兩種技術路線的煤制氫產業(yè)鏈生命周期成本分析
中國能源結構以煤炭為主，其開發(fā)利用的清潔性一直受到關注，發(fā)展清潔的新能源技術對中國能源戰(zhàn)略發(fā)展乃至整個社會經濟發(fā)展都至關重要。氫能被認為是21世紀的終極清潔能源，發(fā)展氫能具有戰(zhàn)略意義。氫能經濟產業(yè)包括氫氣制備、氫氣儲存、氫氣運輸、氫氣加注以及燃料電池汽車、燃料熱電聯(lián)系統(tǒng)的終端應用。
生命周期成本分析方法（Life Cycle Cost，簡稱LCC）是運用生命周期思想，兼顧環(huán)境影響的評價方法，為實現經濟利益最大化和環(huán)境影響最小化提供依據。姚飛等構建了氫能生命周期成本概念和分析框架，將生命周期成本分析定義為基于現有成熟的方法，立足于產品的生命周期全過程，對該產品在其生命周期內所發(fā)生的全部成本，包括產品在生命周期內各個階段所造成的環(huán)境影響進行貨幣化計量與分析，來確定哪些環(huán)節(jié)可以作為縮減成本的關鍵環(huán)節(jié)。研究生命周期成本尤其是環(huán)境影響帶來的外部成本文獻仍然較少，大多僅關注不同制氫技術帶來的生命周期經濟成本。謝欣爍等整理了研究領域認可度較高的關于不同制氫技術的生命周期成本數據，結果為煤氣化制氫8.3～19.5 CNY/kg H2、天然氣制氫10.4～27.6 CNY/kg H2、核能熱化學制氫為12.8～36.9 CNY/kg H2、風電制氫22.3～59.8 CNY/kg H2、太陽能光伏發(fā)電制氫36.6～61.3CNY/kgH2、生物質氣化制氫9.7～22.2 CNY/kg H2。傳統(tǒng)制氫技術的成本相對低廉，而除生物質氣化制氫以外的新型制氫技術成本普遍較高。通過文獻調研可知，尚缺乏以煤氣化制氫和煤熱解制氫為起點的產業(yè)鏈生命周期成本研究。
本文采用LCC方法，重點關注煤氣化制氫和煤熱解制氫這兩種煤制氫技術工藝，以煤制氫為起點，結合不同儲運方式，以及加氫站應用，核算兩種技術路線的煤制氫產業(yè)鏈生命周期成本，評價其生命周期經濟性水平，為我國發(fā)展煤制氫提供理論依據。
1研究邊界和模型
1.1 研究邊界
在中國，煤氣化制氫適用于大規(guī)模制氫，由于原材料煤炭資源豐富，價格較為低廉，已經具備了一定的經濟性優(yōu)勢和規(guī)模效益。煤氣化制氫工藝模擬流程，如圖1所示。
圖1煤氣化制氫工藝模擬流程
煤炭焦化作為傳統(tǒng)煤化工，既是國民經濟的重要產業(yè)，又是典型的能源轉化產業(yè)，在我國煤化工行業(yè)占有舉足輕重的地位。焦爐煤氣是焦炭生產過程中的副產品，通常生產1t焦炭可副產420m3焦爐氣。焦爐煤氣組成中含氫氣55%～60%vol、甲烷23%～27%vol、一氧化碳6%～8%vol等。以年產100萬t的焦炭企業(yè)為例，可副產焦爐氣4.2億m3，按2.5m3焦爐氣提1.0m3氫氣計，可制取1.68億Nm3氫氣。2018年國內焦炭產量超過4.3億t，理論上可提純副產氫氣量超過650萬t/a。煤熱解制氫工藝模擬流程，如圖2所示。
圖2焦爐煤氣直接制氫工藝模擬流程
本文的研究邊界是基于煤氣化和煤熱解這兩種制氫工藝，結合液氫壓縮、氣氫壓縮兩種壓縮技術，通過運輸環(huán)節(jié)，再到加氫站的下游應用環(huán)節(jié)，對不同組合的煤制氫產業(yè)鏈進行生命周期成本分析，研究邊界如圖3所示。
圖3煤制氫產業(yè)鏈LCC分析系統(tǒng)邊界
1.2 生命周期成本分析模型
生命周期成本分析方法在1960年首次提出，用于核算美國軍工產品領域的成本。生命周期成本包含生產和使用某一產品鏈條中所產生的全部成本，分為內部成本和外部成本，已經成為能源資源可持續(xù)發(fā)展評價的經濟決策工具。其中，內部成本是對企業(yè)而言，包括企業(yè)在該產品生命周期中所支付的經濟成本，以貨幣單位的數值來衡量。而外部成本是對整個社會而言，開發(fā)利用該產品所帶來的環(huán)境影響、社會影響等，是無法用會計準則計算為貨幣單位的成本部分，但對整個社會福利來說也是非常重要的指標。核算生命周期成本，有利于實現企業(yè)利益和社會利益的共贏。生命周期成本計算如式（1）所示。
