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【www.2061.com】氢能这么火热,还不快来了解下?

摘要:本文将简单介绍发展氢能的必要性,为大家展示一个简化版的氢产业链模型,分析其未来可能的发展方向及发展瓶颈,希望读者对氢能有个初步的了解。

前 言:

随着全球化石燃料消耗量日益增加,人类对环境造成的污染日益严重,能源的清洁化也成了能源供给行业的一个必然趋势,为了减少温室气体的排放,一场遍布全球低碳能源革命也正在轰轰烈烈的进行。而这一革命的基石毫无疑问是发展新能源技术,寻找一种作为化石能源替代品的清洁能源。

在工业大麻、边缘计算等题材被轮番炒作后,氢能源又获得资金关注,再次成为市场热点。

自然界中清洁能源的资源无处不在,想要将各类能源有效利用起来,却是一个不小的问题。虽然在各地风力发电、光伏早就已经不再是什么新鲜的事物,但是风能、光能作为大自然中无限的资源,却不是能够轻易控制的,由此获得的电能也毕竟是一种看不见摸不着的能量媒质,电能的存储、运输相比实实在在的化学燃料都要困难很多。一个值得努力的方向是,将这些不可控制的能量,转化为一种像化石燃料一样易于存储运输的化学能量载体。于是,人们发现了一种可以将电能,转化为气体的技术:Power-to-X,其中最直接的便是通过水解技术直接获得氢气,由此也拓展了一个全新的行业:氢能产业。

据新华网报道,在今年的全国两会上,汽车产业界的全国人大代表提交了一系列关于发展氢燃料汽车的议案建议。在两会期间,氢燃料这种节能、环保、便捷性又高的能源被写进《政府工作报告》。

首先,让我们来看看氢气的特性

3月26日工信部等4部委发布《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,提出地方应完善政策,过渡期后不再对新能源汽车(新能源公交车和燃料电池汽车除外)给予购置补贴,转为用于支持充电基础设施“短板”建设和配套运营服务等方面。

想必学过高中化学的理科生们都知道,氢气是由两个宇宙中最轻的原子组成的气体,无色无味、无毒、易燃,遇到火源,可引起爆炸,燃烧后除了水,什么也不会留下。听到爆炸,可能很多人都会不安,但是实际上我们平时使用地汽油和天然气也易爆炸。相比之下,氢气反而由于轻便,扩散得更快,更不易形成可爆炸的气雾。就算万一不幸泄露了,一般来说,氢气爆炸要达到两个条件,除了要满足氢气的爆炸极限,还要施加静电、明火或混合空气温度达到527℃及以上,才会爆炸,而且氢气的泄露能量和爆炸当量也只有天然气的40%,汽油气的1/22。

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当然,涉及到作为燃料,热值也是很重要的一个标准。氢气的单位质量热值是33.33KWh/kg,是柴油的3倍多。但是由于氢气密度小,在压缩到700bar的时候,单位体积热值是1.3KWh/l;液化的时候,也才2.4KWh/l,相比柴油的10KWh/l,还是相对较小。

▌积极推进氢能源发展

那么,为什么要发展氢能呢?

政策频出,推进氢能源发展

当前的我国的能源改革主要思想是,大力发展以风光为主的新能源,提高新能源发电比例。然而,新能源发电的波动性会对电网造成一定的影响,造成电网频率的波动,仅靠电池储能的很难实现大量的新能源的消纳。特别是在我国,三北地区的新能源装机容量巨大,但由于当地消纳能力有限,而且没有足够多的电力外送通道,因此在过去几年装机量快速增长的同时,弃光限电的情况也逐年恶化。除了建设大型的储能电站以外,一个更好的解决方案是:在风光过剩的地区,建设产氢设备,将多余的电力通过电解装置转化为氢气存储。产生的氢气,脱离了电能时间上和空间上的限制,相比之下更加便于运输和存储,同时也避免了电网管网的不稳定和扩建,而其本身也够成了一个完整的氢能产业链:首先,产生的氢气一方面可以像天然气一样,长期存储在地下气穴中,或大型的储氢站中,等到需要使用的时候,可以通过管道,或经过压缩,或经过液化由卡车运输至需求点,用于各种用途。

2006-2014年是我国氢能及燃料电池的推广阶段。

氢能利用的前景是什么样的呢?

