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四大制氢办法及降本钱途径氢能看这篇就懂了
发布时间:2022-11-18 23:45:35 来源:最新亚博

  氢能商场前景宽广,电解水制氢是未来开展要点,当期制氢办法首要有四种: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。其间化石燃料制氢与工业副产物制氢凭仗较低的本钱占有制氢结构的主体方位,可是跟着化石燃料产值下降、可继续开展理念的深化,氢能沙龙氢能商场在远期(2050 年左右)将构成以可再生动力为主体、煤制氢+CCS(碳捕获)与生物质制氢为弥补的多元供氢格式。为测算与汽油价格比较具有竞争力的氢气价格,本文将氢气的抱负本钱定为 2.6 元/Nm3 。

  因为电费占整个水电解制氢出产费用的 80%左右,因而水电解制氢本钱的关键在于耗能问题。存在两条降本钱途径:一是下降电解进程中的能耗,可经过开发 PEM(质子交流膜电解) 及 SOEC(固体氧化物电解) 技能来完结;二是选用低本钱电力为制氢质料,关键在于依托光伏和风电的开展。以大工业电价均价 0.61 元/ kW·h 核算,当时电解水制氢的本钱为3.69 元/Nm3。当用电价格低于 0.50 元/kW·h 时,电解水制备的氢气本钱才可与汽油适当。光伏体系发电本钱 0.5930 元/kWh,风电度电本钱约为 0.3656 元/kWh,且在未来仍有必定的下降空间。

  天然气制氢中的甲烷水蒸气重整(SMR)是工业上最为老练的制氢技能,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,天然气资源首要散布会集的中西盆地也是价格最低的区域。尤其是新疆、青海等区域天然气根本门站价格低至 1.2 元/千立方米左右。据测算,当天然气价格为 2 元/Nm3时,测算出制氢本钱为 1.35 元/Nm3,比较电解水制氢具有显着的本钱优势。

  我国煤炭资源首要的格式是西多东少、北富南贫。内蒙古、山西原煤产值抢先,煤价也相对偏低。当煤炭价格为 600 元时,大规划煤气化出产氢气的本钱为 1.1 元/ Nm3。假如在煤资源丰厚的区域,当煤炭价格下降至 200 元 /吨时,制氢气的本钱或许下降为 0.34 元/ Nm3。但因为煤炭价格下降空间有限,且煤气化制氢企业已构成较大规划,未来煤制氢降本钱空间较小。

  化工副产物制氢的本钱难以独自核算。现在我国规划和在建的丙烷脱氢项目估计能够副产并外售 86.8 万吨氢。我国规划中的乙烷裂解产能到达 1460万吨,能够副产并外售的氢气到达 90.4 万吨。

  一是较高的含能特性:除核燃料外,氢的焚烧热值据一切化工燃料榜首,焚烧 1kg 氢可放出 12MJ(28.6Mcal)的热量,约为汽油的三倍。

  二是较高的动力转化功率:氢能能够经过燃料电池直接转变为电,进程中的废热能够进一步运用,其功率可到达 83%。氢气焚烧不只热值高,而且火焰传达速度快,焚烧能量低,所以氢能轿车比汽油轿车总的燃料运用功率可高 20%。

  三是碳的零排放:与化石动力的运用比较,氢燃料电池在产生电能的进程中不会产生碳排放,能够完结良性循环。

  以汽油内燃机的归纳热功率和CO2排放量为基准来比照。氢燃料电池的归纳热功率最高,一起 CO2排放量少,是代替石油供给车辆动力的最佳燃料。

  现在以四类制氢办法为主:化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢办法。尽管制氢办法多样,但各存好坏。

  天然气制氢:尽管适用规模广,可是质料运用率低,工艺杂乱,操作难度高,而且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性下降。

