周 莎，刘福建

(中国汽车工程研究院股份有限公司， 重庆 401122)

1 概述

随着近年来环境污染问题和能源问题的日益加剧，全球各国均已达成建设资源节约型、环境友好型社会的共识，因此新能源汽车发展如火如荼。2018年全球新能源汽车销量突破550万辆，其中我国占比超过53%。而燃料电池汽车作为新能源汽车的热点,因其零排放、绿色环保、高能量密度等优势被认为是交通出行的终极解决方案。美国、欧盟、日本和韩国都投入了大量资金和人力进行燃料电池车辆的研究，通用、福特、丰田、本田、奔驰等大公司都已经开发出燃料电池车型并且运行状况良好[1]。

能源战略已经成为国际关注的问题，对能源结构进行调整是世界各国急需解决的问题，只有电力能源作为终端能源体系已不能满足能源结构的要求，氢能源可与电能源形成互补成为我国的能源主体。目前应用最广泛的氢能领域为氢燃料电池汽车，若可在汽车领域率先得到大规模应用，形成示范效应，必将带动整个交通领域的变革，从而使能源结构得到有效的调整，实现汽车等产业的转型升级，提升相关产业的科技水平及国际影响力[2-3]。我国已将氢能源与燃料电池汽车提上了战略高度。在《中国制造2025》 《节能与新能源汽车技术路线图》等纲领性文件中，我国政府对燃料电池汽车提出了明确的发展战略。2019年3月15日，首次将氢能源写入《政府工作报告》，明确提出“推动充电、加氢等设施建设”。2019年3月26日，由财政部、工信部、科技部、发改委等四部委联合印发《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，指出除新能源公交车和燃料电池汽车外，过渡期后不再对其他新能源汽车给予购置补贴，转为用于支持充电(加氢)基础设施‘短板’建设和配套运营服务等方面。2019年4月，国务院发布国发[2019]8号文《落实〈政府工作报告〉中重点工作部门分工意见》，建议财政部、工业和信息化部、国家发展改革委员会、国家能源局、商务部、交通运输部、住房城乡建设部等按职责分工负责该项工作。我国已从顶层设计开始明确了加氢站建设的职责分工。

从2009年元月由国家科技部、财政部、发改委、工信部等四部委共同启动的“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”开始，我国正式拉开新能源汽车大规模推广运营序幕。回首近10年的发展历程，充换电站主要存在投资回收期长、区域布局不均、政策法规不健全、充电基础设施标准体系不完善以及跨运营商充电站的互联互通水平较低等问题。与新能源汽车发展初期类似，基础设施瓶颈在短期内仍然难以克服。同样燃料电池汽车产业最突出的问题就是加氢站的短缺。我国在未来建设加氢站过程中，应充分借鉴充换电站发展的成功经验，避免在加氢站建设运营中出现相似问题。目前，我国加氢站存在没有统一规划建设、标准不完善、审批流程不清晰、建设成本高等诸多问题。

从全球加氢站建设运营情况来看，国外加氢站建设相比更为完善。目前大力发展燃料电池汽车加氢站的国家主要有美国、德国、日本，并制定了长期的发展规划，其中日本成为世界上加氢站最多的国家[4]。截止2018年底，全球加氢站约369座(表1)。其中北美78座(其中39座位于美国)，亚洲136座，欧洲152座。但在全部369座加氢站中，仅273座对外公开开放，可供所有人使用，其余加氢站则封闭保留给固定用户群体，供应公共汽车或车队车辆。

表1 全球加氢站数量排名前五的国家(截止2018年底) 座

国家运营在建2020E2025E2030E日本100+160320900德国106400900美国4890中国24211003001000韩国16100200500

2016年10月，国家工信部、中国汽车工程学会发布《节能与新能源汽车技术路线图》，指出到2020、2025、2030年，中国加氢站数量将分别超过100、300和1000座。据不完全统计，截至2018年底，我国已有超过40家整车企业开始研发燃料电池汽车。2018年全年氢能与燃料电池汽车产业相关资金投入更是超过了850亿元人民币。我国已建设投入运营的加氢站约24座左右(表2)，运营数量仅占全球的1%左右，与公共充电桩约50%的全球占比有很大的差距，且之前国内加氢站大多都是为了大型比赛或者示范项目而建设，有些在比赛结束后就拆除了，比如深圳大运会、广州亚运会和上海世博会专用加氢站均已拆除。而我国在建的加氢站 (截止2018年底)只有22座(表3)。

