氫氣制備與儲運，關(guān)注“無限資源”的成本硬約束
時間：2021-04-07 00:00:00 瀏覽：1811次 來源： 氫能和燃料電池(H2-weixin) 作者：科技與信息化管理部
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摘要：氫氣是無限資源，但也是區(qū)域成本差異很大的二次能源，不同的制取方式、不同的儲運方式將使得氫氣成本有較大的差異性，未來不同的地區(qū)應(yīng)該根據(jù)自身的特點選擇不同的氣源和運輸方式，來化解客觀存在的成本約束。 去年10月，中國（佛山）國際氫能與燃料電池技術(shù)及產(chǎn)品展覽會期間，我的同事拉我去看一塊佛山市政府預(yù)備批給我們公司的一塊產(chǎn)業(yè)園用地，他把我?guī)У侥虾^(qū)一片空地旁邊的樓頂，一邊給我講解著土地的規(guī)劃，一邊指著不遠處一片雜草地說：“那邊是公交車站，那里停的都是氫燃料公交車，因為沒有氫氣，所以，這些幾百萬一輛的車就停在這里。"這與樵山文化中心熱情洋溢的展覽與論壇很不相稱。 近期媒體開始關(guān)注到佛山氣源短缺的問題，記者爆出，由于距離佛山最近的副產(chǎn)氫東莞的巨正源公司制氫項目無法按期正常投運，致使佛山上游氣體供應(yīng)跟不上下游車輛投放的需求。 佛山全市已開通56條氫能公交線路，購置上牌氫能公交車1000輛，而投運的氫燃料電池汽車只有不到一半，其中物流車448輛，氫能客車3輛；建成加氫站24座，其中已投入運營17座。但在做大需求端的同時，供給端不足的矛盾日益凸顯，佛山的氫氣供應(yīng)非常吃緊，原本就比上海和山東更貴的價格在供不應(yīng)求的形勢下進一步上竄： “佛山大部分氫燃料電池汽車的加氫價格已經(jīng)由去年的70元/kg漲到80元/kg，使得這些車輛每消耗一公斤氫氣就虧損10元。”（氫燃料電池論壇） 這個價格比國家“以獎代補”政策要求的"氫能示范城市的氫氣價格在35元/kg以下"高出一倍以上。 對一輛常規(guī)的氫燃料電池物流車來說，每跑百公里所耗氫量大約3kg，按照目前佛山氫氣80/kg的價格，每百公里成本約240元，這遠高于柴油車在110元左右的成本，而且汽油車的百公里油耗成本通常不到柴油車的一半，這樣燃料電池車的市場化就存在很大的疑問了。 如果人類追溯到農(nóng)耕的時代，我們的祖先賴以生存的能源都來自大自然中的陽光、空氣、水和火。即使往前推40年、50年，中國還有很多的農(nóng)村沒有通電，沒有洗衣機、電冰箱、電風(fēng)扇，也沒有汽車、拖拉機，我們家用的主要能源來自秸稈和木材，而陽光、空氣、水是這個世界所有生命的能源保障。 能源，我們今天熟悉的能源，煤炭、石油、天然氣，這些高密度能源都是工業(yè)文明的產(chǎn)物，煤炭成就了蒸汽機和機械化、電氣化，石油天然氣成就了汽車、飛機、船舶等交通產(chǎn)業(yè)，但化石能源帶來了二氧化碳排放和空氣污染，也帶來了資源約束下的戰(zhàn)爭與博弈。 人類期待能夠回到?jīng)]有約束、沒有污染的無限供給的能源時代，致力于太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能源和氫能等可再生能源的研究，它們?nèi)≈槐M用之不竭。然而工業(yè)社會對能源的需求不僅是曬干衣服或是做幾條風(fēng)干魚，只有提高這些原始能源的密度才能滿足工業(yè)和交通的需求。 氫氣作為能源是補充可再生能源的不足，是世界上含量最多的元素。盡管氫充斥在我們生活的很多物質(zhì)中，但卻從來都無法單獨存在，因此，這種無限資源的獲取就受制于有限的條件：氫從哪里來？怎樣獲取獨立的氫氣？ 氫對我們并不陌生，氫氣球、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、和航天都用到氫氣，獲取少量的氫氣并不是一件困難的事情，但如果將氫作為能源則需要大規(guī)?？