澳门皇家赌场手机版燃料电池产业链| 氢气篇:来

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推行甲醇能源战略大有可为 当前,大气雾霾已然成为我国最大的环境问题,这不仅严重威胁人民生命健康,进而对经济、社会发展乃至国际观瞻造成了严重负面影响,朝野震动。李克强总理在2月12日召开的国务院常务会议上,郑重提出要着力消除人民群众的“心肺之患”。目前,对于雾霾成因的研究可谓林林总总、众说纷纭。其实,造成我国雾霾严重的主要原因是个能源结构问题;既煤炭占比50%以上(年消耗煤炭40多亿吨),以及燃料油品质及其燃烧设备(包括运输车辆发动机)技术水平低下造成的。因此,下大力气调整能源结构,才是解决雾霾(大气污染)问题的根本出路。 人们日常生产、生活使用的能源,主要包括电力、燃料两部分,我国目前使用的电力有3/4是由热力发电提供的,现代工业技术条件下,电力和燃料是可以根据需要便宜转换的。就终端消费而言,电力是最为方便清洁的能源;传统的燃料,天然气以降无论是煤炭,还是石油制品都因为其成分复杂,燃烧提供热力和动力后都难以避免地产生出诸如粉尘、硫氧化物、氮氧化物、烃类等构成雾霾的物质,而这些雾霾物质的清洁,不仅技术上难度大、经济上代价也很高。近年来,由于预测到石油等化石能源的枯竭为期不远,全世界都在积极寻求发展可再生的清洁能源,特别是风力发电、太阳能发电技术上已经取得了长足的进步。科学家们测算,地球上蕴藏的自然能源十分丰富,可谓取之不尽、用之不竭。但是,由于风能、太阳能等自然能源具有连续性、稳定性不良等特质,与人们生产、生活对电力稳定性的要求形成了难以调和的矛盾。解决这个矛盾的途径已经十分明确,就是研发大规模储能技术,先将不稳定的电力能源储备起来,然后通过工业装置稳定地释放上网或直接供给用电设备。人们对大规模储能技术的研发已经走过几十年的历程,但是,迄今还没有找到一种理想的工业技术。为此,笔者提出以一种化工产品---甲醇作为储能物质的新思路,建立新能源发电→电解水制氢气→H2+CO(CO2)= CH4O(合成甲醇)→发电、供热能、动力能源体系(CO主要来源于煤化工、CO2主要来源于烟道气回收),可望一举解决这个问题。 一、甲醇是新能源(风能、光伏等)发电近乎完美的储能产品 1、甲醇作为基础能源,实质上是由业已研讨了几十年的氢能源(氢经济)的发展而来的,美国诺贝尔化学奖得主乔治A奥拉教授20xx年发表的《跨越油气时代---甲醇经济》着作也持这个观点。电解水制氢气(H2), H2+CO(CO2)=CH3OH 合成甲醇。这两个化工单元技术成熟、可靠;电解水制氢气,负荷宽幅可调,开停方便,与新能源(风能、光伏等)发电,适配性良好。在工业实践方面,世界上每年有250万吨以上的氢气是电解法生产的,我国在役大型发电机组发电机内冷却所用氢气,大多数也是电解水制备的;目前,全世界已形成合成甲醇的生产能力近一亿吨,我国为头号生产大国,现有生产能力5400万吨/年。 2、甲醇在常态下理化性能、环境毒害程度与汽油相当,现有燃料油储运设施完全可以通用。因此,甲醇作为基础能源,在技术上、经济上乃至安全性等方面远胜于氢气和天然气。 3、甲醇又名木醇,最初是在干馏木材时得到的化学品,是由碳、氢、氧三个化学元素组成,暗合大自然植物——动物能量循环法则。因此,甲醇是天然的化学品,具有绿色本质。 4、现代化工生产的甲醇产品纯度高、性能稳定,不仅是化学工业的良好原料,作为燃料能量密度较高(相当于汽油的一半)、本身含50%(质量比)氧、与空气配合燃烧效率高于石油制品、温度相对较低,基本无污染产物。这对解决我国目前的大气污染问题大有裨益。 5、甲醇用于涡扇发动机,由于其汽化潜热较高(是汽油的3.7倍,相当于水的一半)可以研发发动机自体热回收系统,代替现有燃气——蒸汽联合循环系统中的蒸汽余热回收体系,这样就不存在朗肯循环的冷端损失问题,可望大幅度提高热能利用效率,同时,简化了系统、降低了建设、运营成本,还节约了宝贵的水资源;另外,由于甲醇的燃烧温度(900-1000℃)比天然气和石油制品的燃烧温度(目前在1400℃以上)低许多,大大有利于涡扇发动机对材料的选择。按照目前能源产品价格计算,甲醇代替天然气(含石油产品)燃气轮机发电还具有成本低廉(进口价:液化天然气是甲醇的6倍以上)优势。 二、需要解决的具体技术问题 1、电解水制氢气,我国在役的电解设备隔膜仍以石棉绒为主,一般电解效率(电能转化率)在54%左右,据报导,国外已经开发出多种有机和无机质子膜,其电解效率可达到80-90%、90%以上的报道已不鲜见;其次是电解槽单体规模太小,目前国内报道的电解槽最大装机为3000KVA,而美国的最大装机已达110000 KVA;众所周知,工业生产中,规模与效率是密切相关的。