根据中国政府门户网站援引新华社报道,2006年我国将氢能及燃料电池写入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中,提出重点研究高效低成本的化石能源和可再生能源制氢技术,经济高效氢储存和输配技术,燃料电池基础关键部件制备和电堆集成技术,燃料电池发电及车用动力系统集成技术,形成氢能和燃料电池技术规范与标准。2006-2014年我国出台一系列政策推广使用氢能及燃料电池汽车。

提到氢气的利用,人们最熟悉的便是将氢气作为传统化工生产领域的生产原料。事实上,氢气是一种十分灵活的能源载体,是除了电力以外少有的零排放能量载体之一,燃烧后的产物只有水。氢气作为一种能源载体,在交通、工业和建筑等各个领域的能源供应中都有重要的应用,结合燃料电池技术,能够大大提高未来低碳能源系统的操作灵活性,足够当之无愧地被称为21世纪的终极能源。

2015年以来我国对氢能及燃料电池汽车政策扶持力度加大。

然而,大多数氢和燃料电池技术仍处于商业化的早期阶段,并且由于其目前的成本太高,目前正在与包括其他可能替代技术有着强烈的竞争。其中最受瞩目的便是在新能源汽车行业的锂电和燃料电池路线之争。而恰好就在上周,特斯拉迎来特大喜报:盈利3.12亿美元!似乎这场锂电和燃料电池的纷争之中,锂电率先拿下了第一场胜利。

www.2061.com,2015年财政部等4部委发布《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》,说明了燃料电池汽车推广应用补助标准。

但是,需要了解的事实是,虽然锂电技术和燃料电池技术都早已有大量研究,但是锂电汽车产业比氢燃料电池汽车产业的商业化发展早了十几年,在过去的几年,提到新能源汽车人们所想到的是锂电池汽车,而氢能源汽车,仅仅是近几年静悄悄的走进了大众的视野。锂电池汽车在市场上试探了十几年,而燃料电池汽车的商业化阶段才刚刚开始,短短几年就成为了继锂电之后的第二大新宠。相比于锂电池汽车,氢燃料电池汽车有加氢快、续航持久等优点,比如:氢燃料电池汽车加氢时间一般在3-5分钟,而相比之下,纯电动汽车出于对电池的保护,充电时间少则半小时,多则达数个小时;此外燃料电池汽车的续航能力,也远超纯电动汽车。需要注意的是氢燃料电池汽车,本质上也是电动汽车,只不过是将动力储存在了化学燃料之中,经燃料电池转化为电,它的舒适度不会低于电动汽车。

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除了在汽车行业的应用,燃料电池也可以应用在工业和建筑行业的能源供应中,横跨电力、供热和燃料三个领域应用。作为一种灵活的二次能源,氢能能够十分有效地将电网、热力管网和各类的终端燃料的利用结合起来,促使能源供应端融合,实现多能互补,提升能源使用效率。比如:

2016年10月中国标准化研究员和全国氢能标准化技术委员会联合发布《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》,提出了更加明确的产业规划目标:2020年率先实现氢能汽车及加氢站的规模化推广应用,建成加氢站100座,燃料电池发电站达20万kW,达到1万辆燃料电池运输车辆,燃料电池有轨电车达50列;到2030年,建成加氢站1000座,燃料电池发电站达1亿千瓦,燃料电池车辆保有量达到200万辆。

通过大型的燃料电池,可以将氢气再次转化为电能,实现电网的调峰调频;

2017年国家对于加氢站、加气站的建设提出规范要求,进一步表明了我国发展氢能源的战略方向。

另一方面也可以以一定比例混入燃气管网,实现与热力管网的耦合;

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同时也可作为家庭和汽车用户的终端燃料使用。据了解,目前基于燃料电池技术的家用热点联产设备效率可以达到97%,其效率远高于普通的燃气机组热电联产。

氢能源产业链概述

氢能耦合各供能领域示意

在能源短缺和环境恶化双重压力下,可持续清洁能源的开发日益迫切。

氢能发展的瓶颈

氢能是一种二次能源,可以通过一定的方法利用其它能源制取,被视为21世纪极具发展潜力的清洁能源。

虽说,氢能的利用前景一片大好, 但是目前氢能源产业仅处于将氢气从工业原料向能源利用初期阶段,其在未来的发展依旧处在初期的探索阶段,氢气的制造设备、运输设备以及加氢站等基础设施的建设,是发展氢能的第一步,这也是氢能发展即将面临的最大挑战。氢气的基础设施成本在其产业链上的每一环节都不容小觑。

氢能具有以下特点:

从生产环节上看,目前的氢气大多数依然来自化石能源制氢,占世界产氢量的96%,而用化石燃料制氢来供给交通、工业、建筑的能源,背弃节能减排的初衷,其效率、经济、环保性问题依然突出。而太阳能或风能等可再生能源制氢成本依旧高昂,但目前来看,有不断下降的趋势。

热值高,氢的热值为142351kJ/kg,是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,大约是汽油热值的3倍;

从存储环节上看,虽然加压压缩储氢技术、液化储氢技术、金属氢化物储氢技术和有机化合物储氢技术均取得了较大进步,但储氢密度、储氢安全性和储氢成本之间的平衡关系尚未解决,离大规模商业化应用还有一定差距。从笔者的模型计算来看,这部分的成本在未来有着最大的降低空间。

燃烧性能好,与空气混合时有广泛的可燃范围,且燃点高,燃烧速度快;

从运输环节来看,如果想要通过管道运输氢气,目前只能以最多10%的比例与天然气混合输入管网,而单独建造氢气运输管网,从目前的需求量来看,平均成本过高;如果以物流车形式运输,其成本相对较低,但仍然有待进一步降低。

氢本身无毒,属于清洁能源,而且燃烧生成的水还可继续制氢,反复循环使用;

从利用环节上看,加氢站的建设,直接关系到了氢气的普及范围。一方面,氢气用能需求不足,导致加氢站投入平均成本过高、难以大规模铺设;另一方面,加氢站的布局不足,又使得氢能发展严重的受阻,如此形成恶性循环。

利用形态和形式多,可以气态、液态或固态金属氢化物出现,能适应贮运及不同应用环境的要求。

因此,氢能的利用依旧是面临着诸多障碍,而笔者的拙见是,目前的重点更应该是大量投入科研精力,力求实现重大技术突破、降低成本;政府提供政策扶持,度过前期的瓶颈期;同时也要针对现状,提前布局好氢能产业的发展,尤其是大规模制氢设备的选址、储氢洞穴探查、加氢站的布局,同时厘清发展思路和定位,保证氢能的稳定发展。

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小结:

氢能源产业链逐渐完善。

作为一种公认的清洁能源,氢能当之无愧被称为21世纪最具发展前景的二次能源,能够有效解决可再生能源的消纳问题,以解决全球化石能源危机、全球变暖以及环境污染等问题。毋庸置疑,氢能发展的一个重要方向,会是在未来的交通、建筑和工业的能源供应方面。为实现我国氢能产业的良好发展,应在不断突破技术、成本壁垒的同时,参考国外成熟经验案例,准备布局氢能产业;同时,以市场为主导,制定合理政策,规划化各环节基础的建设,保障氢能产业有条不紊的发展。

氢能源产业链上游是氢气的制备,主要技术方式有传统能源的热化学重整、电解水和光解水等;中游是氢气的储运环节,主要技术方式包括低温液态、高压气态和固体材料储氢;下游是氢气的应用,氢气应用可以渗透到传统能源的各个方面,包括交通运输、工业燃料、发电等,主要技术是直接燃烧和燃料电池技术。

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全球氢工业规模不断增长,呈现区域性分布。

2017年全球氢工业市场规模为2514.93亿美元,同比增长1.03%,2011-2017年复合增速为5.05%。

2017年亚太地区、北美、欧洲工业氢气的市场规模分别为1071.36、555.80、517.57亿美元,占全球的比重分别为42.6%、22.1%、20.6%,合计占比达85.3%,区域性分布明显。

中国和印度等亚太发展中国家经济快速增长带动了亚太地区对氢能等清洁能源的需求。

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▌上游:化石燃料制氢、工业副产氢有望成为低成本氢来源

我国工业氢气产消旺盛,基本自给自足。我国是氢能利用大国,2017年工业氢气(不包括工业副产氢气,下同)产量和需求量分别为1915、1910万吨,同比分别增长3.51%、3.58%,基本维持供需平衡状态,2009-2017年复合增速分别为7.21%、7.20%。

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人工制氢工艺及成本分析

人工制氢的方法主要包括化石燃料制氢、电解水制氢、光解水制氢以及微生物制氢等,其中化石燃料制氢原料主要包括煤、石油、天然气等。

目前化石燃料制氢方法较为成熟,并且具备产量高、成本较低的优点,但制氢过程都有温室气体排放;电解水是一种制取纯氢的最简单的方法,但是其消耗的电能太高导致不够经济,因而其发展受到很大限制;光解水被视为最理想的制氢途径,但目前技术尚不成熟。

