燃料电池电动汽车加氢站设计、运营及平准化成本综述
本文来源：AnOverviewonTheDesign,OperationandLevelizedCostsofHydrogenRefuellingStationsforFuelCellElectricVehicles一、引言在全球应对化石燃料市场波动和环境污染的大背景下，氢经济迅速崛起，而交通运输领域向氢燃料的转型成为关键。燃料电池电动汽车（FCEV）技术的成熟为这一转变奠定了基础，但FCEV的商业可行性在很大程度上依赖于加氢站（HRS）的普及和氢气成本的降低。本文旨在为利益相关者、政策制定者和投资者提供全面的氢运输经济概述，助力其做出明智决策。二、燃料电池电动汽车（FCEV）（一）行业地位与优势汽车行业是经济的重要驱动力，但传统燃油车消耗大量能源并产生碳排放。氢燃料电池电动汽车作为清洁可持续的替代方案，其车载燃料电池能将氢气电化学转化为电能，仅产生水和热，在驱动架构上与电池电动汽车（BEV）类似，却具有独特优势。在续航方面，如NikolaOne车型搭载70kg氢气（700bar压缩）可续航达800km，远超部分BEV车型；加氢时间也更快，且能利用现有气体或水网基础设施灵活制氢，在长距离运输和公共交通领域（如卡车、公交车、火车、渡轮等）具有经济优势。（二）全球发展态势各国积极推动FCEV发展。中国目标明确，计划到2030年使FCEV保有量达百万辆，并建设1000座加氢站，其强大的国内市场需求和低成本技术进步能力为FCEV发展提供有力支撑，预计到2035年新能源汽车市场份额超50%，FCEV将占据重要地位。美国凭借政策支持，在FCEV市场也占有显著份额，政府致力于减少碳排放和推广可再生能源技术，促进了FCEV的生产与销售。日本虽当前市场份额适度（2020年仅占140万辆电动汽车销量的0.1%），但政府设定2035年电动汽车100%的目标，有望推动FCEV进一步发展。德国在2022年乘用车FCEV数量为2364辆，相比其140多万辆BEV数量较少，且面临基础设施不足的问题。（三）面临的挑战尽管FCEV有诸多优势，但其在运营和维护成本方面面临挑战。与柴油发动机相比，氢燃料电池公交车和卡车在成本上并不占优，维护成本甚至更高。研究表明，氢燃料电池车队的维护成本是旧压缩天然气（CNG）车队的2.5倍，且在能源效率上，氢燃料电池公交车（60-70%）低于电池电动公交车（85-90%）。三、氢生产技术（一）主要生产途径全球氢气需求持续增长，2020年达9000万吨，主要由化石燃料制氢满足。其中，蒸汽甲烷重整（SMR）是主流工艺，约2400亿立方米天然气（占2020年全球天然气需求的6%）用于SMR，生产了全球60%的氢气；煤炭在中国等国家的氢生产中也较为重要，占全球氢产量的19%。这些化石燃料制氢过程产生大量二氧化碳排放，2020年近9亿吨，占全球能源和工业二氧化碳排放量的2.5%。除化石燃料外，水电解制氢是清洁途径，但面临高成本挑战，其最小电解水能耗为4.4kWh/kg。随着市场对水电解系统需求的增长，碱性电解和聚合物电解质膜（PEM）电解技术发展迅速，目前碱性电解技术因成熟度高、耐用性好和成本相对较低而占据主导，但电解器运行受太阳能、风能等可再生能源的波动性影响，需采用动态供电策略。此外，天然氢的发现为氢生产提供了新的研究方向，但SMR和水电解仍将是满足全球氢经济需求的主要方式。（二）加氢站设计1.设计与运营模式：加氢站是FCEV发展的关键基础设施，其设计和运营模式主要分为现场制氢和非现场制氢。