表2 我国已建或运营的加氢站(截止2018年底)

序号城市日加注量/kg名称建成时间投资或建设方运营方备注1北京200北京永丰加氢站2006北京清能华通&BP亿华通运营2上海200上海安亭加氢站2007上海舜华和同济大学上海舜华运营3上海—上海世博会加氢站2010上海舜华上海舜华已拆除4广州—广州亚运会加氢站2010上海舜华上海舜华已拆除5深圳—深圳大运会加氢站2011上海舜华上海舜华已拆除6台湾350台湾微生物制氢加氢站2011——运营7上海500上海电驱动加氢站2015氢枫能源上海电驱运营8郑州210郑州宇通加氢站2016宇通宇通运营9大连400同新加氢站2016同济大学同济大学和新源动力运营10佛山100三水加氢站2016氢枫能源广东国鸿运营11中山1 000中山沙朗加氢站2017氢枫能源大洋电机运营12常熟—丰田加氢站2017丰田丰田运营13云浮200云浮思牢加氢站2017氢枫能源广东国鸿运营14佛山200丹灶瑞晖加氢站2017瑞晖能源瑞晖能源运营15十堰500东风特汽(十堰)加氢站2017氢枫能源东风特汽运营16如皋200南通百应加氢站2018氢枫能源南通百应运营17成都400郫都区加氢站2018四川燃气、四川金星四川燃气运营18张家口1 000张家口临时加氢站2018亿华通亿华通运营19佛山100佛罗路加氢站2018佛山汽运集团佛山汽运集团运营20武汉1 000武汉氢雄加氢站2018雄众氢能雄众氢能运营21聊城200聊城中通加氢站2018氢枫能源氢枫能源运营22云浮500云浮新兴加油加氢站2018氢枫能源广东国鸿运营23如皋1 000神华如皋加氢站2018神华集团神华集团运营24武汉300武汉中极加氢站2019中极氢能中石油运营

注：上海世博会加氢站是上海特意为服务世博会建设的，主要采用外供氢气，储存容量1 000 kg，约服务170辆燃料电池汽车。广州亚运会加氢站主要给观光车加氢，加氢总量约5 900 kg。深圳大运会加氢站主要服务62辆燃料电池汽车，加氢总量约460.38 kg。

国内加氢站数量较少，主要原因是我国以政府补贴为导向发展纯电动汽车为主，燃料电池汽车发展尚不成熟。另一方面，建设加氢站所需的核心部件大多依赖进口，初期投资成本较高。此外，加氢站运行维护成本也较高，加氢站本身需要依靠加氢的规模效应来达到盈利，而目前加氢车辆较少。加氢站的建设和运营对燃料电池汽车的产业化具有至关重要的作用，而加氢站能够盈利是投资者是否投资建设加氢站的一个重要指标。

表3 我国在建加氢站统计(截止2018年底)

序号开始建设时间城市名称备注12018上海靖远路加氢站在建22018上海金山加氢站在建32018上海松江万象加氢站在建42018上海青浦韵达加氢站在建52018盐城奥新汽车加氢站在建62018张家港开发区加氢站在建72018台州氢能小镇加氢站在建82018嘉兴(嘉善)爱德曼加氢站在建92018佛山国能联盛加氢站在建102018云浮罗定加氢站在建112018云浮云城区加氢站在建122018云浮郁南县加氢站在建132018中山古镇加氢站在建142018襄阳试验车加氢站在建152018滨州滨化加氢站在建162018西安长安区加氢站在建172018六安明天加氢站在建182018武汉汉南加氢站在建192018北京中石化王府加氢站在建202018北京中石油奥东加氢站在建212018如皋神华加氢站在建222018新宾满族自治县抚顺新宾沐与康加氢站在建

目前，我国发表的对加氢站成本的研究成果也较少。文献[5]中通过建立氢气运输成本模型和加氢站成本模型，服务90辆燃料电池轿车和10辆燃料电池公交车，以5个加氢站组成的小型加氢站网络为案例进行了分析计算。除此之外，国内在加氢站成本收益经济性分析方面，基本没有统一的建模和分析，投资方、建设方和运营商都不能同维度地比较加氢站的盈利水平，更没有全面考虑影响加氢站的全生命周期的成本和收入要素。