其中，CLC表示生命周期成本，Cin表示生命周期內部成本，可用常規(guī)會計準則計算，包括原材料成本、燃料動力成本以及其他成本等。Cex表示生命周期外部成本，可用式（2）計算，實現貨幣化的計量。
其中，j表示排放的污染物，Ej表示該污染物的排放量，ej表示該污染物的單位外部成本，具體數據參照由歐盟會員會發(fā)起的能源外部效應計劃。
下文將采用LCC方法分別核算煤氣化制氫產業(yè)鏈和煤熱解制氫產業(yè)鏈的生命周期內部成本、外部成本以及生命周期成本，并對結果進行比較和評價。
2 煤制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本核算
2.1 煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本
根據某個煤氣化項目的工藝數據，使用全生命周期成本（LCC）分析，可以得到煤氣化全生命周期成本的結果。煤氣化制氫工藝過程參數和成本清單，包括原材料成本、動力成本等，見表1。
表1 煤氣化制氫工藝成本清單
數據來源：中國工程院中國煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用戰(zhàn)略研究重大項目
從上表可以計算得到，煤氣化制氫工藝成本為6.09元/kg，明顯低于其他制氫工藝成本，具有明顯的經濟性優(yōu)勢。在煤氣化制氫工藝成本中，占比最大的是原料煤，占成本的75%，若原料煤價格從600元/t下降到500元/t，可以使煤制氫工藝成本下降13%。
外購電成本占煤氣化制氫成本的12.6%。在計算中采用的是工業(yè)用電平均值為0.725元/kWh，實際上各地區(qū)工業(yè)用電價格不同，不同性質、不同電壓情況下電價也不同，在高峰段、平時段和低谷段的用電價格皆有不同。一般情況下，工業(yè)用電在峰值時段價格為1.025元/kWh，平時段用電價格為0.725元/kWh，低谷段用電價格為0.425元/kWh。若是采用低谷電制氫，可以使煤制氫可變單位成本下降10%。有些地區(qū)棄風棄風電價更低，可以達到0.25元/kWh，可以使煤制氫可變成本下降13%，煤制氫工藝的經濟性優(yōu)勢更佳。
結合氫氣壓縮（氣氫、液氫）、氫氣運輸（氣氫、液氫）和氫氣加注環(huán)節(jié)的成本調研數據，可以得到煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本清單，見表2。
表2煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本
煤氣化制氫產業(yè)鏈的生命周期內部成本約為22.28~32.51元/kgH2。其中，氫氣加注成本占據煤制氫全產業(yè)鏈總成本比重最高，約50%，因此加氫站擁有穩(wěn)定的客戶群，實現規(guī)?；洜I，才能有效攤薄加注成本。另外，由于液氫壓縮技術尚不成熟，能量消耗較大，因此液氫壓縮成本也遠遠高于氣氫壓縮成本，氣氫壓縮成本只有液氫壓縮成本的17%，液氫運輸成本也明顯高于氣氫運輸成本。在當前情況下，氫氣制備廠大多都選擇氣氫存儲和拖車運輸，經濟性明顯更好。
2.2 煤熱解制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本
根據煤熱解制氫工藝，對成本進行計算，分別設置兩個情景。情景1是從焦爐煤氣制氫開始分析。假設焦爐煤氣外購，成本價為0.5元/m3，計算煤熱解制氫工藝成本，結果見表3，與煤氣化制氫成本清單相同，主要包括原材料成本、動力成本等。
表3焦爐煤氣制氫工藝成本清單（情景1）
數據來源：焦爐煤氣利用途徑的效率和效益分析
