氢气制备与储运，关注“无限资源”的成本硬约束
时间：2021-04-07 00:00:00 浏览：0次 来源： 氢能和燃料电池(H2-weixin) 作者：科技与信息化管理部
恢复窄屏
摘要：氢气是无限资源，但也是区域成本差异很大的二次能源，不同的制取方式、不同的储运方式将使得氢气成本有较大的差异性，未来不同的地区应该根据自身的特点选择不同的气源和运输方式，来化解客观存在的成本约束。 去年10月，中国（佛山）国际氢能与燃料电池技术及产品展览会期间，我的同事拉我去看一块佛山市政府预备批给我们公司的一块产业园用地，他把我带到南海区一片空地旁边的楼顶，一边给我讲解着土地的规划，一边指着不远处一片杂草地说：“那边是公交车站，那里停的都是氢燃料公交车，因为没有氢气，所以，这些几百万一辆的车就停在这里。"这与樵山文化中心热情洋溢的展览与论坛很不相称。 近期媒体开始关注到佛山气源短缺的问题，记者爆出，由于距离佛山最近的副产氢东莞的巨正源公司制氢项目无法按期正常投运，致使佛山上游气体供应跟不上下游车辆投放的需求。 佛山全市已开通56条氢能公交线路，购置上牌氢能公交车1000辆，而投运的氢燃料电池汽车只有不到一半，其中物流车448辆，氢能客车3辆；建成加氢站24座，其中已投入运营17座。但在做大需求端的同时，供给端不足的矛盾日益凸显，佛山的氢气供应非常吃紧，原本就比上海和山东更贵的价格在供不应求的形势下进一步上窜： “佛山大部分氢燃料电池汽车的加氢价格已经由去年的70元/kg涨到80元/kg，使得这些车辆每消耗一公斤氢气就亏损10元。”（氢燃料电池论坛） 这个价格比国家“以奖代补”政策要求的"氢能示范城市的氢气价格在35元/kg以下"高出一倍以上。 对一辆常规的氢燃料电池物流车来说，每跑百公里所耗氢量大约3kg，按照目前佛山氢气80/kg的价格，每百公里成本约240元，这远高于柴油车在110元左右的成本，而且汽油车的百公里油耗成本通常不到柴油车的一半，这样燃料电池车的市场化就存在很大的疑问了。 如果人类追溯到农耕的时代，我们的祖先赖以生存的能源都来自大自然中的阳光、空气、水和火。即使往前推40年、50年，中国还有很多的农村没有通电，没有洗衣机、电冰箱、电风扇，也没有汽车、拖拉机，我们家用的主要能源来自秸秆和木材，而阳光、空气、水是这个世界所有生命的能源保障。 能源，我们今天熟悉的能源，煤炭、石油、天然气，这些高密度能源都是工业文明的产物，煤炭成就了蒸汽机和机械化、电气化，石油天然气成就了汽车、飞机、船舶等交通产业，但化石能源带来了二氧化碳排放和空气污染，也带来了资源约束下的战争与博弈。 人类期待能够回到没有约束、没有污染的无限供给的能源时代，致力于太阳能、风能、生物质能源和氢能等可再生能源的研究，它们取之不尽用之不竭。然而工业社会对能源的需求不仅是晒干衣服或是做几条风干鱼，只有提高这些原始能源的密度才能满足工业和交通的需求。 氢气作为能源是补充可再生能源的不足，是世界上含量最多的元素。尽管氢充斥在我们生活的很多物质中，但却从来都无法单独存在，因此，这种无限资源的获取就受制于有限的条件：氢从哪里来？怎样获取独立的氢气？ 氢对我们并不陌生，氢气球、医学、工业、和航天都用到氢气，获取少量的氢气并不是一件困难的事情，但如果将氢作为能源则需要大规模可提取氢气的物质，这包括化石能源中的煤、天然气和工业排放的尾气中含的氢气，以及世界上最多的水。 比如工业副产氢必须是现有的冶炼或化工厂，也就是说上海、武汉、山东等重工业城市在工业副产氢上更具有优势。 而化石能源制氢则受制于煤炭、天然气资源，就像日本用汶莱和澳洲的褐煤制氢一样，依然是需要有资源，在国内，内蒙、山西更倾向用煤化工制取氢气。 电解水制氢是初中生在实验室就要经历的最简单的化学反应，但条件是电，通常，5度电生产1标方氢气，但只有光伏、风电、水电、核电这些可再生能源制氢才能做到真正的环保。按照我国目前光伏装机容量，10%不能上网的可再生能源若用于制氢，按6小时/天利用率，能耗55kWh/kgH2，可制氢1万吨/天，足够为30万辆重卡提供燃料。目前成渝地区的水电和西北地区的光伏成本更具有竞争优势。 