本文首次基于初期投资建设阶段、运营维护阶段和成本回收阶段等3个阶段建立加氢站的全生命周期成本收益评估模型。结合加氢站的实际情况，将加氢站的全生命周期分为初期投资建设阶段、运营维护阶段和成本回收阶段3个阶段。初期投资建设阶段所产生的成本是指加氢站从决策立项审批到建成投入使用运营期间所产生的全部成本，包括设备购置费、软硬件购置费、建设工程费、土地成本及其他成本。初期投资建设阶段还没有开始运营，没有收入来源。运营维护阶段所产生的成本是指加氢站从竣工投入使用到停止加氢服务所产生的全部成本，包括制氢成本、管理费用、常规维护费用及意外维护费用。运营维护阶段的收入主要由政府补贴和加氢收取的服务费。成本回收阶段，本文暂不考虑难以预估的资产清理费等成本和土地、建筑的残值收益以及未来的增值或减值影响，在此阶段仅考虑设备的残值收益。因此，加氢站的全生命周期成本主要由初期投资成本和运营成本组成，全生命周期收入主要由运营收入(加氢收取的服务费和政府补贴)和设备残值收益组成。

2 加氢站成本收益技术路线

加氢站的技术路线主要有两种：站内制氢技术和外供氢技术；站内制氢技术又包括天然气重整制氢和电解水制氢。其中，电解水制氢已经应用广泛且技术已十分成熟，欧洲大多数加氢站都采用这种技术。据不完全统计，当前国内正在运营的加氢站中，仅大连新源加氢站、北京永丰加氢站具备站内制氢能力，其余加氢站的氢气主要来源于外部供氢。由于燃料电池汽车还没有实现大规模运营，目前加氢站建设成本和运营成本远远高于传统加油站、加气站。从全球范围内来看，政府和整车企业是加氢站建设的主体，政府补贴的幅度均超过50%。

本文加氢站以站内电解水制氢为例。首先根据燃料电池汽车保有量测算加氢站加氢负荷量。根据加氢站设施配建规模，可以确定加氢站设备购置成本、加氢站维修维护成本。设备购置成本结合软硬件购置成本、建设工程成本、土地成本和其他成本，构成加氢站的初期投资成本。加氢站维修维护成本、管理成本、制氢成本则构成加氢站的运营成本。加氢站的总成本即由初期投资成本和运营成本组成。加氢站的总收入则由政府补贴和加氢服务费组成。成本收益经济性分析的技术路线如图1所示。

图1 技术路线

在以上成本和收入分析的基础上，考虑时间因素及通货膨胀等对加氢站成本收益的影响，建立全生命周期成本收益评估模型。

3 加氢站成本收益评估模型

本文采取全生命周期经济性评估，分初期投资建设阶段、运营维护阶段和成本回收阶段3个阶段，对加氢站的总成本和总收入进行测算，从而实现对加氢站全面的运营经济性分析。

3.1 全生命周期成本评估模型

通过调查分析，根据加氢站全生命周期特点，加氢站全生命周期成本由加氢站选址、设计、施工、竣工及运营等各个环节的成本链构成，本文将加氢站选址、设计、施工及竣工阶段的成本统计为初期投资成本，将运营阶段的成本统计为运营成本。本文暂不考虑机会成本的影响。加氢站全生命周期成本具体测算如式(1)所示。

(1)

式(1)中：Stotal为加氢站全生命周期成本；Siv,n为加氢站第n年的初期投资成本；Sop,n为加氢站第n年的运营成本。

3.1.1初期投资成本评估模型

(2)

式(2)中：Siv是加氢站初期投资成本的数据向量；Siv,n表示的是加氢站第n年的初期投资成本。

设备购置费Seq是指加氢站所需的各类设备进行累加，单位为元。Seq,n表示的是加氢站第n年的设备购置费。设各类设备单价为Bi，数量为Ni，要购买的设备种类为t，则设备购置费Seq计算公式如式(3)所示。

(3)

软硬件购置费Sin是指加氢站运营需要提前购买的软硬件系统，单位为元；Sin,n表示的是加氢站第n年的软硬件购置费。

建设工程费Scn是指加氢站建筑建设产生的费用，包括站内房屋建筑，变电、加氢设施建筑或改造费用及消防设施等，单位为元。Scn,n表示的是加氢站第n年的建设工程费。

土地成本Sla是指购买土地的成本和契税、征用土地的补偿费等，单位为元。Sla,n表示的是加氢站第n年的土地成本。加氢站往往需要建设在城市交通人口聚集区，而城市土地寸土寸金。GB 50516—2010 《加氢站技术规范》第3.0.1条规定：“加氢站可与天然气加气站或加油站联合建站”。在考虑交通热点地区建设加氢站时，可以在已有的天然气加气站或加油站的基础上进行改(扩)建。