  工业尾气制氢:运用工业产品副产物,本钱较低。可是以焦炉气制氢为例,不只受制于质料的供给,建造地址需依托焦化企业,而且质料具有污染性。

  从制氢本钱方面看,煤制氢和天然气制氢本钱相对更低。就现在四类制氢办法来说,天然气制氢经济性最显着。

  现在,天然气制氢仍是我国最首要的制氢来历,占总制氢量的 48%。醇类重整制氢及煤制氢也占有适当大的比重,来自电解水的制氢量最低,仅为 4%。

  可再生动力电解水制氢将上升为未来供氢主体。在氢能商场开展初期(2020-2025 年),化石燃料制氢与工业副产物制氢凭仗较低的本钱占有制氢结构的主体方位,跟着化石燃料产值下降,这两种办法占比逐步下降;

  到氢能商场开展中期(2030 年左右),煤制氢协作 CCS(碳捕获)技能、工业副产物、可再生动力电解水制氢将成为有用供氢主体,一起开产生物质制氢等其他技能;在氢能商场开展远期(2050 年左右),我国将构成以可再生动力为主体、煤制氢+CCS 与生物质制氢为弥补的多元供氢格式。

  氢气本钱占加氢站氢气价格的 70%。限制氢能推行的一个首要原因是氢气比较汽油等传统动力更高的价格。加氢站出售的氢气价格中,包含制氢和储运氢气在内的氢气本钱占 70%,其间氢气原材料的价格为50%,是最重要的一部分,因而制氢环节能否下降本钱是下降氢气价格的关键因素。

  2L 汽油车百公里耗油为 6—8 升,依照 7.3 元/L 的汽油价格,百公里燃料费用最多为 58.4 元。以丰田Mirai 氢燃料电池轿车为例,其百公里氢耗均匀水平为 1kg,意味着氢气的价格需降到 58.4 元/kg 以下才可与汽油同等,阐明氢气本钱需降到 29.2 元/kg。因为氢气挨近抱负气体,依据抱负气体方程 PV=nRT 可估算出 1Kg 氢气约为 11.19Nm3。因而氢气的抱负本钱大约是 2.6 元/ Nm3。

  电解水制氢是经过电能给水供给能量,损坏水分子的氢氧键来制取氢气的办法。其工艺进程简略、无污染,制取功率一般在 75%—85%,每立方米氢气电耗为 4—5 kW·h。因为电费占整个水电解制氢出产费用的 80%左右,导致其竞争力并不高。更多干货请重视微信大众号:氢能沙龙。因而水电解制氢本钱的关键在于耗能问题。由此引出两条降本钱的途径:一是下降电解进程中的能耗,二是选用低本钱电力为制氢质料。

  现在干流的电解水制氢技能有三品种型:包含碱性电解水制氢、质子交流膜电解水(PEM)制氢和固态氧化物电解水(SOEC)制氢,其间碱性电解水制氢是最为老练、工业化程度最广的制氢技能,但其电解功率仅为 60-75%,国外研发的 PEM技能与 SOEC 技能均能有用进步电解功率,尤其是 PEM 技能已引进国内商场。

  与其他国家比较,我国工业电价坐落中低水平。依据 2016 年统计数据,我国工业电价均匀为 0.107 美 元/千瓦时,居世界第八,仅为榜首名的三分之一。相对较低的电价为我国开展电解水制氢供给了有利条件。

  西北区域大工业电价偏低。分省份来看,波谷、波峰电价在全国排名榜首的别离是河北省和安徽省,青海省无论是波峰仍是波谷电价均为最低,全国波谷电价均匀为 0.33 元/千瓦时,波峰电价均匀为 0.90 元 /千瓦时。西南区域、西北区域的大工业用电价格遍及在全国均匀线以下,关于开展电解水制氢节省能耗更为有利。

  我国弃风弃电问题杰出,利好电解水制氢。近年来,新动力的继续快速开展现已远远超越电网承载才能,新动力耗费对立非常杰出。弃风、弃水电量呈逐年添加趋势。我国现在正大力推动可再生动力,由很多弃风、弃水产生的弃电是开展电解水制氢的有利条件。