商崛錃獾奈镔|(zhì)，這包括化石能源中的煤、天然氣和工業(yè)排放的尾氣中含的氫氣，以及世界上最多的水。 但這些大規(guī)模的物質(zhì)依然是有條件的： 比如工業(yè)副產(chǎn)氫必須是現(xiàn)有的冶煉或化工廠，也就是說上海、武漢、山東等重工業(yè)城市在工業(yè)副產(chǎn)氫上更具有優(yōu)勢。 而化石能源制氫則受制于煤炭、天然氣資源，就像日本用汶萊和澳洲的褐煤制氫一樣，依然是需要有資源，在國內(nèi)，內(nèi)蒙、山西更傾向用煤化工制取氫氣。 電解水制氫是初中生在實驗室就要經(jīng)歷的最簡單的化學(xué)反應(yīng)，但條件是電，通常，5度電生產(chǎn)1標方氫氣，但只有光伏、風(fēng)電、水電、核電這些可再生能源制氫才能做到真正的環(huán)保。按照我國目前光伏裝機容量，10%不能上網(wǎng)的可再生能源若用于制氫，按6小時/天利用率，能耗55kWh/kgH2，可制氫1萬噸/天，足夠為30萬輛重卡提供燃料。目前成渝地區(qū)的水電和西北地區(qū)的光伏成本更具有競爭優(yōu)勢。 根據(jù)市場統(tǒng)計，去年下半年，巨正源PDH副產(chǎn)氫停后，佛山氫氣緊張，業(yè)主采購的渠道比較多。有原來的普萊克斯、液空、華特等，市場價到站大概40元/kg；本地甲醇制氫氣源到站46-50元/kg；補充的有新引進距離遠的市場價大約60-80元/kg之間；外地氣源甚至高達110-130元/kg。佛山平均氫氣價格達到70-80元/kg。而來自長三角地區(qū)的氫氣到站價格只有30-35元/kg。 佛山氫氣的短缺簡單地歸咎于巨正源純化項目只是其中一個理由，主要原因還是由廣東省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和資源稟賦決定的，當?shù)厝绻麤]有豐富的副產(chǎn)氫、化石能源或是充足的可再生能源，就缺乏氫氣資源的成本優(yōu)勢。 從距離資源較遠的城市開始啟動燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的好處是會遇到更多的問題，找出更多的解決方案；壞處則是遭遇更多的挫折，花費更高的成本。 有人奇怪深圳這個創(chuàng)新精神很強的城市在氫能產(chǎn)業(yè)示范城市上不積極，認為是比亞迪屏蔽了燃料電池產(chǎn)業(yè)，其實，以深圳的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和寸土寸金的城市規(guī)劃，現(xiàn)階段發(fā)展氫能不一定是一個好的時機。選擇距離氫氣生產(chǎn)地比較近的上海、山東、武漢、西南、西北等率先推廣燃料電池汽車試點的代價會小得多。 燃料電池技術(shù)在試用過程中日趨成熟，成本也將在規(guī)?；倪^程中快速下降，但氣體的來源和成本將影響各城市燃料電池汽車的競爭力。一家燃料電池企業(yè)說，他們每天用于測試的氫氣就有400公斤左右，如果氫氣成本相差10元/公斤，按照每月22個工作日計算每個月的測試費就差88000元，如果應(yīng)用端每天每輛車加氫10公斤，每輛車每天的運行成本就差100元，每個月就差3000元，如果1000輛車運行每年就相差3600萬元的成本。 03 儲運成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵 自人類能源革命以來不僅遵從減碳加氫的發(fā)展規(guī)律，同時也是能源密度不斷提升的過程，這一過程伴隨著能源形態(tài)從固體到液體、再到氣體、甚至是沒有形態(tài)和體積的電。 能源從固體到液體再到氣體，能量的密度越來越高，碳的含量越來越低，氫氣的比例越來越高，儲運的難度越來越大，石油的運輸比煤炭更復(fù)雜，天然氣的運輸又比石油的運輸更復(fù)雜。 氣體的擴散性決定了其管理的難度，儲運技術(shù)的突破是氣體能源得以大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。 