從上表可以計算得到，焦爐煤氣制氫工藝成本為1.14元/m3，為12元/kg。在工藝成本中，占比最大的是焦爐煤氣，占成本的80%，然后是外購電成本，占比為18.84%。因此，若焦化廠直接使用煤焦化過程中產生的焦爐煤氣制氫，不考慮焦爐煤氣購買成本和價值分攤，則氫氣產品的平均可變成本可以直接降為0.22元/m3，為2.4元/kg。
外購電成本，在計算中采用的是0.52元/kWh。若是采用低谷電制氫，可以使煤熱解制氫可變單位成本下降10%。有些地區(qū)棄風棄風電價更低，可以達到0.25元/kWh，可以使煤熱解制氫可變成本下降16%，使煤熱解制氫工藝的經濟性優(yōu)勢更佳。
結合氫氣壓縮（氣氫、液氫）、氫氣運輸（氣氫、液氫）和氫氣加注環(huán)節(jié)的成本調研數據，可以得到煤熱解制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本清單，見表4。
表4煤熱解制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本清單（元/kg）
從上表看出，煤熱解制氫產業(yè)鏈的生命周期內部成本約為18.59~38.42元/kg。其中，氫氣加注成本占據煤制氫全產業(yè)鏈總成本中最高的比重，占比在40%~70%左右。與煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本相比，煤熱解制氫若不考慮焦爐煤氣外購價格，則明顯具有更好的經濟性。若煤熱解制氫成本可以下降0.5元/m3，需要焦爐煤氣價格下降至0.21元/m3，利用煤熱解制氫在成本經濟性上就會優(yōu)于煤氣化制氫工藝。
情景2是從煤焦化過程開始分析，考慮產出包括笨、煤焦油、焦炭和氫四種產品，以產品價值為標準進行成本分攤，氫氣產品在總產出價值中的占比約為18.58%，經計算可以得到制氫的分攤成本為14.3元/kg，見表5。
根據對長三角、珠三角、京津冀等地的加氫站調研，35~45元/kg是當前主流的氫氣到站價格，再加上加氫站的服務費用，終端用戶用氫價格通常都在60元/kg以上。因此，按照氫氣價格為40元/kg計算，根據產出價值計算得到從煤焦化工藝環(huán)節(jié)開始的制氫工藝成本為14.30元/kg。若按照氫氣價格為35元/kg計算，則制氫工藝成本為12.81元/kg，與直接采用外購煤熱解制氫的工藝成本幾乎相當。
總之，煤熱解制氫技術為煤焦化與氫能產業(yè)聯(lián)合發(fā)展開辟了道路，不僅產生環(huán)境效益，也產生經濟效益。利用焦爐氣生產氫氣項目能夠有效的回收利用資源，有助于形成良好的循環(huán)經濟產業(yè)鏈，不僅可以彌補能源供應缺口，還可以改善能源質量、減少溫室氣體的排放，充分合理利用工業(yè)排放氣資源，使資源最大限度地得到利用，符合國家現代能源戰(zhàn)略。
3 煤制氫產業(yè)鏈生命周期外部成本核算
煤制氫產業(yè)鏈在生命周期中不僅包含內部成本，還包含了在開發(fā)應用中產生環(huán)境影響所帶來的外部成本。本節(jié)對煤制氫產業(yè)鏈生命周期外部成本進行貨幣化的核算，參照由歐盟委員會發(fā)起的能源外部效應計劃（Externalities of Energy）。
表5 煤焦化制笨、焦油、焦炭和氫氣的工藝成本清單（情景2）
根據文獻調研可以得到各污染物的外部費用估算成本，主要包括CO2、SO2、NOX、VOC等污染物，見表6。
表6 各種污染物的單位外部成本估算（元/kg）
數據來源：PaA等人的研究成果
對這兩種技術路線的煤制氫產業(yè)鏈進行生命周期評價（Life Cycle Assessment，簡稱LCA），設置六種組合，分別是煤氣化制氫和氣氫儲運、煤氣化制氫和液氫儲運，考慮焦爐煤氣價值分攤和不考慮焦爐煤氣價值分攤情況下的煤熱解制氫和氣氫儲運、煤熱解制氫和液氫儲運，可以得到1kg氫氣從煤制氫到氫氣加注的生命周期中，所產生的污染物排放清單，見表7。
表7 生產、壓縮、儲運和加注1kg氫氣的污染物排放清單（kg/kg H2）