  西北区域弃风弃电量居首位。跟着我国可再生动力装机量逐年增加,每年可再生动力弃电量惊人。2018年我国全国弃风弃电量 277 亿千瓦时,其间西北区域为 166.9 亿千瓦时,占全国的 60.25%,其次是华北区域(占全国 33.68%),东北区域占少数比例(全国 5.45%)。假如依照每立方氢气耗电 5 千瓦时来核算,全国弃风电量可出产 55.4 亿立方高纯度氢气。

  2018 年弃风弃电量排名前三的省份别离为新疆、内蒙古和甘肃,全国均匀弃风弃电率为 7%,这三个省份均超越了 10%。因为可再生资源丰厚,西北省份也是电价最低的区域。

  尽管我国每年产生很多的弃风弃电,但因为弃风弃电产生的电压不稳定、难以大规划推行等原因,其毕竟不是处理电解水制氢本钱问题的最优挑选。长时间来看,光伏和风电是电解水制氢企业取得低本钱电力的首要来历。

  为测算电解水制氢的本钱,假定制氢规划 1000 Nm3/h,年产氢 100 万 Nm3。测算进程及假定如下表:

  测算据测算,水电解制氢设备、设备、土建及其他总出资 1410 万元,每年用电等费用为 2700 万元,每年本钱算计 2954 万元,对应氢气本钱 3.69 元/Nm3。现别离核算不同制氢本钱情况下,对应的用电价格,如下表所示。

  测算氢气本钱与用电价格成正比联络,假如要求氢气本钱低于 2.6 元/Nm3,则用电价格要低于 0.50 元/kW·h。

  天然气的首要成分是甲烷(体积含量大于 85%),因而一般说的天然气制氢便是甲烷制氢。甲烷制氢办法首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)。其间甲烷水蒸气重整(SMR)是工业上最为老练的制氢技能,约占世界制氢量的 70%,因而本文要点针对此办法进行降本钱测算。

  甲烷水蒸气重整是指在催化剂存在及高温条件下,使甲烷与水蒸气产生反响生成组成气。为避免催化剂中毒,质料天然气需进行脱硫预处理至硫的质量分数小于 1×10-7,然后经过重整反响制备组成气,再经过水煤气改换反响将 CO 进一步转化为氢气和CO2,最终将 CO2 经过变压吸附(PSA)脱除得到氢气。

  关于天然气制氢来说,天然气本钱是占比最大的部分,约占出产本钱的45~75%(IEA)。因而其降本钱战略应首要重视天然气价格。

  我国天然气资源首要散布在中西盆地。受地质条件影响,地下天然气一般呈集合区散布,我国天然气探明储量的 80 %以上散布在鄂尔多斯、四川、塔里木、柴达木和莺—琼五大盆地。从 2017 年天然气产值散布数据来看,陕西、四川、新疆三个省份的天然气产值占全国的 73%,天然气气源散布非常会集。

  沿海区域天然气价格偏高,西北区域价格最低。天然气价格很大程度上受资源禀赋的影响,天然气资源丰厚的区域,价格相应偏低。非居民天然气价格现在正在逐步商场化。2019 年 3 月 27 日,国家发改委宣告调整各省天然气根本门站价格,经价格调整后,上海、广东、浙江等东南沿海区域天然气价格遍及高于均匀价 1.68 元/千立方米,新疆、青海等西北区域价格则低至 1.2 元/千立方米左右。

  假定制氢规划 1000 Nm3/h,年产氢 100 万 Nm3。测算进程及假定如下:

  天然气制氢设备、设备、土建及其他总出资 1528 万元,每年天然气费用为 672 万元(占总本钱的62.11%),每年本钱算计 1082.4 万元,对应氢气本钱 1.35 元/Nm3。现别离核算不同制氢本钱情况下,对应的天然气价格:

  2013 年,我国超越美国成为世界榜首大动力消费国,其间煤炭产值为 38.74 亿吨标煤,之后几年煤炭产值稍微走低至 2017 年的 35.2 亿吨,但 2018 年煤炭产值有所回升至 36.8 亿吨标煤。

