《International Journal of Hydrogen Energy》：A techno-economic framework for hydrogen delivery pricing via pipelines in emerging Indian energy markets
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氢气管道运输成本分析采用年度服务成本框架，整合技术参数（压力降、压缩需求）和经济因素（WACC、E/D比率、CAPM），对比线性与S型需求增长下的项目可行性及最优管径。印度案例显示200公里6英寸管道线性增长单价$2.77/kg，S型增长10英寸管道降至$2.24/kg，为政策制定提供经济依据。
阿尤什·库马尔·潘迪（Ayush Kumar Pandey）| 希坦舒·萨普雷（Shitanshu Sapre）| 舒巴姆·蒂瓦里（Shubham Tiwari）| 卡皮尔·帕里克（Kapil Pareek）
印度斋浦尔马拉维亚国立技术学院（Malaviya National Institute of Technology Jaipur）能源与环境中心
摘要
氢在推动清洁、低碳能源系统中发挥着至关重要的作用，尤其是在融入现有基础设施时。由于多个行业强烈的脱碳举措，全球对氢的需求持续增长。评估通过管道将氢从生产地点输送到最终使用地点的成本，有助于基础设施建设和监管规划。本研究采用年度服务成本框架来分析压缩氢的管道运输，并估算氢的输送价格。技术参数包括由于压力损失而产生的压缩需求，经济因素则涵盖股权与债务比率（E/D）、加权平均资本成本（WACC）和资本资产定价模型（CAPM）。该分析比较了在线性和S形需求增长情景下的项目可行性。再压缩需求会影响具有成本效益的管道直径。在印度，对于200公里长的6英寸管道，在线性增长情况下，最低输送氢的价格为2.77美元/千克；而对于200公里长的10英寸管道，在S形增长情况下，最低价格为2.24美元/千克。
引言
根据应用的不同，氢既可以作为能源储存介质，也可以作为能源来源，从而扩大了其在可持续能源系统中的作用。各行业对能源需求的增长推动了氢的采用，使其成为保障能源安全并促进可持续能源解决方案的有前景的选择[1]。氢的使用与其物理形态密切相关，因此储存和运输成为氢基础设施的重要组成部分。氢的具体形式及其相应的运输方式进一步对这些方法进行了分类。常见的形式包括压缩气体氢（CGH2）、液态氢（LH2）、液态有机氢载体（LOHCs）、氨（作为氢载体）和金属氢化物（MH）。与这些形式相关的运输方式主要包括管式拖车、专用管道和油罐车[[2], [3], [4]]。
其中，压缩氢因其技术成熟度和易于处理而备受关注。因此，管道运输具有吸引力，因为它遵循既定的行业标准，并为长期项目规划提供了可扩展性和经济可行性[5]。管道网络的主要目的是将生产源与消费市场连接起来，确保高效分配。这一原则同样适用于氢，因为生产地点和最终使用地点通常相距较远，需要可靠的运输基础设施[6,7]。
氢的管道运输主要有两种方法：(a) 将氢与天然气混合在现有基础设施中（通常体积比例为5–20%）；(b) 专用管道用于纯氢或高浓度氢的运输，这些管道可以新建或通过改造、翻新或加强完整性管理从现有天然气管道中重新利用[8]。然而，混合方法存在显著挑战，包括混合限制以及使用点需要分离氢的需求。专用管道，特别是重新利用的管道，面临材料兼容性问题、压缩机等设备的操作限制，以及在氢暴露下更为明显的管道完整性问题，例如氢脆化，这些问题必须仔细评估[[8], [9], [10]]。这促使人们开发专门为满足氢运输的严格安全和完整性要求而新建的专用管道。通过规避混合系统的限制和重新利用基础设施的额外风险，这些管道能够确保最佳性能、最小的泄漏风险、更高的材料耐久性以及更大的长期经济可行性[5,11]。与重新利用的管道相比，新建管道可以从一开始就使用抗氢材料进行完全的设计优化。它们还允许不受限制的操作压力和集成的先进监测功能，尽管初始成本较高，但提供了更好的长期性能[12]。