1、综述:氯碱制氢可满足当前下游需求,可再生能源电解水助力实现未来零排放

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目前,制备氢气的几种主要方式包括氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢、石化资源制氢和新型制氢方法。

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通过比较分析各种制氢方式的成本、优劣势和我们认为:在现阶段,选择成本较低、氢气产物纯度较高的氯碱工业副产氢的路线,已经可以满足下游燃料电池车运营的氢气需求;在未来氢能产业链发展得比较完善的情况下,利用可再生能源电解水制氢将成为终极能源解决方案。

我们认为氯碱工业副产氢是现阶段最适合的制氢方式,主要基于以下两点判断:

从制氢工艺的成本和环保性能角度来看,氯碱制氢的工艺成本最为适中,且所制取的氢气纯度高达99.99%,环保和安全性能也较好,是目前较为适宜的制氢方法。分析如下:

水煤气法制氢成本最低,适用规模大,但是二氧化碳排放量最高,且所产生氢气含硫量高,如果用于燃料电池,会导致燃料电池催化剂中毒,如果应用脱硫装置对其产生氢气进行处理,不但增加了额外的成本,对技术标准的要求也很高;

石油和天然气蒸汽重整制氢的成本次之,约为0.7~1.6元/Nm3,能量转化率高达72%以上,但环保性不强,未来可以考虑通过碳捕捉技术减少碳排放;

氯碱制氢工艺成本适中,在1.3~1.5元/Nm3之间,且环保性能较好,生产的氢气纯度高,目前而言适用于大规模制取燃料电池所使用的氢气原料,也是可实现度最高的氢气来源。

甲醇裂解和液氨裂解成本较氯碱制氢高50%左右,较化石资源制氢技术前期投资低、能耗低,较水电解法制氢单位氢成本低。

水电解法制氢成本最高,在2.5~3.5元/Nm3之间,且成本在不断降低,碳排放量低,且在应用水力、潮汐、风能的情况下能量转化率高达70%以上。在未来与可再生能源发电紧密结合的条件下,水电解法制氢将发展成为氢气来源的主流路线。

从理论储备和经济储备的角度来看,氯碱工业副产氢的经济储备能够满足长三角地区对于氢气的需求,全国范围来看也储备充足。我们通过统计氯碱工业和其他化工原料的产能,计算了理想情况下氢气的理论产能和经济产能。

假设产能利用率为76%;化工原料和天然气裂解制氢的部分相当于原有产能的3%;燃料电池乘用车以丰田Mirai作为数据样本;燃料电池物流车以E-truck为数据样本;乘用车年行驶里程数取值1万公里;物流车年行驶里程数取值12万公里。

我们得出结论:目前全国范围内的氯碱工业制取的氢气相当于76万吨/年的产能,可供34万辆燃料电池物流车使用一年,或者可供243万辆燃料电池乘用车使用一年。如加上现有天然气、甲醇、液氨裂解产生氢气的量,约为202万吨/年,可满足90万辆物流车或648万辆乘用车一年的氢气需求量。

我们以目前燃料电池车数量较集中的江苏上海一带作为中心,200km、500km作为半径,划定了两种不同的范围,分别考虑其产能。可以发现,在所划定的200km范围内,氯碱副产氢气产能可以供14万辆物流车或99万辆乘用车使用;在500km范围内,氯碱副产氢气产能可供16万辆物流车或112万辆乘用车使用。

我们认为现阶段最佳的制氢和运氢方式搭配为:氯碱工业副产氢+气氢拖车运输,其氢气成本范围在17.9~19.2元/kg。该氢源路线的选择主要是基于成本和环保的角度考虑的。此外,通过测算氢气作为燃料的经济性,我们得出结论:如果使氢燃料电池车具有较强的竞争力,则氢气成本需控制在22.78元/kg以下。

现阶段影响我国加氢站终端氢气售价的主要因素是氢气成本价格,其中包括氢气原材料、氢气生产运输成本。因此,要降低我国的氢气售价,在补贴力度较强的现阶段来看,选择合适的氢源,并降低氢气运输与储藏的成本,是最适当的选择;长远来看,随着行业的发展和补贴额度的下降,通过提高关键设备的国产化率水平来降低加氢站的建设成本则是未来降低氢气售价的明智之选。

