的一部分[119]。以经合组织所有国家的平均值 100 为基准，韩国的居民和工业用电量分别为 61 和 88。基于 2020 年的工业用电量，电费为 0.094 美元/千瓦时。使用方程 3 来确定能源成本。由于铝衬里工艺需要高温处理，其能源成本最高。其次是固化和缠绕工艺。52 升 III 型储罐（30,000 个单位）的能源成本为 49.3 美元。这是由于制造铝衬里需要大量的能源。相比之下，相同容量的 IV-a 型储罐的能源成本为 13.2 美元。需要注意的是，52 升 IV-b 型储罐的能源成本相对较低，为 6.6 美元。这是由于 IV-b 型储罐所采用的干缠绕和固化工艺周期较短，如图 9（e 和 f）所示。该分析表明不同的制造工艺对能源消耗有显著影响，并强调了在生产中需要仔细考虑和优化能源使用。资本投资成本包括设备、建筑、维护和模具成本。设施的年产能基于每天两班每班 8 小时的工作时长。初始设施投资成本通过考虑 10 年折旧期和 10％的利率来计算。每种储罐类型（52 升 30,000 个单位）的初始资本投资成本，包括建筑和设备成本，如下：III 型：3100 万美元，IV-a 型：700 万美元，IV-b 型：600 万美元。生产 52 升 III 型和 IV-a 型储罐（30,000 个单位）需要三台长丝缠绕机和三个固化炉。然而，IV-b 型储罐只需要两台长丝缠绕机和三个固化炉。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的设备成本如下：III 型：82.5 美元，IV-a 型：23.4 美元，IV-b 型：19.2 美元。建筑成本根据 30 年的建筑回收期和 30％的闲置空间计算，厂房的建筑成本为 615 美元/平方米[132]。根据韩国工业园区[120]的情况，假设为 300 美元/平方米的平均年土地购置成本未包含在本研究中。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的建筑成本如下：III 型：55.7 美元，IV-a 型：10.6 美元，IV-b 型：9.3 美元。模具成本通过将模具折旧价格在其使用寿命内除以在此期间生产的组件数量来确定[26,27]。在本研究中，模具成本是基于 50,000 个储罐的折旧计算的。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的模具成本如下：III 型：10.1 美元，IV-a 型：2.9 美元，IV-b 型：2.4 美元。维护成本是指与维护公司设施或设备相关的一次性或经常性成本。这些成本受设备类型、工作条件、总使用时间和使用寿命的影响。在本研究中，维护成本被认为是年度设备成本的 10％[30]。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的维护成本如下：III 型：16.6 美元，IV-a 型：4.1 美元，IV-b 型：3.4 美元。在年度总资本成本分析中，衬里制造、长丝缠绕和固化工艺的成本最高。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的资本投资成本如下：能源消耗数据来自韩国电力公司发布的“能源价格和税收统计”报告，该报告是经合组织 - 国际能源署（OECD - IEA）的一部分[119]。以经合组织所有国家的平均值 100 为基准，韩国的居民和工业用电量分别为 61 和 88。基于 2020 年的工业用电量，电费为 0.094 美元/千瓦时。使用方程 3 来确定能源成本。由于铝衬里工艺需要高温处理，其能源成本最高。其次是固化和缠绕工艺。52 升 III 型储罐（30,000 个单位）的能源成本为 49.3 美元。这是由于制造铝衬里需要大量的能源。相比之下，相同容量的 IV - a 型储罐的能源成本为 13.2 美元。需要注意的是，52 升 IV - b 型储罐的能源成本相对较低，为 6.6 美元。这是由于 IV - b 型储罐所采用的干缠绕和固化工艺周期较短，如图 9（e 和 f）所示。该分析表明不同的制造工艺对能源消耗有显著影响，并强调了在生产中需要仔细考虑和优化能源使用。资本投资成本包括设备、建筑、维护和模具成本。设施的年产能基于每天两班每班 8 小时的工作时长。初始设施投资成本通过考虑 10 年折旧期和 10％的利率来计算。每种储罐类型（52 升 30,000 个单位）的初始资本投资成本，包括建筑和设备成本，如下：III 型：3100 万美元，IV - a 型：700 万美元，IV - b 型：600 万美元。生产 52 升 III 型和 IV - a 型储罐（30,000 个单位）需要三台长丝缠绕机和三个固化炉。然而，IV - b 型储罐只需要两台长丝缠绕机和三个固化炉。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的设备成本如下：III 型：82.5 美元，IV - a 型：23.4 美元，IV - b 型：19.2 美元。建筑成本根据 30 年的建筑回收期和 30％的闲置空间计算，厂房的建筑成本为 615 美元/平方米[132]。根据韩国工业园区[120]的情况，假设为 300 美元/平方米的平均年土地购置成本未包含在本研究中。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的建筑成本如下：III 型：55.7 美元，IV - a 型：10.6 美元，IV - b 型：9.3 美元。模具成本通过将模具折旧价格在其使用寿命内除以在此期间生产的组件数量来确定[26,27]。在本研究中，模具成本是基于 50,000 个储罐的折旧计算的。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的模具成本如下：III 型：10.1 美元，IV - a 型：2.9 美元，IV - b 型：2.4 美元。维护成本是指与维护公司设施或设备相关的一次性或经常性成本。这些成本受设备类型、工作条件、总使用时间和使用寿命的影响。在本研究中，维护成本被认为是年度设备成本的 10％[30]。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的维护成本如下：III 型：16.6 美元，IV - a 型：4.1 美元，IV - b 型：3.4 美元。在年度总资本成本分析中，衬里制造、长丝缠绕和固化工艺的成本最高。每种类型储罐（52 升 30,000 个单位）的资本投资成本如下：

