氢能作为一种清洁高效的新能源,由于其灵活高效、清洁低碳、应用广泛,正在成为全球争相发展的未来能源新星。日美欧多个国家制定氢能发展战略,储氢、运氢、加氢等氢能基础设施建设加快,氢燃料电池在商用车等领域率先开展示范应用。碳中和战略是推动氢能发展的主要动力,随着氢能技术突破和规模化应用,氢能全产业链将迎来发展爆发期


根据国际氢能委员会预计,到2050年氢能将承担全球18%的能源终端需求。《欧盟氢能战略》提出,在2024年之前可再生能源绿色制造氢达到100万吨,2030年达到1000万吨。中国的氢能和燃料电池发展了20年,现在也正处于向规模产业化发展的阶段,未来5年应该会有大规模的发展,而且国家的补贴政策也即将开始,这将给氢能发展带来很大动力。


大规模利用可再生能源富余电力制氢,即电转气(P2G)技术已为市场普遍看好。风电、光伏出力受限时,利用富余的可再生能源进行制氢,并作为备用能源储存下来;在负荷高峰期发电并网,提高新能源的消纳能力,减少弃风、弃光,增强电网可调度能力并确保电网安全。未来随着规模化的氢储能系统的应用,可利用储氢实现跨季调峰等应用。


氢能市场前景广阔,电解水制氢是未来发展重点,当期制氢方式主要有四种:化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质制氢及其他哪样才是最优的选择呢?今天,小编就带大家来盘点一下!


电解水成本偏高,降成本主要依赖电价


由于电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右,因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。存在两条降成本途径:一是降低电解过程中的能耗,可通过开发 PEM(质子交换膜电解) 及 SOEC(固体氧化物电解) 技术来实现;二是采用低成本电力为制氢原料,关键在于依靠光伏和风电的发展。以大工业电价均价 0.61 元/ kW·h 计算,当前电解水制氢的成本为3.69 元/Nm3。当用电价格低于 0.50 元/kW·h 时,电解水制备的氢气成本才可与汽油相当。光伏系统发电成本 0.5930 元/kWh,风电度电成本约为 0.3656 元/kWh,且在未来仍有一定的下降空间。

化石燃料制氢、煤制氢、电解水制氢、生物质制氢,谁是最优选择?

日本福岛县太阳能制氢项目(全球最大的光伏制氢项目)


天然气制氢是目前主要制氢方式,降成本应关注天然气价格


天然气制氢中的甲烷水蒸气重整(SMR)是工业上最为成熟的制氢技术,约占世界制氢量的 70%(IEA数据)。我国天然气价格受资源禀赋影响,天然气资源主要分布集中的中西盆地也是价格最低的地区。尤其是新疆、青海等地区天然气基本门站价格低至 1.2 元/千立方米左右。据测算,当天然气价格为 2 元/Nm3时,测算出制氢成本为 1.35 元/Nm3,相比电解水制氢具有明显的成本优势。

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天津石化10万标立/时天然气制氢装置


煤制氢成本最低,降成本空间较小


我国煤炭资源主要的格局是西多东少、北富南贫。内蒙古、山西原煤产量领先,煤价也相对偏低。当煤炭价格为 600 元时,大规模煤气化生产氢气的成本为 1.1 元/ Nm3。如果在煤资源丰富的地区,当煤炭价格降低至 200 元 /吨时,制氢气的成本可能降低为 0.34 元/ Nm3。但由于煤炭价格下降空间有限,且煤气化制氢企业已形成较大规模,未来煤制氢降成本空间较小。

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茂名石化投建的国内单产能力最大的煤制氢装置


丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢具有潜在产能


化工副产物制氢的成本难以单独核算。目前我国规划和在建的丙烷脱氢项目预计可以副产并外售 86.8 万吨氢。我国规划中的乙烷裂解产能达到 1460万吨,可以副产并外售的氢气达到 90.4 万吨。

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中国化学工程第三建设有限公司承建的全球单套产能最大的丙烷脱氢项目


能:未来动力系统的替代能源


三大优势支持氢能发展


与传统化工燃料汽油、柴油相比,氢能具有三大优势。


一是较高的含能特性:除核燃料外,氢的燃烧热值据所有化工燃料榜首,燃烧 1kg 氢可放出 12MJ(28.6Mcal)的热量,约为汽油的三倍。


二是较高的能源转化效率:氢能可以通过燃料电池直接转变为电,过程中的废热可以进一步利用,其效率可达到 83%。氢气燃烧不仅热值高,而且火焰传播速度快,点火能量低,所以氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高 20%。


三是碳的零排放:与化石能源的利用相比,氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放,可以实现良性循环。


氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首


以汽油内燃机的综合热效率和CO2排放量为基准来对比。氢燃料电池的综合热效率最高,同时 CO2排放量少,是替代石油供给车辆动力的最佳燃料。


氢燃料电池的综合热效率最高且 CO2排放量少


四种制氢方式各存优劣,天然气制氢是主要来源


目前以四类制氢方式为主:化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。虽然制氢方法多样,但各存优劣。


天然气制氢:虽然适用范围广,但是原料利用率低,工艺复杂,操作难度高,并且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低。


工业尾气制氢:利用工业产品副产物,成本较低。但是以焦炉气制氢为例,不仅受制于原料的供应,建设地点需依靠焦化企业,而且原料具有污染性。


电解水制氢:产品纯度高、无污染,但是高成本了限制其推广。


光解水与生物质制氢:技术尚未成熟,实现商业化还需一定的时间。


从制氢成本方面看,煤制氢和天然气制氢成本相对更低。就目前四类制氢方式来说,天然气制氢经济性最显著。


目前,天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源,占总制氢量的 48%。醇类重整制氢及煤制氢也占有相当大的比重,来自电解水的制氢量最低,仅为 4%。