早在公元前2000年人類就發(fā)現(xiàn)了天然氣的存在，直到1890年，人類發(fā)明了防漏管線連接技術(shù)，天然氣的運輸才取得了突破。管道運輸和液化天然氣（LNG）技術(shù)的成熟是天然氣得以貿(mào)易和大規(guī)模利用的基礎(chǔ)，LNG是天然氣（甲烷CH4）在經(jīng)凈化及超低溫狀態(tài)下（-162℃、一個大氣壓）冷卻液化的產(chǎn)物。液化后的天然氣其體積大大減少，約為0℃、1個大氣壓時天然氣體積的1/600，也就是說1立方米LNG氣化后可得600立方米天然氣。 1927年至1931年，美國建設(shè)了十幾條大型燃氣輸送系統(tǒng)。1914年天然氣液化技術(shù)開發(fā)成功，1942年美國的克利夫蘭建成了世界第一座工業(yè)規(guī)模的LNG生產(chǎn)裝置，1959年第一艘LNG運輸船”甲烷先鋒號“實現(xiàn)首次跨海運輸，到上世紀70年代天然氣儲運技術(shù)趨于成熟，90年代末期才開始大規(guī)模發(fā)展。 除管道和液化長距離運輸以外，短距離運輸還有壓縮天然氣，壓縮天然氣是在一定壓力下（如25MPa）儲存在高壓管輸車內(nèi)運輸，并在高壓氣瓶內(nèi)用作汽車燃料。 由于氫氣受制于三種制備來源，氫氣依然需要解決儲運問題，天然氣的高壓、液化和管道運輸被復(fù)制到氫氣的儲運。因為氫氣的重量更輕，氣體更加活躍，其儲存和運輸?shù)墓芾黼y度更高。目前，氫氣的運輸方式比天然氣還要多。 目前國內(nèi)用的高壓長管拖車是20MPa，車載儲氫瓶是35MPa。氫氣的運輸成本，100公里運輸成本大約10元/kg。這個運量在行業(yè)發(fā)展初期基本可以滿足工程測試的需求，但對于已經(jīng)進入規(guī)?；l(fā)展的日本來說，它們采用的是50MPa的管束車。 以目前的壓力和運輸量，一輛管束車運送的量只夠20輛商用車使用，如果批量生產(chǎn)，這樣的比例將給公路上增加大量的管束車，所以一定要增加管束車的壓力。 國內(nèi)長管拖車主要有中集安瑞科、浙江藍能、新興能源裝備、遼寧眾邦能源裝備等企業(yè)。 中集安瑞科長管拖車的壓力增加到30MPa時，氫氣裝載量從20MPa的382公斤上升至625公斤，增加64%。余壓7MPa卸氣量增加93%；余壓5MPa時卸氣量增加82%；每公斤運費下降1.8倍；百公里運輸成本從10元/kg下降至6元/kg。如果壓力進一步上升，將進一步降低運輸成本。 液態(tài)儲氫可以實現(xiàn)常壓下的運輸，而且儲量比高壓氫高3-10倍，是一種長距離高效安全的運輸方式。 不過事情并沒有那么簡單，氫氣液化的溫度比天然氣低了近100度，到零下253度，液化的耗電量非常大，而且對于透平設(shè)備和保溫材料的要求也非常高，否則運輸過程中會揮發(fā)損耗。所以，一般用在不計成本的航空航天領(lǐng)域，液氫用于民用的經(jīng)濟性需要對應(yīng)規(guī)模與距離。 因為我國用氫與產(chǎn)氫地區(qū)距離較遠，尤其是可再生能源制氫的運輸需要從西北地區(qū)輸送至華南、華東、華中等地區(qū)，所以，未來長距離運氫在所難免。 國內(nèi)投入液氫的企業(yè)航天101所、中科富海、國富氫能等都在推進相關(guān)的液氫項目，而國內(nèi)天然氣液化裝備龍頭企業(yè)張家港圣達因（中集安瑞科旗下企業(yè)）則承擔(dān)了氫能液化裝備的國家863科研項目。 氫的液化是一項成熟的技術(shù)，最早由英國的JamesDewar于1898年通過J－T節(jié)流實現(xiàn)，到1902年出現(xiàn)了Claude循環(huán)。只是因為成本高，氫能產(chǎn)業(yè)鏈沒有進入規(guī)模化生產(chǎn)。 但目前液氫也是國外推廣燃料電池的一種重要的儲運方式，其中北美占了全球液氫產(chǎn)能總量的85%以上，美國本土已有15座以上的液氫工廠，液氫產(chǎn)能達326t/d，居于全球首位，加拿大還有80t/d的液氫產(chǎn)能也為美國所用，其中液氫產(chǎn)能的10%左右的液氫用于氫燃料電池的應(yīng)用。 