結合煤制氫生命周期評價的污染物排放清單，可以計算得到煤熱解制氫結合氣氫壓縮和液氫壓縮、煤氣化制氫結合氣氫壓縮和液氫壓縮的產業(yè)鏈生命周期外部成本，如圖4所示。液氫壓縮比氣氫壓縮需要耗費更多的能量，其外部環(huán)境成本大于氣氫壓縮所帶來的外部環(huán)境成本。雖然煤氣化制氫明顯比煤熱解制氫排放更多的二氧化碳，但氮氧化物和二氧化硫排放略小，因此，最后計算得到的生命周期外部成本只略高于煤熱解制氫的外部成本，兩者差異并不顯著。煤氣化制氫組合氣氫壓縮的產業(yè)鏈生命周期外部成本為7.5元/kg，煤氣化制氫組合液氫的產業(yè)鏈生命周期外部成本為11.1元/kg，煤熱解制氫組合氣氫的產業(yè)鏈生命周期外部成本為7元/kg，煤熱解制氫組合液氫的產業(yè)鏈生命周期外部成本為10.6元/kg，煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期外部成本僅比煤熱解制氫高出0.5元/kg。
圖4 煤制氫外部環(huán)境成本估算
煤制氫生命周期外部成本的具體組成，見表8。對于任何一條產業(yè)鏈來說，二氧化碳排放都是主要的外部成本來源。煤熱解制氫產業(yè)鏈，無論是氣氫壓縮，還是液氫壓縮，氮氧化物都是僅次于二氧化碳的外部成本來源，然后是VOC，最后是二氧化硫。對于煤氣化制氫產業(yè)鏈，液氫壓縮帶來了更多的氮氧化物排放，而氣氫壓縮中排放的VOC更勝一籌。總之，控制二氧化碳排放是降低煤制氫產業(yè)鏈生命周期外部成本的主要途徑，可以通過加載二氧化碳捕集設備實現。
表8 煤制氫產業(yè)鏈生命周期外部成本組成（%）
對生命周期外部成本進行各環(huán)節(jié)分解，以煤氣化制氫結合氣氫壓縮產業(yè)鏈為例，各環(huán)節(jié)二氧化碳排放所產生的外部成本如圖5所示。煤氣化制氫過程所產生的二氧化碳外部成本最高，占比接近90%，然后是氣氫壓縮和氫氣運輸環(huán)節(jié)，但相比煤氣化制氫工藝過程都可忽略不計。因此，降低煤氣化制氫產業(yè)鏈的二氧化碳外部成本，還需要在制氫環(huán)節(jié)努力實現減排。
圖5 煤氣化制氫結合氣氫壓縮產業(yè)鏈的二氧化碳外部成本分解
4 煤制氫產業(yè)鏈生命周期成本和結構分析
按照生命周期思想，將上述內部成本和外部成本合并為生命周期成本，系統(tǒng)表示煤制氫產業(yè)鏈所產生的經濟環(huán)境成本，見表9。煤熱解制氫產業(yè)鏈中，若焦爐煤氣原材料考慮購買成本，或分攤經濟成本，其生命周期成本高于煤氣化制氫產業(yè)鏈，若焦爐煤氣不考慮購買成本，則相比煤氣化制氫具有明顯的經濟性優(yōu)勢。煤氣化制氫在外部成本方面處于劣勢，它對環(huán)境帶來的整體影響更加嚴重。
表9 煤制氫產業(yè)鏈生命周期成本估算（元/kg H2）
從生命周期成本結構來看，對于煤制氫產業(yè)鏈來說，外部成本大約占生命周期成本的1/5~1/4，是不容忽視的部分。因此，企業(yè)在生產過程中需要對負外部性進行充分的考量，由于外部成本很難貨幣化，只有通過政府出臺的環(huán)境稅、排放權交易等方式進行外部成本內部化，使之進入企業(yè)決策參考的指標體系中，促使企業(yè)主動通過技術進步等方式實現工藝過程的節(jié)能減排，從而利于整個社會和產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，企業(yè)在實際經營中雖然只關注生命周期內部成本，但外部環(huán)境成本在未來可能會通過政策實現內部化，因此生命周期外部成本的結論也為企業(yè)提前應對政策變化提供了理論依據。
生命周期成本可以幫助綜合評估產品生命周期的經濟性能和環(huán)境性能。對企業(yè)來說，生命周期內部成本可以幫助有效識別改善產品經濟性的方向，而外部成本則是政府在制定產業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護相關決策時應充分考慮的因素。
5 結論與建議