其他成本Sot是指项目管理费用、勘察设计费、技术服务费等，单位为元。Sot,n表示的是加氢站第n年的其他成本。

3.1.2运营成本评估模型

加氢站全生命周期运营成本Sop主要由制氢成本Sh2、管理费用Sma、常规维护费用Smt及意外维护费用Sum组成。目前，燃料电池汽车保有量少，氢需求量小，用水电解制氢较为方便。假设本加氢站采取站内水电解制氢，运营成本的计算公式如式(4)所示。

(4)

由于加氢站设备寿命较长，建立运营成本评估模型时，需考虑通货膨胀率和社会折现率对总成本的影响。假设通货膨胀率为a(%)，社会折现率为r(%)，n(年)为设备的平均寿命。国家发改委发布的《建设项目经济评价方法与参数(第3版)》中规定，社会折现率可取8%，通货膨胀率可取4%[7]。

式(4)中:Sop为加氢站全生命周期运营成本(元);制氢成本Sh2.i是指第i年全年水电解制氢的用电成本和制氢设备的折旧成本(元)；管理费用Sma是指为维护整个加氢站正常运营而产生的费用(元)，主要为人工费，由于不同加氢站服务差异大，每年的管理费用预计按初期投资成本的12%测算。Sma.i是指第i年全年的管理费用。管理费用的计算公式如式(5)所示。

Sma,i=Siv×12%

(5)

常规维护费用Smt是指对加氢站所有建筑和设备进行日常维护产生的总费用(元)。每年建筑设施常规维护费用按建设工程费Scn的1%进行估算[8],每年设备常规维护费用按建设工程费Seq的3%进行估算[9]。常规维护费用的计算公式如式(6)所示。

Smt,i=Scn×1%+Seq×3%

(6)

意外维护费用Sum是指用户使用不当或发生某些意外而产生的费用(元)。因难以预测发生意外的时间，将该费用均摊到每一年，每年平均意外维护费用Sum,i按照设备购置费的4%[9]进行估算。意外维护费用的计算公式如式(7)所示。

Sum,i=Seq×4%

(7)

3.2 全生命周期收入评估模型

通过调查分析，根据加氢站全生命周期特点，加氢站全生命周期收入由加氢站运营、设备回收及后市场等各个环节的收入链构成。后市场收益主要指发展加氢站周边经济产生的附加值，如加氢站广告运营、预约加氢等增值服务产生的附加值。因后市场收入难以估算，本文暂不考虑后市场收入的影响。本文仅考虑运营收入和设备回收收益两个方面。

3.2.1运营收入评估模型

加氢站的运营收入主要来自收取的加氢价格和合理的服务费。取收取的加氢价格单价与服务费单价之和为R(元)；加氢站全年总加氢量为E，单位为kg。运营收入的计算公式如式(8)所示。

Pi=R×Ei

(8)

其中：Pi是指第i年全年的运营收入(元)；Ei是指第i年全年的总加氢量。

为支持燃料电池汽车产业发展，目前政府对加氢站基础设施实施财政补贴机制，包括中央和地方两级补贴，设为Q，则加氢站全生命周期的总收入Iop如式(9)所示。

(9)

其中：Iop是指加氢站全生命周期的总收入(元)；Q是指加氢站的政府补贴(元)。

3.2.2设备回收收益评估模型

加氢站设备由于有形或无形磨损等原因丧失部分或全部使用价值，要对设备进行转让或者出卖，会产生一定的残值收益。本文假设当设备达到报废年限后，对设备进行报废处理，从而得到设备的回收收益Prv,i，单位为元[10]，如式(10)所示。

Prv,i=Seq×5%

(10)

3.3 评价指标

3.3.1动态投资回收期

动态投资回收期m是指加氢站投入运营后，取得的收入总额超过(含等于)投资成本所需要的时间(年限)。动态投资回收期计算如式(11)所示。

(11)

加氢站建设前期需要高额资金投入，特别是加氢站核心设备主要依赖进口。其中加氢站初期投资成本中，关键设备占比接近80%。对于投资方来说，投资回收期意味着投资方能否盈利，是评价加氢站经济性的一个重要指标，同时也是评价加氢站能否顺利运营的重要指标。

3.3.2平准化加氢成本及收入

加氢站由于采取的技术路线不同或建设规模不同，动态投资回收期可能不能较好评估加氢站的盈利能力。平准化加氢成本及收入是指在全生命周期内，为用户每提供1千克加氢服务的平均成本c(单位为元)及收入e(单位为元)，平准化加氢成本及收入分别如式(12)(13)所示。