  煤炭能够用于制备多种工业产品,其间煤制气的产能由 2017 年的 51 亿立方米/年同比增加 0.1%至2018 年的 51.05 亿立方米/年。更多干货请重视微信大众号:氢能沙龙。在此咱们首要对煤制氢的办法和本钱进行评论。煤是我国制氢的首要质料之一,能够经过多种办法制取氢气,但现在在我国氢气出产中占有首要方位的仍是煤气化制氢。

  关于煤气化制氢来说,煤炭本钱占比最大,能够占到总本钱的 40%~45%,因而在制氢设备价格较为固定,流程中所需条件难以大幅度改动的根底下,下降煤气化制氢本钱应该从下降煤炭价格下手。

  我国煤炭资源较为丰厚且散布广泛,全国 32 个省市(除上海外)都有煤炭资源,可是区域散布极不均衡,首要的格式是西多东少、北富南贫。其间山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州等五省煤炭探明储量占全国比重到达 81%以上,且这些区域的煤质遍及较好。由 2018 年上半年全国各省分原煤产值也能够看出,内蒙古、陕西、山西三个省市产值占全国的 68%,由此可见西北部煤炭产值具有显着优势。

  因为不同品种的煤价格有别,在这儿咱们首要调查各省份动力煤的价格,能够发现在煤炭储量和产值较多的区域比方内蒙古、山西等省份,相同品种煤炭的价格也相对其他省份较低。依据我国煤炭商场网发布的到到 2019 年 1 月的数据,全国部分省份动力煤价格如下,其间需求要点重视的是内蒙古动力煤价格仅为 360 元/吨,而混煤的价格是 170 元/吨。

  在对煤气化制氢本钱的测算中,参阅中石化经济技能研究院 2015 年对煤气化制氢本钱的剖析,在中石化经济研究院的本钱剖析中假定煤炭的价格是 600 元/吨,水煤浆制氢设备为 12.4 亿元,出产的氢气规划为9 × 104m3/h。咱们假定:

  尽管副产品中的二氧化碳能够注入油田来削减对其的加工处理,可是该运用因为运送方面等问题还未得到大规划的运用。一起近几年国家关于排放废气的规范越来越严,因而假定副产品费用不改动

  经过上述测算,咱们能够发现当煤炭价格为 600 元时,大规划煤气化出产氢气的本钱为 1.1 元/Nm3。假如将制氢场所定在内蒙古,煤炭价格下降为 200 元时,制氢气的本钱或许下降为 0.34 元/Nm3。

  因为现在煤炭资源简直悉数把握在国家手中,煤炭价格难以有大幅度的下降。而且如今煤气化制氢的规划现已较大,在人工费用逐步增加的情况下,未来很难经过规划效应来削减每立方米氢气的出产本钱。因而尽管现在经过测算所得的煤气化制氢的本钱较低,但未来煤气化制氢本钱的下降空间有限。

  化工副产品制氢首要能够分为焦炉气制氢、氯碱副产品制氢、丙烷脱氢和乙烷裂解等几种办法,其间氯碱副产品制氢的因为工艺本钱最为适中且所制取的氢气纯度较高级优势,成为现在化工副产品中较为适合的制氢办法。

  氯碱制氢是以食盐水(NaCl)为质料,选用离子膜或许石棉隔阂电解槽出产烧碱(NaOH)

  和氯气,一起得到副产品氢气的工艺办法。之后再运用 PSA 等技能去除氢气中的杂质即可得到纯度高于 99%的氢气。

  国家统计局的数据显现,2018 年氯碱厂的产值为 2620.5 万吨,依据氯碱平衡表,烧碱与氢气的产值配比为 40:1,理论上 2018 年氯碱副产品制氢产生了 65.5 万吨氢气,即 73.8 亿Nm3的氢气。

  现在氯碱工业中本钱最高的部分是用电本钱,运用离子膜法出产烧碱所需的电耗 2150~2200 kWh/t。上面电解水部分现已对我国电价的根本情况进行了介绍,这儿就不做赘述。