5.1結論
本文采用生命周期成本分析（LCC）方法，核算煤氣化制氫產業(yè)鏈和煤熱解制氫產業(yè)鏈生命周期成本。結果表明：煤氣化制氫工藝成本為6.09元/kg，明顯低于其他制氫工藝成本，具有明顯的經濟性優(yōu)勢，若煤炭價格下降、外購電采用低谷電或可再生能源發(fā)電，會使煤氣化制氫工藝成本進一步下降至5元/kg左右的水平，經濟性會更加凸顯。與煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本相比，煤熱解制氫若不考慮焦爐煤氣外購價格，制氫成本可以下降至3元/kg以下，明顯具有更好的經濟性，若考慮焦爐煤氣外購成本或煤熱解過程價值分攤，則焦爐煤氣制氫工藝成本約為12~14元/kg，明顯高于煤氣化制氫工藝成本。兩種技術路線的煤制氫工藝相比其他制氫工藝來說，具有明顯的成本優(yōu)勢。對于煤制氫產業(yè)鏈來說，煤氣化制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本約為22.28~32.51元/kg，煤熱解制氫產業(yè)鏈生命周期內部成本約為18.59~38.42元/kg，而生命周期外部成本約占生命周期總成本的1/5~1/4，也是不容忽視的部分，尤其對于政府部門來說，可以作為可持續(xù)發(fā)展政策制定的理論依據。其中煤氣化制氫相比煤熱解制氫在生命周期外部成本方面處于劣勢，對環(huán)境帶來的整體影響更加嚴重，制氫環(huán)節(jié)的二氧化碳排放是主要的外部成本來源。
5.2建議
在未來中國氫能廣泛布局、氫能產業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模的階段，采用煤氣化制氫和焦爐煤氣副產氫，既可以得到大規(guī)模氫源，又能實現經濟性的有效途徑，也是在可再生能源制氫等綠氫發(fā)展成熟之前過渡階段的必要選擇。因此，針對本文結論提出以下建議。
1）充分利用煤制氫大規(guī)模制氫經濟性優(yōu)勢，為工業(yè)提供穩(wěn)定氫源。我國煤氣化制氫和煤熱解副產氫行業(yè)工業(yè)化水平高，技術成熟，空間布局廣泛。尤其是煤氣化制氫技術廣泛應用于煉油化工行業(yè)，具有短時期、大規(guī)模制氫、成本較低的優(yōu)勢。現階段可充分利用煤氣化制氫經濟性優(yōu)勢，為工業(yè)用氫提供穩(wěn)定的大規(guī)模氫源。
2）充分利用空間布局優(yōu)勢，在特定區(qū)域、特定項目積極探索焦爐煤氣副產氫，為燃料電池提供穩(wěn)定氫源。焦爐煤氣副產氫工藝在不考慮成本分攤和環(huán)境分攤時，兼具經濟性優(yōu)勢和環(huán)境優(yōu)勢。因此，對當前各地區(qū)各項目的焦爐煤氣應用進行充分調研，結合氫能產業(yè)鏈下游加氫站應用環(huán)節(jié)，充分利用廣泛的空間布局優(yōu)勢，探索在特定地區(qū)特定項目中采用焦爐煤氣副產氫，提高焦爐煤氣應用比率，保障項目收益水平。
3）積極優(yōu)化煤制氫過程工藝，實現節(jié)能減排，降低生命周期外部成本。以化石原料制氫的技術面臨嚴重的二氧化碳排放問題，一方面要積極優(yōu)化氣化/熱解制氫過程工藝，節(jié)約煤炭消耗，另一方面，大力推進電力低碳清潔轉型，促進煤制氫與可再生能源發(fā)電的耦合，減少生命周期內由電力引起的間接排放。因此，在煤制氫產業(yè)鏈中，采用低谷電或可再生能源電力，配備二氧化碳捕集裝置是未來的發(fā)展方向。
通過技術手段、市場手段和政策手段，可以使煤制氫產業(yè)鏈在實現良好經濟效益的同時，控制外部環(huán)境影響，從而在可再生能源大規(guī)模制氫技術成熟前發(fā)揮重要作用。
編輯：陳丹 校對：楊東川 審核：楊東川
來源：《煤炭經濟研究》，國家能源投資集團北京低碳清潔能源研究院，程婉靜，氫云鏈整理
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