现场制氢加氢站利用小型技术在站内生产氢气，通常与太阳能、风能等可再生能源结合，形成绿色加氢站概念。这种模式可根据需求实现自主制氢，减少二氧化碳排放，增强供应稳定性和运营可控性。非现场制氢加氢站则依赖大规模氢厂供应氢气，氢气经压缩或液化后通过管道、卡车或槽车运输至加氢站储存，待加注给FCEV。目前非现场制氢是全球常见的供应方式，能保障氢气的可靠供应。2.现场制氢加氢站系统详解：以太阳能驱动的现场制氢加氢站为例，其系统包括能源采集系统（太阳能光伏板）、供电和管理系统、制氢系统（如PEM/碱性电解器）、存储设备（高压氢气罐）、机械电气和安全装置以及加注器等。太阳能光伏板产生的电能储存在电池组中，直流电源根据氢气生产需求调节电解器功率，优先使用电池组中的绿色能源，必要时从电网补充电力，生产的氢气经压缩后存储在高压罐中，通过加注器为FCEV提供燃料。3.不同设计的比较分析：不同的HRS系统设计在氢气生产方法、能源来源、存储和加注技术、成本、基础设施集成度、可扩展性、可靠性和技术创新等方面存在差异。如wind-PV-batteryHRS和wind-batteryHRS采用可再生能源与储能的混合配置，适用于日制氢量125kg的需求，在成本、可扩展性和可靠性上各有特点；绿色氨系统采用创新的液态存储方式（8.7bar、20°C），具有良好的存储性能；绿色沼气系统利用BEKON干发酵技术和自热重整（ATR）工艺生产氢气，可靠性高；水电解制氢系统采用模块化电解单元（9个118kW模块），突出了可扩展性和效率优势。通过对这些系统的综合比较分析，能为研究人员、政策制定者和行业利益相关者在构建可持续氢基础设施时提供重要参考。四、平准化氢气成本（LCOH）（一）计算方法与影响因素LCOH是衡量氢生产成本竞争力的关键指标，通过计算氢在整个生命周期内的等效单位成本，使净现值（NPV）为零来确定。其计算涉及多个变量，包括可再生能源生产曲线（受地理位置和气象条件影响，如太阳辐射和风能资源，准确的曲线有助于精确计算LCOH）、资本成本（CAPEX，涵盖氢生产基础设施建设、设备购置、系统集成等费用）和运营成本（OPEX，包括水消耗、土地租赁、设备维护等费用，电网电力使用及相关购电协议也会影响成本和氢的分类及财务模型）。（二）不同技术的LCOH对比不同氢生产技术和加氢站的LCOH差异显著。美国能源部数据显示，蒸汽甲烷重整（SMR）结合碳捕获和存储（CCS）的LCOH为1.69美元/kg，自热重整（ATR）结合CCS为1.64美元/kg。电解制氢的LCOH变化较大，预计到2030年可达1.14美元/kg，而光伏驱动电解制氢在特定成本降低策略下为3.29-4.15美元/kg。在加氢站层面，不同设计和运营条件下LCOH不同，如Minutillo等研究表明其计算值在10.46-14.10美元/kg之间，与电网依赖程度和制氢容量相关；Gokcek和Kale研究的混合风-光-电池系统为8.92美元/kg（服务25辆车，每车5kg氢气罐）；Zhao和Brouwer评估为9.14美元/kg；Barhoumi等估算150kg/天制氢量时为3.74美元/kg（未考虑辅助设施成本）。五、结论氢经济在全球能源转型中潜力巨大，FCEV是交通领域脱碳的重要方向，但目前面临成本和基础设施等挑战。加氢站设计多样，现场制氢加氢站虽符合绿色发展理念，但受技术和成本制约；非现场制氢加氢站供应相对稳定。LCOH受多种因素影响，随着技术进步和运营优化，绿色加氢站有望在5-10年内实现具有商业吸引力的LCOH，推动氢经济在交通运输领域的大规模应用，促进全球能源可持续发展和环境保护。来源：气瓶设计的小工程师
