制氫環(huán)節(jié)是決定氫燃料電池汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。從短期來(lái)看,工業(yè)副產(chǎn)氫是解決氫氣需求的過(guò)渡性辦法,從中長(zhǎng)期來(lái)看,可再生能源電解制氫是氫源的終極解決方法,一方面取決于可再生能源電力生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降;另一方面,風(fēng)光水等可再生能源地區(qū)往往遠(yuǎn)離用氫負(fù)荷中心,儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)成本下降也需要同步配合,如管道運(yùn)氫,液罐運(yùn)氫等的發(fā)展,擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑。
① 制氫成本過(guò)高是限制氫能推廣的主要障礙之一:
通過(guò)與市場(chǎng)上其他類(lèi)型汽車(chē)的使用成本拆解對(duì)比,過(guò)高的燃料消耗成本是導(dǎo)致燃料電池車(chē)綜合成本偏高的來(lái)源之一。氫氣相比于其他燃料更高的價(jià)格主要來(lái)自生產(chǎn)制備環(huán)節(jié)。從我國(guó)目前的供氫基礎(chǔ)設(shè)施完善程度和技術(shù)水平來(lái)看,包括制氫和儲(chǔ)運(yùn)在內(nèi)的氫氣成本占到加氫站終端售價(jià)的70%左右,其中氫氣原材料成本占比達(dá)到50%。因此制氫環(huán)節(jié)較大程度上決定了氫燃料使用的經(jīng)濟(jì)性。
國(guó)內(nèi)制氫資源豐富,可供選擇的制氫途徑也較為多樣,僅18年可再生能源棄電如果全部用來(lái)電解水制氫的話(huà)就可生產(chǎn)清潔氫200萬(wàn)噸以上,足以滿(mǎn)足中短期的氫能產(chǎn)業(yè)需求。但各類(lèi)型制氫路線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性尚不足以保障燃料電池汽車(chē)的大規(guī)模商業(yè)化。加之目前氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)存在的掣肘,氫氣運(yùn)輸瓶頸尚未完全突破、成本較高。在當(dāng)前供氫體系下,包括生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)在內(nèi)的氫氣成本仍不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
天然氣重整制氫較為成熟,也是國(guó)外主流制氫方式。但是天然氣原料占制氫成本的比重達(dá)70%以上,不符合我國(guó)富煤、貧油、少氣的資源狀況。
焦?fàn)t煤氣制氫理論規(guī)模龐大,2018年國(guó)內(nèi)焦炭產(chǎn)量達(dá)到4.3億噸,焦?fàn)t煤氣中氫氣含量約占50%-60%,可產(chǎn)副產(chǎn)氫氣700萬(wàn)噸以上,數(shù)量極大,占據(jù)工業(yè)副產(chǎn)氫總量的90%以上,但是雜質(zhì)的凈化和產(chǎn)品氫氣中微量雜質(zhì)的控制是難點(diǎn)。
化工特別是氯堿化工等副產(chǎn)氫純度高,中國(guó)燒堿年產(chǎn)量基本穩(wěn)定在3000萬(wàn)-3500萬(wàn)噸之間,副產(chǎn)氫氣75萬(wàn)-87.5萬(wàn)噸,扣除約60%的氫氣被配套聚氯乙烯和鹽酸利用,剩余約28萬(wàn)-34萬(wàn)噸。
甲醇及合成氨、PDH 合成氣含氫量60%-95%之間,純化后可以滿(mǎn)足燃料電池要求。中國(guó)已建和在建PDH項(xiàng)目,副產(chǎn)含氫約37萬(wàn)噸/年;中國(guó)合成氨生產(chǎn)能力1.5億噸/年,可回收氫氣約100萬(wàn)噸/年;合計(jì)168萬(wàn)噸/年。按照每百公里3.8kg耗氫量,每輛車(chē)每年跑2萬(wàn)km測(cè)算,可以滿(mǎn)足220萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)的需求,可以滿(mǎn)足我國(guó)氫能及燃料電池發(fā)展路線(xiàn)圖2030年燃料電池汽車(chē)達(dá)到百萬(wàn)輛的要求,但由于存在碳排放問(wèn)題,不符合綠色發(fā)展理念。
天然氣制氫受制于國(guó)內(nèi)高原料成本
