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              新聞中心

              科普 | 氫能產業鏈之 - 制氫篇

              制氫環節是決定氫燃料電池汽車經濟性的關鍵因素。從短期來看,工業副產氫是解決氫氣需求的過渡性辦法,從中長期來看,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成本的進一步下降;另一方面,風光水等可再生能源地區往往遠離用氫負荷中心,儲運環節成本下降也需要同步配合,如管道運氫,液罐運氫等的發展,擴大經濟運輸半徑。

              ① 制氫成本過高是限制氫能推廣的主要障礙之一:

              通過與市場上其他類型汽車的使用成本拆解對比,過高的燃料消耗成本是導致燃料電池車綜合成本偏高的來源之一。氫氣相比于其他燃料更高的價格主要來自生產制備環節。從我國目前的供氫基礎設施完善程度和技術水平來看,包括制氫和儲運在內的氫氣成本占到加氫站終端售價的70%左右,其中氫氣原材料成本占比達到50%。因此制氫環節較大程度上決定了氫燃料使用的經濟性。

              國內制氫資源豐富,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電解水制氫的話就可生產清潔氫200萬噸以上,足以滿足中短期的氫能產業需求。但各類型制氫路線的經濟性尚不足以保障燃料電池汽車的大規模商業化。加之目前氫氣儲運環節存在的掣肘,氫氣運輸瓶頸尚未完全突破、成本較高。在當前供氫體系下,包括生產和儲運在內的氫氣成本仍不具備市場競爭力。

              天然氣重整制氫較為成熟,也是國外主流制氫方式。但是天然氣原料占制氫成本的比重達70%以上,不符合我國富煤、貧油、少氣的資源狀況。

              焦爐煤氣制氫理論規模龐大,2018年國內焦炭產量達到4.3億噸,焦爐煤氣中氫氣含量約占50%-60%,可產副產氫氣700萬噸以上,數量極大,占據工業副產氫總量的90%以上,但是雜質的凈化和產品氫氣中微量雜質的控制是難點。

              化工特別是氯堿化工等副產氫純度高,中國燒堿年產量基本穩定在3000萬-3500萬噸之間,副產氫氣75萬-87.5萬噸,扣除約60%的氫氣被配套聚氯乙烯和鹽酸利用,剩余約28萬-34萬噸。

              甲醇及合成氨、PDH 合成氣含氫量60%-95%之間,純化后可以滿足燃料電池要求。中國已建和在建PDH項目,副產含氫約37萬噸/年;中國合成氨生產能力1.5億噸/年,可回收氫氣約100萬噸/年;合計168萬噸/年。按照每百公里3.8kg耗氫量,每輛車每年跑2萬km測算,可以滿足220萬輛燃料電池汽車的需求,可以滿足我國氫能及燃料電池發展路線圖2030年燃料電池汽車達到百萬輛的要求,但由于存在碳排放問題,不符合綠色發展理念。

              天然氣制氫受制于國內高原料成本

              天然氣制取氫氣的工藝技術主要根據氧化劑性質的不同分為三種:1. 蒸汽重整(Steam reforming):純水蒸氣用作氧化劑,反應需要吸熱; 2. 部分氧化(Partial oxidation):使用氧氣或空氣,反應過程放熱;3. 自熱重整(Autothermal reforming):蒸汽重整和部分氧化的結合,混合空氣和水蒸氣,并調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)是目前天然氣大規模制氫最廣泛的技術。重整是通過化學過程在催化劑條件下將碳氫化合物和醇轉化為氫,產生副產品水(蒸汽)、一氧化碳和二氧化碳。反應溫度大約在700℃和900℃之間。在短期內,SMR仍將是大規模制氫的主導技術,因為它的經濟效益更好,并且在世界范圍內有大量的SMR裝置在運行。

              首先是原料預處理, 這里主要指的就是原料氣脫硫, 實際工藝運行當中一般采用天然氣鈷鉬加氫串聯氧化鋅作為脫硫劑將天然氣中的有機硫轉化為無機硫再進行去除。

              其次是進行天然氣蒸汽轉化,在轉化爐中采用鎳系催化劑, 將天然氣中的烷烴轉化成為主要成分是一氧化碳和氫氣的原料氣。

              最后一個步驟就是提純氫氣,現在最常用的一種氫氣提純系統就是變壓吸附凈化分離(PAS)系統,這種系統能耗低、流程簡單、制取氫氣的純度較高,最高時氫氣的純度可達99.99%。

              據中國氫能聯盟數據,國內天然氣原料占制氫成本的比重達70%以上,天然氣價格是決定制氫價格的重要因素。并且考慮到碳排放處理需要結合CCUS技術,會導致平均資本支出增加約50%,燃料成本增加約10%。由于二氧化碳的運輸和儲存成本,還導致平均運營成本增加一倍??紤]到中國“缺油少氣”的資源稟賦條件,僅有中西部等少數天然氣資源富集的地區可以開展探索這一制氫路徑。

              ② 可用于燃料電池汽車供氫的清潔氫氣資源可觀,但面臨市場競爭力不足的問題:

              ③ 化工副產氫是當前過渡方案,可再生能源發電解制氫是氫源終極方案:

              因此,長期來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,以如下三種技術路線為主導:一是以煤和天然氣為主的化石能源重整制氫;二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為主的工業副產氣制氫,三是電解水制氫。其他制氫工藝包括生物質制氫、太陽能光解水制氫等多處于實驗開發階段,本文不做論述。

              制氫技術綜述 ▼ 

              當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,原料價格相對低廉,但會排放大量的溫室氣體,污染環境。從全球范圍來看,天然氣制氫是現今最主流的形式,占比近 50%;醇類次之,占比為30%;僅有4%左右來源于電解水。我國則以煤炭制氫為主,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制氫工藝技術參數 

              天然氣的制氫流程主要包括四個:原料氣預處理、天然氣蒸汽轉化、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生反應,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經濟因素的影響,其中天然氣價格和資本支出是最重要的兩個因素。燃料成本是最大的成本組成部分,在不同國家和地區占生產成本的45%至75%。中東、俄羅斯和北美的天然氣價格較低,因此制氫成本也最低。中國等天然氣進口國因為面對更高的天然氣進口價格,導致氫氣生產成本上升。

              中國的天然氣制氫成本最高 


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