(12)

(13)

平准化成本收益采取了类归一化的思想，可以比较客观反应不同加氢站的盈利能力。

4 案例计算

本文以建设一个日供氢能力为500 kg的加氢站为例进行全生命周期的成本效益分析。该加氢站可服务40辆燃料电池客车或100辆燃料电池物流车或100辆燃料电池乘用车。加氢站采用加注压力为35 MPa。以站内水电解500 m3/ h的制氢产能为例，制氢综合电耗≤4.55 kW·h/ m3，按照某城市大工业电价平均0.6元/ kW·h测算。假设加氢站一年工作251天，一天工作24 h，由此可计算每年制氢268.07 t氢气。可测算每年制氢成本约为822.28万元。

加氢站的核心设备有压缩机、储氢罐、氢气加注机等。按照现在市场可采购的设备造价(含EPC总承包)水平，估计设备购置费约800万元。加氢站占地在3 500 m2左右，某城市土地、土建和审批手续按照250万元测算。全周期成本见表4。

表4 加氢站全生命周期成本测算

参数模式1:中央和地方政府补贴∶初期投资成本=1∶1模式2:中央和地方政府补贴∶初期投资成本=0.5∶1备注设备购置费/万元800 800 按照现行市场采购价土地、土建、审批手续等/万元250250各区域土地价格可能会不同软硬件设备购置费、其他费用/万元100100其他成本/万元57.557.5按照前3项成本的5%进行估算电费成本单价/(元/kWh)0.60.6售氢和服务费单价/(元/kg)1.81.8中央和地方政府补贴/万元1 207.5603.75社会折现率/%88通货膨胀率/%44全生命周期平准化成本42.6442.64全生命周期平准化收益26.8514.34

由表4可知，加氢站的土地费用和设备购置费占初期投资成本的90%以上，同时，加氢站水电解制氢中电费占制氢成本的90%以上。

从上述测算可知，当中央和地方政府补贴∶初期投资成本=1∶1时，全生命周期平准化成本为42.64元/kg，全生命周期平准化收益为26.85元/kg。以燃料电池乘用车为例，相当于每公里能耗成本就是0.43元。通常一般的传统燃油型乘用车平均能耗成本在0.6～1元/km左右，可见使用氢燃料电池汽车更经济。

从上述测算可知，当中央和地方政府补贴∶初期投资成本=0.5∶1时，全生命周期平准化成本为42.64元/kg，全生命周期平准化收益为14.34元/kg。本文假设加氢站仅通过售氢、收取服务费、设备回收以及政府补贴获得收益。燃料电池汽车未大规模推广，因用户加氢习惯和用户数量的限制，使得售氢量较少，售氢和收取的服务费较低，需要加大政府补贴力度，才能缩短投资回收期。

5 建议

本文利用全生命周期分析法建立了加氢站的全生命周期成本收益经济性分析模型，并做了案例分析。案例分析结果表明，本文建立的全生命周期成本收益经济性分析模型是可行的，氢燃料电池汽车每km能耗成本0.43元，氢燃料电池汽车经济性明显优于传统燃油汽车。同时，现阶段加氢站建设成本高且收益有限，投资回收期长，不利于产业发展。加氢站的短缺始终制约着燃料电池汽车的规模化推广，而投资者最关注的就是加氢站的经济性，若要提高加氢站的经济性，结合加氢站全生命周期的经济指标，提出以下建议：

1) 制(修)订相应的氢能与燃料电池汽车标准法规体系，包括制定车用氢气标准、高压氢气运输标准、车用储氢容器充氢压力法规、加氢站与加油站、加气站的合建技术规范及审批流程。

2) 鼓励各方社会资本共同建设加氢站。

3) 发展加氢站附加经济，如发展加氢站广告运营、车辆租赁、预约加氢、车辆保养以及车辆大数据等增值服务来增加加氢站的附加值，以期缩短收益周期。

4) 发挥我国燃料电池产业政策引导型的体制优势，完善财税和产业政策，尽快出台加氢站的建设规范和补贴细则。

5) 加速交通热点地区加氢站规划建设运营，鼓励在已有的天然气加气站或加油站的基础上进行改(扩)建，建设加油、加氢、充电的“三合一”综合站。

6) 建立企业、地方、国内、海外等四级联动的创新研发体系，鼓励国内企业尽快将压缩机、储氢系统等国产化，降低加氢站设备购置成本。