现阶段加氢站对运输距离和运输规模的需求来看,氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车,其成本可以达到2.3元/kg,而在同等条件下的液氢运输成本可以达到9.1元/Nm3。未来在液化氢技术达到标准且氢气需求量规模上升的情况下,将考虑采用液氢运输的方式运送氢气。

2、氯碱工业副产氢:目前最现实的大规模燃料电池用氢气的来源

氢气的制备技术和存储运输等技术等,均影响到燃料电池所用燃料是否能方便快捷低成本地获得。其中氢能的大规模、低成本和高效制备是首先需要解决的关键性难题。根据Hydrogen Analysis Resource Center的统计数据显示,全球制氢能力约保持在1440百万标准立方英尺/天。其中中国的制氢能力保持在1320.86吨/天以上。

根据日本经济产业省的统计分析,2014年日本氢气售价的构成主要由氢气原材料、氢气的生产运输成本、加氢站的固定和可变成本以及加氢站运营维护几个部分组成。其中涉及到氢气的制备和储运的成本占38%。而对比看来,汽油售价的重要组成部分则是汽油的消费税。

影响我国氢气售价的最主要因素是包括制氢和储运氢气在内的氢气成本部分。比较日本和我国的加氢站氢气售价价格组成可以发现,影响日本氢气售价的最主要的两个因素是氢气成本和加氢站固定成本,而影响我国氢气售价最主要的因素是氢气成本。

根据氢气的原料不同,氢气的制备方法可以分为非再生制氢和可再生制氢,前者的原料是化石燃料,后者的原料是水或可再生物质。

制备氢气的方法目前较为成熟,从多种能源来源中都可以制备氢气,每种技术的成本及环保属性都不相同。主要分为五种技术路线:氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢、石化资源制氢和新型制氢方法等。目前制备氢气的最主要问题是如何控制制氢过程中的碳排放 、成本方面,未来技术的主要发展方向是使用可再生能源电解水,包括生物制氢和太阳能制氢等。

全球来看,目前主要的制氢原料96%以上来源于传统能源的化学重整,4%左右来源于电解水。

日本盐水电解的产能占所有制氢产能的63%,此外产能占比较高的还包括天然气改制、乙烯制氢、焦炉煤气制氢和甲醇改质等。

目前国内主流的氢气来源为焦炉煤气制氢,但考虑到所制得的氢气纯度不高,且制氢的过程耗时长、对环境造成污染,如果再经过脱硫脱硝的步骤则增加了制氢的成本。因此在考虑燃料电池所使用的氢气来源时,主要依靠氯碱工业副产氢、天然气、甲醇、液氨重整产生的氢气,未来在体系完善技术加强的情况下将逐步选用可再生能源电解水制氢,打造真正零污染的氢能供应链。

目前燃料电池所使用的氢气来源最主要的途径是来源于氯碱工业的副产品。虽然从整个氢气产量来看,利用煤作为原料来制备氢气占全部制氢产量的2/3,但是由于煤制氢气中含有杂质较多,对于纯化装置要求较高从而增加了成本,因此作为氯碱工业副产品的氢气用于供应给燃料电池作为原料的路线较为常见。

氯碱厂以食盐水为原料,采用离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱和氯气,同时可得到副产品氢气。把这类氢气再去掉杂质,可制得纯氢。我国许多氯碱厂都采用PSA提氢装置处理,可获得高纯度氢气。

PSA 技术是利用气体组分在固体吸附材料上吸附特性的差异 ,通过周期性的压力变化过程实现气体的分离与净化。PSA 技术是一种物理吸附法。PSA具有能耗低、 投资少、 流程简单、 自动化程度高、 产品纯度高、 无环境污染等优点。

根据国家统计局的数据,2015年,我国氯碱厂产能为3961万吨,产量为3028.1万吨。根据氯碱平衡表,烧碱与氢气的产量配比为40:1,理论上将产生氢气75.7万吨,即85亿Nm3氢气,理论上可以供243万辆乘用车使用。但考虑氯碱厂区域分布、运输距离、期间损耗及不同车型的耗氢量,几十万辆的规模问题不大。

目前氯碱厂对氢气的利用主要是两个方面,一是与氯气反应生产盐酸,另一方面将氢气直接燃烧,产生热能。但是后者需要的投资较大,因此大量的氯碱厂实际上将氢气都直接放空了。这样对于氢气资源实质上是一种浪费,如能合理收集氯碱厂所生产的氢气,对于发展燃料电池而言是一种合理的途径。

氯碱工业副产制氢的成本约为14.6~16.85元/kg。氯碱工业副产制氢的方法成本较低,且所制备的氢气纯度能达到99.99%以上,同时理论储量和经济储量都相对较高,足以满足现有燃料电池对于氢气的需求量。

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