根据市场统计，去年下半年，巨正源PDH副产氢停后，佛山氢气紧张，业主采购的渠道比较多。有原来的普莱克斯、液空、华特等，市场价到站大概40元/kg；本地甲醇制氢气源到站46-50元/kg；补充的有新引进距离远的市场价大约60-80元/kg之间；外地气源甚至高达110-130元/kg。佛山平均氢气价格达到70-80元/kg。而来自长三角地区的氢气到站价格只有30-35元/kg。 佛山氢气的短缺简单地归咎于巨正源纯化项目只是其中一个理由，主要原因还是由广东省的产业结构和资源禀赋决定的，当地如果没有丰富的副产氢、化石能源或是充足的可再生能源，就缺乏氢气资源的成本优势。 从距离资源较远的城市开始启动燃料电池汽车产业的好处是会遇到更多的问题，找出更多的解决方案；坏处则是遭遇更多的挫折，花费更高的成本。 有人奇怪深圳这个创新精神很强的城市在氢能产业示范城市上不积极，认为是比亚迪屏蔽了燃料电池产业，其实，以深圳的产业结构和寸土寸金的城市规划，现阶段发展氢能不一定是一个好的时机。选择距离氢气生产地比较近的上海、山东、武汉、西南、西北等率先推广燃料电池汽车试点的代价会小得多。 燃料电池技术在试用过程中日趋成熟，成本也将在规模化的过程中快速下降，但气体的来源和成本将影响各城市燃料电池汽车的竞争力。一家燃料电池企业说，他们每天用于测试的氢气就有400公斤左右，如果氢气成本相差10元/公斤，按照每月22个工作日计算每个月的测试费就差88000元，如果应用端每天每辆车加氢10公斤，每辆车每天的运行成本就差100元，每个月就差3000元，如果1000辆车运行每年就相差3600万元的成本。 自人类能源革命以来不仅遵从减碳加氢的发展规律，同时也是能源密度不断提升的过程，这一过程伴随着能源形态从固体到液体、再到气体、甚至是没有形态和体积的电。 能源从固体到液体再到气体，能量的密度越来越高，碳的含量越来越低，氢气的比例越来越高，储运的难度越来越大，石油的运输比煤炭更复杂，天然气的运输又比石油的运输更复杂。 气体的扩散性决定了其管理的难度，储运技术的突破是气体能源得以大规模应用的先决条件。 早在公元前2000年人类就发现了天然气的存在，直到1890年，人类发明了防漏管线连接技术，天然气的运输才取得了突破。管道运输和液化天然气（LNG）技术的成熟是天然气得以贸易和大规模利用的基础，LNG是天然气（甲烷CH4）在经净化及超低温状态下（-162℃、一个大气压）冷却液化的产物。液化后的天然气其体积大大减少，约为0℃、1个大气压时天然气体积的1/600，也就是说1立方米LNG气化后可得600立方米天然气。 1927年至1931年，美国建设了十几条大型燃气输送系统。1914年天然气液化技术开发成功，1942年美国的克利夫兰建成了世界第一座工业规模的LNG生产装置，1959年第一艘LNG运输船”甲烷先锋号“实现首次跨海运输，到上世纪70年代天然气储运技术趋于成熟，90年代末期才开始大规模发展。 除管道和液化长距离运输以外，短距离运输还有压缩天然气，压缩天然气是在一定压力下（如25MPa）储存在高压管输车内运输，并在高压气瓶内用作汽车燃料。 由于氢气受制于三种制备来源，氢气依然需要解决储运问题，天然气的高压、液化和管道运输被复制到氢气的储运。因为氢气的重量更轻，气体更加活跃，其储存和运输的管理难度更高。目前，氢气的运输方式比天然气还要多。 目前国内用的高压长管拖车是20MPa，车载储氢瓶是35MPa。氢气的运输成本，100公里运输成本大约10元/kg。这个运量在行业发展初期基本可以满足工程测试的需求，但对于已经进入规模化发展的日本来说，它们采用的是50MPa的管束车。 以目前的压力和运输量，一辆管束车运送的量只够20辆商用车使用，如果批量生产，这样的比例将给公路上增加大量的管束车，所以一定要增加管束车的压力。 国内长管拖车主要有中集安瑞科、浙江蓝能、新兴能源装备、辽宁众邦能源装备等企业。 中集安瑞科长管拖车的压力增加到30MPa时，氢气装载量从20MPa的382公斤上升至625公斤，增加64%。余压7MPa卸气量增加93%；余压5MPa时卸气量增加82%；每公斤运费下降1.8倍；百公里运输成本从10元/kg下降至6元/kg。