未来供氢主体以电解水制氢为主


可再生能源电解水制氢将上升为未来供氢主体。在氢能市场发展初期(2020-2025 年),化石燃料制氢与工业副产物制氢凭借较低的成本占据制氢结构的主体地位,随着化石燃料产量下降,这两种方式占比逐渐下降;


到氢能市场发展中期(2030 年左右),煤制氢配合 CCS(碳捕获)技术、工业副产物、可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体,同时开发生物质制氢等其他技术;在氢能市场发展远期(2050 年左右),我国将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS 与生物质制氢为补充的多元供氢格局。


氢气成本占加氢站氢气售价的 70%。制约氢能推广的一个主要原因是氢气相比汽油等传统能源更高的价格。加氢站销售的氢气价格中,包括制氢和储运氢气在内的氢气成本占 70%,其中氢气原材料的价格为50%,是最重要的一部分,因此制氢环节能否降低成本是降低氢气售价的关键因素。


2L 汽油车百公里耗油为 6—8 升,按照 7.3 元/L 的汽油售价,百公里燃料费用最多为 58.4 元。以丰田Mirai 氢燃料电池汽车为例,其百公里氢耗平均水平为 1kg,意味着氢气的售价需降到 58.4 元/kg 以下才可与汽油等同,说明氢气成本需降到 29.2 元/kg。由于氢气接近理想气体,根据理想气体方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氢气约为 11.19Nm3。因此氢气的理想成本大约是 2.6 元/ Nm3。


1、电解水制氢


电解水制氢是通过电能给水提供能量,破坏水分子的氢氧键来制取氢气的方法。其工艺过程简单、无污染,制取效率一般在 75%—85%,每立方米氢气电耗为 4—5 kW·h。由于电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右,导致其竞争力并不高。更多干货请关注微信公众号:氢能俱乐部。因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。由此引出两条降成本的途径:一是降低电解过程中的能耗,二是采用低成本电力为制氢原料。


降本路径一:降低过程能耗,提高电解效率


目前主流的电解水制氢技术有三种类型:包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水(PEM)制氢和固态氧化物电解水(SOEC)制氢,其中碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术,但其电解效率仅为 60-75%,国外研发的 PEM技术与 SOEC 技术均能有效提高电解效率,尤其是 PEM 技术已引入国内市场。


降本路径二:以低成本电价为制氢原料


2、天然气制氢


天然气制氢方法中甲烷水蒸气重整最为成熟


天然气的主要成分是甲烷(体积含量大于 85%),因此一般说的天然气制氢就是甲烷制氢。甲烷制氢方法主要有甲烷水蒸气制氢(SMR),甲烷部分氧化(POX)和甲烷自热重整(ATR)。其中甲烷水蒸气重整(SMR)是工业上最为成熟的制氢技术,约占世界制氢量的 70%,因此本文重点针对此方法进行降成本测算。


甲烷水蒸气重整是指在催化剂存在及高温条件下,使甲烷与水蒸气发生反应生成合成气。为防止催化剂中毒,原料天然气需进行脱硫预处理至硫的质量分数小于 1×10-7,然后经过重整反应制备合成气,再经过水煤气变换反应将 CO 进一步转化为氢气和CO2,最后将 CO2 通过变压吸附(PSA)脱除得到氢气。


降成本应从天然气价格入手,中西部地区具备价格优势


对于天然气制氢来说,天然气成本是占比最大的部分,约占生产成本的45~75%(IEA)。因此其降成本策略应首先关注天然气价格。


3、煤制氢


煤气化制氢是最常用的一种煤制氢手段


2013 年,我国超过美国成为世界第一大能源消费国,其中煤炭产量为 38.74 亿吨标煤,之后几年煤炭产量略微走低至 2017 年的 35.2 亿吨,但 2018 年煤炭产量有所回升至 36.8 亿吨标煤。


降成本应该从煤炭价格入手,西北部具有地区优势


对于煤气化制氢来说,煤炭成本占比最大,能够占到总成本的 40%~45%,因此在制氢设备价格较为固定,流程中所需条件难以大幅度改变的基础下,降低煤气化制氢成本应该从降低煤炭价格入手。


4、化工副产品制氢


氯碱制氢为主要生产方式,降本可从节能降耗方面入手


化工副产品制氢主要可以分为焦炉气制氢、氯碱副产品制氢、丙烷脱氢和乙烷裂解等几种方式,其中氯碱副产品制氢的由于工艺成本最为适中且所制取的氢气纯度较高等优势,成为目前化工副产品中较为适宜的制氢方式。


丙烷脱氢和乙烷裂解副产制氢有未来潜在优势


2013 年,丙烷开始作为化工原料被大规模使用,当年中国进口丙烷数量为 245 吨,其后进口量逐年上升至 1350 万吨。与此同时,丙烷脱氢项目也在不断发展。截止 2019 年 1 月,我国已经建成的丙烷脱氢项目共计生产能力 467 万吨/年,其中山东和江苏两个省份处于领先位置。行业内已经公布的规划和在建的丙烷脱氢项目共计 45 个,涉及生产能力 2605 万吨/年。若规划和在建的丙烷脱氢项目都已完成,预计可以副产并外售 86.8 万吨氢能,未来发展空间巨大,丙烷脱氢副产的氢气成为未来潜在具有优势的燃料电池车用氢源选择之一。


文章来源: 化工平头哥,东滩智库

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