  2013 年,丙烷开端作为化工质料被大规划运用,当年我国进口丙烷数量为 245 吨,这以后进口量逐年上升至 1350 万吨。与此一起,丙烷脱氢项目也在不断开展。截止 2019 年 1 月,我国现已建成的丙烷脱氢项目合计出产才能 467 万吨/年,其间山东和江苏两个省份处于抢先方位。职业界现已发布的规划和在建的丙烷脱氢项目合计 45 个,触及出产才能 2605 万吨/年。若规划和在建的丙烷脱氢项目都已完结,估计能够副产并外售 86.8 万吨氢能,未来开展空间巨大,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挑选之一。

  乙烯是我国需求量最大的烯烃之一,是组成塑料、纤维和橡胶的根底质料。依据我国工业信息网的信息,曩昔十年我国的乙烯表观消费快速增加,从 2008 年的 1096 万吨增加到 2017 年的 2143 万吨,年均复合增加率为 8%。跟着乙烷裂解技能的逐步老练,国内企业开端布局乙烷裂解的大规划出产,估计到 2021年,乙烷裂解出产乙烯的乙烯产值将占比挨近 41%,而氢气作为乙烷裂解的副产品之一,也会跟着乙烷裂解技能的不断进步而产值快速增加。现在我国规划中的乙烷裂解产能到达 1460 万吨,能够副产并外售的氢气到达 90.4 万吨。所以乙烷裂解副产品制氢同丙烷脱氢制氢相同,都是未来潜在最具优势的燃料电池车用氢源挑选之一。

  姑苏竞立制氢设备有限公司建立于 1993 年,是一家集研发、出产、出售水电解制氢设备、气体纯化、收回设备及各品种型的氢能专业设备于一体的高新技能企业,在国内水电解制氢设备商场排名抢先,并参加多个国家项目和参加拟定多项国家规范。

  作为国内最早一批进入水电解制氢设备职业的企业,姑苏竞立建立二十多年以来,一直坚持技能创新,成为国内制氢设备顶尖技能的典型代表。公司研发的水电解制氢设备产值规模从0.3m3/h 至 1000m3/h,其首要产品大型制氢设备(1000m3/h)首要用于电转气的商场需求,可有用处理弃风、弃光等问题。

  在可再生动力制氢范畴,姑苏竞立正在承当由某世界闻名油气企业和国内企业协作可再生动力制氢项目。姑苏竞立在原有设备根底上做了改善,使之能够接受正常电流 20%~110%的改变,以习惯可再生动力的动摇性需求,现在设备现已做了一段时间的模仿测验,接下来会到风电场进行实地测验。

  公司建立于 1999 年,是广东省广物控股集团有限公司(广东最大的省属国有企业之一)的控股企业,公司的事务规模包含成品油及化工品交易、燃油及化工品储罐、燃料油船运、码头运作事务等。

  东莞巨正源科技有限公司是深圳巨正源的全资子公司,也是 120 万吨丙烷脱氢制高性能聚丙烯项目的施行主体。近来,该项目在沙田镇立沙岛精细化工园区完结了产品别离塔吊装典礼,标志着项目建造全面进入攻坚阶段。该项目出资 105 亿元,用地面积 984 亩,是广东省要点建造项目,按计划,该项目分为两期建造,一期项目每年可产氢气 2.8 万吨,二期项目建成后可构成15~20 万吨/年的氢气产能,能够保证广东省全省氢动力轿车的动力供给。

  广东联悦氢能有限公司于 2017 年 6 月 30 日在广东省云浮市注册建立。公司是南我国区域较大的、专心于氢气产品出产和出售动力气体公司,具有职业先进、抢先的设备和工艺,在制氢、运氢范畴具有较强的技能优势和多年堆集的丰厚经历。公司占地面积 5000 平米,每小时产能可达 1000m3,是华南区域最大的氢气专业出产经营企业之一。现在现已在江门、赣州、郴州和云浮别离出资建造了 4 座氢气工厂。

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