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目前人工制氢工艺主要以化石燃料制氢为主。2017年全球制氢原料约96%来源于化石燃料(由于甲醇主要原料为煤炭和天然气,因此本文将甲醇制氢归类于化石燃料制氢)的热化学重整,仅有4%源于电解水。我国制氢原料主要以煤炭和天然气为主,占比分别为62%和19%,电解水制氢也仅占4%。

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化石燃料制氢具备成本优势。我们假设不同人工制氢工艺原料天然气、甲醇、电价的采购成本分别为2.8元/方、2500元/吨、0.63元/kWh,测算天然气制氢、甲醇制氢和电解水制氢成本分别为2.09、2.13、3.46元/立方米。相对于电解水制氢,目前化石燃料制氢具备明显的成本优势。

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不同工艺制氢成本敏感性分析。

假设不同工艺制氢成本与原料价格线性相关,根据我们测算,如果要让单位制氢成本低于2元/方,天然气、甲醇、工业用电购置成本应分别不高于2.65元/方、2319元/吨、0.34元/kWh。

工业副产氢有望成为重要氢供给来源

除了人工制氢以外,工业副产氢也有望成为重要氢能供给来源,我国工业企业,包括炼焦企业、钢铁企业、化工企业等,每年副产数百万吨氢气。目前这些副产氢气很多都排放到空气中,污染环境的同时也成为危险因素。

变压吸附技术分离提纯氢气的技术在我国已经非常成熟,若能充分利用好这些低品位能源,化工副产氢气将成为我国的重要氢气源,对氢能源发展有着重要意义。

焦炉煤气是提纯氢潜力最大的工业尾气。我国是焦炭生产大国,2018年焦炭产量4.38亿吨,同比增长1.6%。

炼焦工业的副产品焦炉气中氢气含量约占57%,是最主要的组成成分。按照每生产1吨焦炭可副产425.6立方米焦炉气,1立方米焦炉气通过PSA技术可以产生0.44立方米氢气计算,2018年我国炼焦工业副产氢气约733万吨。

氯碱工业年副产氢气约为80万吨。氯碱工业是通过电解饱和NaCl溶液来制取NaOH、Cl2和H2,并以此为原料合成盐酸、聚氯乙烯等化工产品。我国是世界烧碱产能最大的国家,2018年产量为3420万吨,同比增长1.6%。以生产1吨烧碱产生270立方米氢气计算得到,2018年我国氯碱工业副产氢气约82.5万吨。

我国PDH副产氢产能约30万吨。根据卓创资讯,截至2018年6月30日,我国共有18家企业具有PDH产能,总产能达858.5万吨/年,主要位于山东、浙江和江苏等地。我们按照1吨PDH副产0.038吨氢气计算,2018年我国PDH副产氢气产能约33万吨。

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合成氨、合成甲醇等也可副产氢气。根据《加氢站用化工副产氢气潜力分析》,合成氨、合成甲醇每年副产氢气在50万吨左右,考虑到其分离出的氢气返回原料单元补充燃料消耗,最后分离获得氢气产量相对较小。此外,我们认为随着我国乙烯原料轻质化的推进,未来乙烷脱氢项目也有望成为化工副产氢气的来源。

根据我们上面的分析,我国工业副产氢气主要来自焦炉煤气、氯碱工业及PDH项目等,2018年合计副产氢气在800万吨以上。化石燃料制氢、工业副产氢有望成为低成本氢来源。

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▌中游:液态氢储运或将成为发展重点

氢气储运成本较高。廉价的氢气来源和储运是实现氢能产业化的基础。虽然氢气具有较高热值,但是在标准状态下其密度远低于天然气,因此相同体积氢气的能量大约只有天然气的三分之一,若要实现氢能产业化减少储运体积非常重要,这就使得氢气的储运成本更加昂贵。

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氢储存方式比较

氢能的存储方式主要包括低温液态储氢、高压气态储氢、固态储氢等,不同的储氢方式具有不同的储氢密度,其中气态储氢方式的储氢密度最小,金属氢化物储氢方式的储氢密度最大。

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我国目前加氢站一般采用高压气态储氢。

目前低温液态氢主要作为航天火箭推进器燃料,其储罐和拖车已在我国航天等领域应用,随着技术的不断成熟,液态储氢有望成为工业氢气的主要储存形式;

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