图10.700巴氢气储罐的生产成本明细表：(a) 52 L；(b) 175 L。

对于 500,000 个 IV-a 型储罐，52 升储罐的每千克氢气储存容量成本计算为 9.6 美元/千克 H₂，175 升储罐为 9.5 美元/千克 H₂。这些成本低于表 2 中提供的美国能源部（DOE）和 CHSS 的最终和 2030 年目标成本值，并且随着容量增加成本降低。需要注意的是，本研究中的成本计算不包括阀门、调节器、包装和运输，这对直接比较造成了限制。假设 BOP 成本约为总成本的 30%，则每千瓦时的成本应低于 7 美元。Hycost 用于对实际应用中的储罐进行全面的成本计算和投资需求的详细分析，包括土地、工厂设施和设备。例如，对年产量为 30,000 个的 175 升 IV-b 型储罐进行了成本分析，考虑了包含材料成本、劳动力成本、费用和一般管理费用 3％的利润率。储罐成本为 2,353 美元，价格为 2,586 美元。相应的初始投资约为 1000 万美元。投资包括 640 万美元的设备（四台长丝缠绕机和三个烤箱）和 360 万美元的建筑投资（面积 5,880 平方米）。Hycost 允许对相同产量的 III 型和 IV-a 型储罐的成本、价格和投资进行比较分析。为了验证 Hycost 分析技术和结果，与美国能源部（DoE）在 2022 年公布的结果进行了比较。对于每年 50 万个的产量，52 升的 IV-a 型储罐估计为 9.6 美元/千瓦时，IV-b 型为 9.6 美元/千瓦时。对于 175 升的储罐，IV-a 型估计为 8.4 美元/千瓦时，IV-b 型为 9.5 美元/千瓦时。与美国能源部 2022 年公布的 147 升储罐的成本 9.9 美元/千瓦时相比，这些数字显示出 3％的差异。考虑到汇率等变量，这证明了 Hycost 分析技术的卓越性。

结论

    我们分析了影响储氢罐成本的关键因素，并对成本进行了优化。诸如碳纤维、环氧树脂、丝束预浸料和衬里等材料成本，对总成本有显著影响。劳动力、能源消耗、资本投资和间接成本都经过了考察。对这些因素的详细了解可以提高生产中的成本效率和财务效益。此外，为了使干缠绕的成本与湿缠绕相比具有竞争力，丝束预浸料的价格应与碳纤维的价格相近。开发了 Hycost 程序用于对与储氢罐相关的成本和投资进行建模。该程序通过考虑容量、衬里类型、制造工艺和产量等各种因素，准确计算储氢罐的成本。它还纳入了决定定制销售价格的投资要求和特点。Hycost 是储氢罐公司在开发和投资过程中进行经济分析、决策和效率提升的有价值工具。需要注意的是，储罐的制造成本取决于其容量、设计和类型，因此需要在工厂和制造设备方面进行大量投资。我们的研究不仅预测了成本，还预测了投资和利润。我们开发了一个全面的成本 - 利润模型，以估计各种类型储罐的单位成本和投资。该模型通过提供有关储罐生产经济方面的有价值见解，有助于在成本估算和投资规划方面做出明智决策。未来，应该分析不同容量和类型的储罐的成本、投资和盈利能力。此外，应研究设计和材料的优化、提高效率的技术进步、探索环保生产方法以及降低成本和实现利润最大化的战略方法。这些努力将有助于氢能产业的发展和实现可持续的环保未来。本文来源：Techno-economic analysis of type III and IV composite hydrogen storage tanks for fuel cell vehicles