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科普 | 氢能产业链之 - 制氢篇

     制氢环节是决定氢燃料电池汽车经济性的关键因素。从短期来看,工业副产氢是解决氢气需求的过渡性办法,从中长期来看,可再生能源电解制氢是氢源的终极解决方法,一方面取决于可再生能源电力生产成本的进一步下降;另一方面,风光水等可再生能源地区往往远离用氢负荷中心,储运环节成本下降也需要同步配合,如管道运氢,液罐运氢等的发展,扩大经济运输半径。

① 制氢成本过高是限制氢能推广的主要障碍之一:

      通过与市场上其他类型汽车的使用成本拆解对比,过高的燃料消耗成本是导致燃料电池车综合成本偏高的来源之一。氢气相比于其他燃料更高的价格主要来自生产制备环节。从我国目前的供氢基础设施完善程度和技术水平来看,包括制氢和储运在内的氢气成本占到加氢站终端售价的70%左右,其中氢气原材料成本占比达到50%。因此制氢环节较大程度上决定了氢燃料使用的经济性。
      国内制氢资源丰富,可供选择的制氢途径也较为多样,仅18年可再生能源弃电如果全部用来电解水制氢的话就可生产清洁氢200万吨以上,足以满足中短期的氢能产业需求。但各类型制氢路线的经济性尚不足以保障燃料电池汽车的大规模商业化。加之目前氢气储运环节存在的掣肘,氢气运输瓶颈尚未完全突破、成本较高。在当前供氢体系下,包括生产和储运在内的氢气成本仍不具备市场竞争力。
      天然气重整制氢较为成熟,也是国外主流制氢方式。但是天然气原料占制氢成本的比重达70%以上,不符合我国富煤、贫油、少气的资源状况。
      焦炉煤气制氢理论规模庞大,2018年国内焦炭产量达到4.3亿吨,焦炉煤气中氢气含量约占50%-60%,可产副产氢气700万吨以上,数量极大,占据工业副产氢总量的90%以上,但是杂质的净化和产品氢气中微量杂质的控制是难点。
      化工特别是氯碱化工等副产氢纯度高,中国烧碱年产量基本稳定在3000万-3500万吨之间,副产氢气75万-87.5万吨,扣除约60%的氢气被配套聚氯乙烯和盐酸利用,剩余约28万-34万吨。
      甲醇及合成氨、PDH 合成气含氢量60%-95%之间,纯化后可以满足燃料电池要求。中国已建和在建PDH项目,副产含氢约37万吨/年;中国合成氨生产能力1.5亿吨/年,可回收氢气约100万吨/年;合计168万吨/年。按照每百公里3.8kg耗氢量,每辆车每年跑2万km测算,可以满足220万辆燃料电池汽车的需求,可以满足我国氢能及燃料电池发展路线图2030年燃料电池汽车达到百万辆的要求,但由于存在碳排放问题,不符合绿色发展理念。
天然气制氢受制于国内高原料成本
      天然气制取氢气的工艺技术主要根据氧化剂性质的不同分为三种:1. 蒸汽重整(Steam reforming):纯水蒸气用作氧化剂,反应需要吸热; 2. 部分氧化(Partial oxidation):使用氧气或空气,反应过程放热;3. 自热重整(Autothermal reforming):蒸汽重整和部分氧化的结合,混合空气和水蒸气,并调整两种氧化剂的比例,使之不需要吸收或排放热量(等温)。甲烷蒸汽重整(SMR)是目前天然气大规模制氢最广泛的技术。重整是通过化学过程在催化剂条件下将碳氢化合物和醇转化为氢,产生副产品水(蒸汽)、一氧化碳和二氧化碳。反应温度大约在700℃和900℃之间。在短期内,SMR仍将是大规模制氢的主导技术,因为它的经济效益更好,并且在世界范围内有大量的SMR装置在运行。
      首先是原料预处理, 这里主要指的就是原料气脱硫, 实际工艺运行当中一般采用天然气钴钼加氢串联氧化锌作为脱硫剂将天然气中的有机硫转化为无机硫再进行去除。
      其次是进行天然气蒸汽转化,在转化炉中采用镍系催化剂, 将天然气中的烷烃转化成为主要成分是一氧化碳和氢气的原料气。
      最后一个步骤就是提纯氢气,现在最常用的一种氢气提纯系统就是变压吸附净化分离(PAS)系统,这种系统能耗低、流程简单、制取氢气的纯度较高,最高时氢气的纯度可达99.99%。
      据中国氢能联盟数据,国内天然气原料占制氢成本的比重达70%以上,天然气价格是决定制氢价格的重要因素。并且考虑到碳排放处理需要结合CCUS技术,会导致平均资本支出增加约50%,燃料成本增加约10%。由于二氧化碳的运输和储存成本,还导致平均运营成本增加一倍。考虑到中国“缺油少气”的资源禀赋条件,仅有中西部等少数天然气资源富集的地区可以开展探索这一制氢路径。

② 可用于燃料电池汽车供氢的清洁氢气资源可观,但面临市场竞争力不足的问题:

③ 化工副产氢是当前过渡方案,可再生能源发电解制氢是氢源终极方案:

      因此,长期来看可再生能源电力制氢是终极方案。

      目前已有多种制氢技术,以如下三种技术路线为主导:一是以煤和天然气为主的化石能源重整制氢;二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为主的工业副产气制氢,三是电解水制氢。其他制氢工艺包括生物质制氢、太阳能光解水制氢等多处于实验开发阶段,本文不做论述。

制氢技术综述 ▼ 

      当前制氢原料主要以石油、天然气、煤炭等化石资源为主,较之于其他制氢方法,化石能源重整制氢工艺更为成熟,原料价格相对低廉,但会排放大量的温室气体,污染环境。从全球范围来看,天然气制氢是现今最主流的形式,占比近 50%;醇类次之,占比为30%;仅有4%左右来源于电解水。我国则以煤炭制氢为主,占比为62%,天然气次之,占比为19%,与“富煤贫油少气”的能源禀赋特征相符。

SMR制氢工艺技术参数 

      天然气的制氢流程主要包括四个:原料气预处理、天然气蒸汽转化、一氧化碳变换、氢气提纯。

      然后是一氧化碳变换,使其在催化剂存在的条件下和水蒸气发生反应,从而生成氢气和二氧化碳,得到主要成分是氢气和二氧化碳的变换气。

      天然气制氢成本受多种技术经济因素的影响,其中天然气价格和资本支出是最重要的两个因素。燃料成本是最大的成本组成部分,在不同国家和地区占生产成本的45%至75%。中东、俄罗斯和北美的天然气价格较低,因此制氢成本也最低。中国等天然气进口国因为面对更高的天然气进口价格,导致氢气生产成本上升。

中国的天然气制氢成本最高