天然氣制取氫氣的工藝技術(shù)主要根據(jù)氧化劑性質(zhì)的不同分為三種:1. 蒸汽重整(Steam reforming):純水蒸氣用作氧化劑,反應(yīng)需要吸熱; 2. 部分氧化(Partial oxidation):使用氧氣或空氣,反應(yīng)過(guò)程放熱;3. 自熱重整(Autothermal reforming):蒸汽重整和部分氧化的結(jié)合,混合空氣和水蒸氣,并調(diào)整兩種氧化劑的比例,使之不需要吸收或排放熱量(等溫)。甲烷蒸汽重整(SMR)是目前天然氣大規(guī)模制氫最廣泛的技術(shù)。重整是通過(guò)化學(xué)過(guò)程在催化劑條件下將碳?xì)浠衔锖痛嫁D(zhuǎn)化為氫,產(chǎn)生副產(chǎn)品水(蒸汽)、一氧化碳和二氧化碳。反應(yīng)溫度大約在700℃和900℃之間。在短期內(nèi),SMR仍將是大規(guī)模制氫的主導(dǎo)技術(shù),因?yàn)樗慕?jīng)濟(jì)效益更好,并且在世界范圍內(nèi)有大量的SMR裝置在運(yùn)行。
首先是原料預(yù)處理, 這里主要指的就是原料氣脫硫, 實(shí)際工藝運(yùn)行當(dāng)中一般采用天然氣鈷鉬加氫串聯(lián)氧化鋅作為脫硫劑將天然氣中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫再進(jìn)行去除。
其次是進(jìn)行天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化,在轉(zhuǎn)化爐中采用鎳系催化劑, 將天然氣中的烷烴轉(zhuǎn)化成為主要成分是一氧化碳和氫氣的原料氣。
最后一個(gè)步驟就是提純氫氣,現(xiàn)在最常用的一種氫氣提純系統(tǒng)就是變壓吸附凈化分離(PAS)系統(tǒng),這種系統(tǒng)能耗低、流程簡(jiǎn)單、制取氫氣的純度較高,最高時(shí)氫氣的純度可達(dá)99.99%。
據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù),國(guó)內(nèi)天然氣原料占制氫成本的比重達(dá)70%以上,天然氣價(jià)格是決定制氫價(jià)格的重要因素。并且考慮到碳排放處理需要結(jié)合CCUS技術(shù),會(huì)導(dǎo)致平均資本支出增加約50%,燃料成本增加約10%。由于二氧化碳的運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本,還導(dǎo)致平均運(yùn)營(yíng)成本增加一倍??紤]到中國(guó)“缺油少氣”的資源稟賦條件,僅有中西部等少數(shù)天然氣資源富集的地區(qū)可以開(kāi)展探索這一制氫路徑。
② 可用于燃料電池汽車(chē)供氫的清潔氫氣資源可觀(guān),但面臨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足的問(wèn)題:
③ 化工副產(chǎn)氫是當(dāng)前過(guò)渡方案,可再生能源發(fā)電解制氫是氫源終極方案:
因此,長(zhǎng)期來(lái)看可再生能源電力制氫是終極方案。
目前已有多種制氫技術(shù),以如下三種技術(shù)路線(xiàn)為主導(dǎo):一是以煤和天然氣為主的化石能源重整制氫;二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為主的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫,三是電解水制氫。其他制氫工藝包括生物質(zhì)制氫、太陽(yáng)能光解水制氫等多處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段,本文不做論述。
制氫技術(shù)綜述 ▼
當(dāng)前制氫原料主要以石油、天然氣、煤炭等化石資源為主,較之于其他制氫方法,化石能源重整制氫工藝更為成熟,原料價(jià)格相對(duì)低廉,但會(huì)排放大量的溫室氣體,污染環(huán)境。從全球范圍來(lái)看,天然氣制氫是現(xiàn)今最主流的形式,占比近 50%;醇類(lèi)次之,占比為30%;僅有4%左右來(lái)源于電解水。我國(guó)則以煤炭制氫為主,占比為62%,天然氣次之,占比為19%,與“富煤貧油少氣”的能源稟賦特征相符。
SMR制氫工藝技術(shù)參數(shù) ▼
天然氣的制氫流程主要包括四個(gè):原料氣預(yù)處理、天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化、一氧化碳變換、氫氣提純。
然后是一氧化碳變換,使其在催化劑存在的條件下和水蒸氣發(fā)生反應(yīng),從而生成氫氣和二氧化碳,得到主要成分是氫氣和二氧化碳的變換氣。
天然氣制氫成本受多種技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素的影響,其中天然氣價(jià)格和資本支出是最重要的兩個(gè)因素。燃料成本是最大的成本組成部分,在不同國(guó)家和地區(qū)占生產(chǎn)成本的45%至75%。中東、俄羅斯和北美的天然氣價(jià)格較低,因此制氫成本也最低。中國(guó)等天然氣進(jìn)口國(guó)因?yàn)槊鎸?duì)更高的天然氣進(jìn)口價(jià)格,導(dǎo)致氫氣生產(chǎn)成本上升。
中國(guó)的天然氣制氫成本最高 ▼