如果压力进一步上升，将进一步降低运输成本。 液态储氢可以实现常压下的运输，而且储量比高压氢高3-10倍，是一种长距离高效安全的运输方式。 不过事情并没有那么简单，氢气液化的温度比天然气低了近100度，到零下253度，液化的耗电量非常大，而且对于透平设备和保温材料的要求也非常高，否则运输过程中会挥发损耗。所以，一般用在不计成本的航空航天领域，液氢用于民用的经济性需要对应规模与距离。 因为我国用氢与产氢地区距离较远，尤其是可再生能源制氢的运输需要从西北地区输送至华南、华东、华中等地区，所以，未来长距离运氢在所难免。 国内投入液氢的企业航天101所、中科富海、国富氢能等都在推进相关的液氢项目，而国内天然气液化装备龙头企业张家港圣达因（中集安瑞科旗下企业）则承担了氢能液化装备的国家863科研项目。 氢的液化是一项成熟的技术，最早由英国的JamesDewar于1898年通过J－T节流实现，到1902年出现了Claude循环。只是因为成本高，氢能产业链没有进入规模化生产。 但目前液氢也是国外推广燃料电池的一种重要的储运方式，其中北美占了全球液氢产能总量的85%以上，美国本土已有15座以上的液氢工厂，液氢产能达326t/d，居于全球首位，加拿大还有80t/d的液氢产能也为美国所用，其中液氢产能的10%左右的液氢用于氢燃料电池的应用。 不过燃料电池汽车还没有进入规模化应用阶段，液氢的成本是非常高的，美国最大的液氢工程每天产能不到70t/d，项目投资近5亿美元，液氢每公斤生产成本5美元多。 而在日本千代田、德国Hydrogenious公司采用的另外一种液态储氢方式是LOHC（液态有机物储氢技术），其原理是借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂和氢气的一对可逆反应来实现加氢和脱氢，质量储氢密度在5%-10%，储氢量大，储氢材料为液态有机物，可以实现常温常压运输，方便安全。 在天然气储运中，管道运输是国际贸易和长途运输的主要渠道，可有效降低运输成本。管道输送方式以高压气态或液态氢的管道输送为主。管道“掺氢”和“氢油同运”技术是实现长距离、大规模输氢的重要环节。 全球管道输氢起步已有80多年，美国、欧洲已分别建成2400km、1500km 的输氢管道。我国已有多条输氢管道在运行，如中国石化洛阳炼化济源—洛阳的氢气输送管道全长为25km，年输气量为10.04万吨；乌海—银川焦炉煤气输气管线管道全长为 216.4km，年输气量达 16.1×108m3 ，主要用于输送焦炉煤气和氢气混合气。 “液态阳光”（Liquid Sunshine）是中国科学院大连物理化学研究所李灿院士主导的一种氢气储存方式，即水经太阳光光解制氢，空气中的二氧化碳加氢生成甲醇。 首先是利用电能水分解制氢，把电能变为氢能，氢能目前存储成本高，故进一步利用二氧化碳加氢技术合成甲醇，把氢能再存储在甲醇中，甲醇运输方便，可以最大程度解决能量的存储和运输问题。将氢气比较复杂的运输变成甲醇的简单运输，降低运输过程中的高压或液化成本。 目前大连物化所的液态阳光项目落地兰州新区化工园区。不过液态阳光比氢气多一次转换，会导致电能消耗和能源损耗。 除了这些比较主流的大规模储氢技术还有固态储氢和其他介质的吸附储氢。总体看来，各种储氢适合不同的规模和运输距离，尽管从理论上有一些比较，但各条技术路线都一定程度上还存在一些瓶颈，在现有规模下，高压储氢依然是最现实的需求。 相比日本和韩国的燃料电池产业，中国地方政府是非常大的推动力，这样的机制造就了光伏、风电及电动汽车等产业的兴起，但同时由于缺乏顶层设计，产业也很难避免发展过程中的盲目性。如果从氢气供应便利的地方开始，氢能和燃料电池的推广显然会更加顺利一些。但无奈的是，各地方政府对清洁能源产业的认知不同，所以，以地方政府和企业率先推动的产业很难做到理想状态。 从氢气的制备方法和储运方式来看，气体的成本不仅仅是简单的原材料成本，由于氢气的来源不同，成本核算将是一项非常专业的配比技能，现在，我们只能期待在市场驱动下，氢气的供应体系和大数据运算可以尽快弥补先行城市的资源短板了。
陕公网安备 61019102000282号 能源监管热线：12398