尽管专用管道的技术优势显而易见，但文献中用于评估其经济可行性的方法存在显著差异，已经建立了多种可靠的管道运输氢的框架。例如，Yu等人采用基于模拟的方法进行技术经济分析和管道直径选择；然而，他们的模型缺乏建模细节，且研究仅限于平准化成本估算[13]。同样，Solomon等人和Khan等人提供了详细的管道氢运输成本评估模型，但他们主要关注平准化成本这一唯一的经济指标[14,15]。Jottrand等人提出了一个关于管道成本优化的参数研究；然而，他们的重点主要在于技术参数，如压力损失和管道粗糙度，而忽略了投资情景和更广泛的管道经济学[16]。虽然基于Excel的工具Hydrogen Delivery Scenario Analysis Model（HDSAM）结合了经济和技术因素，但它仅适用于某些地区，并假设成本结构固定，这限制了敏感性分析[17]。另一个氢管道建模框架涉及多维风险建模和多标准决策（MCDM）技术的应用，将财务风险作为主要标准之一，但这常常被忽视，从而影响了维护和安全评估[[18], [19], [20]]。这些财务风险的遗漏限制了其在全面能源金融建模中的应用，因为资本结构显著影响项目融资成本和风险评估。与这些技术经济考虑因素并行的是，材料完整性和运营现实对成本估算也有显著影响。Zhu等人研究了管道材料选择以及钢晶体结构在防止氢渗透中的作用，这是直接影响长期资产完整性、资本投资和维护成本的因素[21]。Kanz等人进行了管道运输的生命周期评估，而Hora等人分析了传输和渗透损失，这些是早期经济分析中经常忽略的关键运营因素[22,23]。
虽然之前的研究提供了关于技术方面的宝贵见解，如压力损失、管道粗糙度和管道脆化，以及氢输送的技术经济方面，但往往缺乏详细的财务分析和模型敏感性。此外，尽管当前的研究已将运营不确定性或随机风险纳入管道规划，但在从项目融资角度对财务风险进行建模方面仍存在不足。这包括理解资本结构和债务偿还义务如何影响年收入需求。许多现有模型未能考虑财务风险与高资本投入的氢基础设施项目的特定现金流限制之间的关系。这种方法论上的差距需要从静态成本估算转向动态财务建模。
为了解决这一差距，本研究采用了年度服务成本原则，这是一个利用天然气管道行业成熟方法的稳健财务框架，用于估算通过管道输送的氢的售价。尽管基于平准化成本的研究为比较不同氢运输途径的单位成本效率提供了有价值的指标，但它们通常不足以用于实际的政策设计和关税设定。虽然LCOH（生命周期成本）可能表明项目的可行性，但它没有考虑前期债务义务或公用事业规模基础设施典型的收入波动。相比之下，本研究采用的服务成本方法提供了一个模块化框架，将经济复杂性转化为结构化的关税[[24], [25], [26]]。
本研究开发了一个综合模型，将技术细节（如压缩成本和压力损失）与先进的经济考虑因素（包括加权平均资本成本（WACC）、股权与债务比率（E/D）和资本资产定价模型（CAPM）相结合。通过纳入这些参数，该研究能够精确估算售价，提供详细的成本分解，并通过有针对性的案例研究确定经济上最佳的管道直径。此外，通过估算净现值（NPV）、回收期和内部收益率（IRR），在两种不同的氢市场增长情景下评估项目可行性。该模型关注年收入需求而非生命周期平均值，提供了设定监管关税和评估逐年财务风险所需的时间粒度，这是传统的基于LCOH的分析所无法提供的。
鉴于低碳基础设施所需的大量投资，这种方法尤其相关，因为获取资本和负担能力对于成功的能源转型至关重要[27]。它强调了明确定义的关税估算模型在促进全球脱碳方面的战略重要性[28,29]。最终，通过提供一个透明、可银行化和高度可适应的财务框架（其设计具有模块化特点），本研究促进了实现氢的可持续和负担得起的采用的基础设施的快速扩展。
章节摘录
方法论
通过管道输送的氢的售价是根据管道吞吐量或输送的气体量以及实现这一目标所需的服务成本来估算的。所采用的技术经济基础上的年度服务成本估算在相关部分和子部分中有详细说明。假设和限制在后续部分进行了讨论。
案例研究描述
本研究使用4英寸、6英寸和10英寸的标准管道直径估算氢气的管道运输成本。为了进行成本比较，计算了200公里长的管道在每天10,000至50,000千克H2流量范围内的运输成本。除了管道运输成本外，还根据市场规模和技术进步，评估并比较了两种未来氢生产和需求增长情景下的项目可行性。
氢管道中的压力损失
管道中的压力损失需要安装额外的增压站以满足运营要求。当工作压力下降50%时，重新压缩对于维持高效的氢运输变得必要。选择较大的管道直径会增加成本，因为需要更多的材料；而选择较小的直径则需要在整个系统中增加再压缩的投资以维持操作压力。
结论
已经开发了一个模型来估算通过管道输送的氢的售价。该模型结合了氢运输的技术和经济方面。为了解决运营挑战，模型考虑了压缩和压力损失，同时通过CAPM和NPV估算增强了经济框架，用于风险管理和项目可行性评估。
CRediT作者贡献声明
阿尤什·库马尔·潘迪（Ayush Kumar Pandey）：撰写——原始草稿、可视化、验证、正式分析、数据整理。希坦舒·萨普雷（Shitanshu Sapre）：数据整理。舒巴姆·蒂瓦里（Shubham Tiwari）：撰写——审阅与编辑、监督、数据整理、概念化。卡皮尔·帕里克（Kapil Pareek）：监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我要衷心感谢斋浦尔马拉维亚国立技术学院（MNIT）能源与环境中心提供的资源和专业知识，这些资源对我的研究质量和深度提升起到了重要作用。