不過燃料電池汽車還沒有進入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，液氫的成本是非常高的，美國最大的液氫工程每天產(chǎn)能不到70t/d，項目投資近5億美元，液氫每公斤生產(chǎn)成本5美元多。 而在日本千代田、德國Hydrogenious公司采用的另外一種液態(tài)儲氫方式是LOHC（液態(tài)有機物儲氫技術(shù)），其原理是借助某些烯烴、炔烴或芳香烴等儲氫劑和氫氣的一對可逆反應(yīng)來實現(xiàn)加氫和脫氫，質(zhì)量儲氫密度在5%-10%，儲氫量大，儲氫材料為液態(tài)有機物，可以實現(xiàn)常溫常壓運輸，方便安全。 在天然氣儲運中，管道運輸是國際貿(mào)易和長途運輸?shù)闹饕溃?span helvetica="" neue="" style="text-align: justify;max-width: 100%;font-family: -apple-system-font, BlinkMacSystemFont, ">可有效降低運輸成本。管道輸送方式以高壓氣態(tài)或液態(tài)氫的管道輸送為主。管道“摻氫”和“氫油同運”技術(shù)是實現(xiàn)長距離、大規(guī)模輸氫的重要環(huán)節(jié)。 全球管道輸氫起步已有80多年，美國、歐洲已分別建成2400km、1500km 的輸氫管道。我國已有多條輸氫管道在運行，如中國石化洛陽煉化濟源—洛陽的氫氣輸送管道全長為25km，年輸氣量為10.04萬噸；烏海—銀川焦爐煤氣輸氣管線管道全長為 216.4km，年輸氣量達 16.1×108m3 ，主要用于輸送焦爐煤氣和氫氣混合氣。 “液態(tài)陽光”（Liquid Sunshine）是中國科學(xué)院大連物理化學(xué)研究所李燦院士主導(dǎo)的一種氫氣儲存方式，即水經(jīng)太陽光光解制氫，空氣中的二氧化碳加氫生成甲醇。 首先是利用電能水分解制氫，把電能變?yōu)闅淠埽瑲淠苣壳按鎯Τ杀靖?，故進一步利用二氧化碳加氫技術(shù)合成甲醇，把氫能再存儲在甲醇中，甲醇運輸方便，可以最大程度解決能量的存儲和運輸問題。將氫氣比較復(fù)雜的運輸變成甲醇的簡單運輸，降低運輸過程中的高壓或液化成本。 目前大連物化所的液態(tài)陽光項目落地蘭州新區(qū)化工園區(qū)。不過液態(tài)陽光比氫氣多一次轉(zhuǎn)換，會導(dǎo)致電能消耗和能源損耗。 除了這些比較主流的大規(guī)模儲氫技術(shù)還有固態(tài)儲氫和其他介質(zhì)的吸附儲氫。總體看來，各種儲氫適合不同的規(guī)模和運輸距離，盡管從理論上有一些比較，但各條技術(shù)路線都一定程度上還存在一些瓶頸，在現(xiàn)有規(guī)模下，高壓儲氫依然是最現(xiàn)實的需求。 相比日本和韓國的燃料電池產(chǎn)業(yè)，中國地方政府是非常大的推動力，這樣的機制造就了光伏、風(fēng)電及電動汽車等產(chǎn)業(yè)的興起，但同時由于缺乏頂層設(shè)計，產(chǎn)業(yè)也很難避免發(fā)展過程中的盲目性。如果從氫氣供應(yīng)便利的地方開始，氫能和燃料電池的推廣顯然會更加順利一些。但無奈的是，各地方政府對清潔能源產(chǎn)業(yè)的認知不同，所以，以地方政府和企業(yè)率先推動的產(chǎn)業(yè)很難做到理想狀態(tài)。 從氫氣的制備方法和儲運方式來看，氣體的成本不僅僅是簡單的原材料成本，由于氫氣的來源不同，成本核算將是一項非常專業(yè)的配比技能，現(xiàn)在，我們只能期待在市場驅(qū)動下，氫氣的供應(yīng)體系和大數(shù)據(jù)運算可以盡快彌補先行城市的資源短板了。
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