液态氢加注站的比较技术经济分析：工艺设计、泵送技术及冷能利用

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Comparative techno-economic analysis of liquid-hydrogen refueling stations: Process designs, pump technologies, and cold energy utilization

液氢加氢站（LHRS）三种压气系统（机械压缩机、冷氢泵、混合系统）的技术经济性对比研究，基于2023-2024年设备参数，覆盖200-2000kg/天容量。采用多元回归、蒙特卡洛模拟等模型分析能耗、资本成本、运营费用及加氢效率，考虑设备波动性、维护需求及蒸发损失，结合中国电价和制造优势。冷氢泵在超大型站（>1000kg/天）能耗降低30%，使氢平准化成本下降18-24%，但运营成本占比25%，资本投入占20-25%。混合系统经济性较差。冷能回收经济性 marginal。盈亏临界条件为电价>0.85-1.25元/kWh或碳税>500-780元/吨。为碳中和目标下的氢能基础设施投资提供决策依据。

　　

作者：沈振 | 王伟

单位：山西财经大学经济学院，中国太原市，030006

摘要

本研究比较了中国液态氢加注站（LHRSs）的不同工艺配置，这些加注站储存液态氢（LH₂），但以90 MPa的压力输出气态氢。我们分析了三种加压系统：机械压缩机、低温泵和混合系统，并使用了林德（Linde）、空气液化（Air Liquie）和Chart Industries公司在2023-2024年间提供的设备规格数据。加注站的日加注量范围为200至2000公斤氢气（H₂），所有经济计算均基于设备15年的使用寿命和中国市场条件。我们建立了一个计量经济模型，结合了多元回归、敏感性分析和10,000次迭代的蒙特卡洛模拟，以评估在现实不确定性下的能耗、资本成本、运营费用和加注效率。该模型考虑了设备性能的变异性、维护需求以及通常被早期研究忽视的蒸发气体损失，特别关注中国的电价结构和制造成本优势。在日加注量超过1000公斤的情况下，低温泵的能耗比压缩机低30%，主要是因为加压液体所需的工作量小于压缩气体。这一效率优势使得大型加注站在中国运营条件下的氢气平准化成本降低了18-24%。然而，由于特殊的维护需求和设备复杂性，泵的运营成本约占25%，资本投资占20-25%。混合系统的经济效益低于纯技术系统，因为它们结合了两种技术的设备，但并未获得相应的协同效益。即使在中国较低的电价下，从液态氢蒸发中回收的冷能（446 kJ/kg）在经济上也显得微不足道。盈亏平衡分析表明，只有在电价超过0.85-1.25元人民币/千瓦时（0.12-0.18美元/千瓦时）或碳税达到500-780元人民币/吨二氧化碳（72-112美元/吨）时，该项目才具有盈利能力。我们的研究结果有助于指导中国在实现碳中和目标过程中的基础设施投资决策。

章节摘录

引言

中国已将氢能视为2060年实现碳中和目标的关键战略方向。该国第十四个五年计划明确提出了建立燃料电池汽车示范城市集群的目标，并提供了大量政府补贴用于加注基础设施的建设[1]。氢燃料电池汽车在中国重型货运领域具有显著优势，尤其是对于长途运输卡车而言

文献综述

过去十年中，关于氢燃料加注基础设施的研究文献迅速增长，这得益于政府对氢能作为运输燃料的政策支持和行业投资。然而，现有文献在比较不同技术方法的经济效益及其在中国应用背景下的适用性方面存在明显差距和矛盾。本综述回顾了现有关于加压系统性能和经济建模的研究成果

研究设计与分析框架

本研究采用比较技术经济分析框架，评估了三种液态氢加注站（LHRS）加压方案的性能和成本效益。研究设计将技术性能建模与计量经济分析相结合，以确定系统配置参数与关键经济结果之间的定量关系。分析方法遵循了氢能基础设施评估的成熟方法

计量经济模型性能与验证

多元回归分析表明，该模型能够有效解释能耗和氢气平准化成本的变化。表4展示了完整的回归结果，包括系数估计值、标准误差和统计显著性指标。能耗模型的拟合度良好，残差的自异方差性较低，这一点通过Breusch-Pagan检验得到了验证。所有自变量的方差膨胀因子均处于可控范围内

解释比较技术经济性能

实证结果显示，基于泵的加压方案具有稳定的性能优势，这一优势源于核心热力学原理，并通过经济渠道得到放大。与机械压缩相比，低温泵系统平均可节省30%的能耗，主要是因为液体的不可压缩性（Poupin等人，2020年）。在相似的压力梯度下，加压不可压缩液体所需的工作量远小于压缩气体

结论

本研究通过对三种液态氢加注站加压方案进行了全面的技术经济评估，使用了计量经济模型来评估三种主要的加压策略：90 MPa机械压缩、90 MPa低温泵和混合热泵系统。通过系统比较能耗、资本投资、运营费用和平准化成本（LCOH），填补了现有文献中的关键空白，涵盖了日加注量从200至2000公斤氢气的各种情况。主要结果表明，低温泵方案具有明显的成本优势

作者贡献声明

沈振：概念构思；方法论设计；正式分析；初稿撰写；可视化。王伟：数据收集与验证；审稿与编辑；项目监督；资金筹措。陈亮：数据整理；软件应用；验证；可视化；审稿与编辑。张浩然：资源协调；项目管理；资金筹措；审稿与编辑。佐基尔·马马迪亚罗夫：方法论设计；计量经济建模；验证；审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益或个人关系可能构成潜在的利益冲突

致谢

我们感谢使用AI语言模型（Anthropic公司的Claude和OpenAI公司的ChatGPT）来改进手稿的语法和句子结构。所有研究设计、方法论、数据分析、结果解读和科学结论均为作者的原创工作。