氫能發(fā)展優(yōu)勢及制氫方式分析

氫能發(fā)展優(yōu)勢及制氫方式分析

一、氫能發(fā)展的三大優(yōu)勢

與傳統(tǒng)化工燃料汽油、柴油相比,氫能具有三大優(yōu)勢.一是較高的含能特性.除核燃料外,氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首,燃燒1kg氫可放出12MJ（28.6Mcal）的熱量,約為汽油的三倍.二是較高的能源轉(zhuǎn)化效率.氫能可以通過燃料電池直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡?過程中的廢熱可以進(jìn)一步利用,其效率可達(dá)到83%.氫氣燃燒不僅熱值高,而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?點(diǎn)火能量低,所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%.三是碳的零排放.與化石能源的利用相比,氫燃料電池在產(chǎn)生電能的過程中不會(huì)產(chǎn)生碳排放,可以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán).氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首

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以汽油內(nèi)燃機(jī)的綜合熱效率和CO2排放量為基準(zhǔn)來對比.氫燃料電池的綜合熱效率最高,同時(shí)CO2排放量少,是替代石油供給車輛動(dòng)力的最佳燃料.氫燃料電池的綜合熱效率最高且CO2排放量少

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二、制氫方式：四種制氫方式各存優(yōu)劣,天然氣制氫是主要來源

目前以四類制氫方式為主：化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)及其他制氫方式.幾種制氫方式對比制氫方式優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)能源效率氫氣價(jià)格(美元/kg)氫氣成本(元/NM3)化石燃料制氫天然氣制氫產(chǎn)量高，成本低排放溫室氣體830.750.6-1.2煤制氫產(chǎn)量高，成本低，商業(yè)化技術(shù)成熟排放溫室氣體630.921-1.2工業(yè)副產(chǎn)物制氫焦?fàn)t氣制氫利用副產(chǎn)物，成本低焦?fàn)t氣具有污染性，建設(shè)地點(diǎn)受制于原料供應(yīng)--1.2氯堿制氫產(chǎn)品純度高，原料豐富建設(shè)地點(diǎn)受制于原料供應(yīng)--1.3-1.5電解水制氫環(huán)保，產(chǎn)品純度高耗電量大，成本高45-551.953-5光解水制氫無污染、零排放技術(shù)不成熟，轉(zhuǎn)化率低10-144.98-生物質(zhì)制氫環(huán)保，產(chǎn)量高技術(shù)不成熟，產(chǎn)品純度低40-501.21-2.42-公共資料整理

天然氣制氫仍是中國最主要的制氫來源,占總制氫量的48%.醇類重整制氫及煤制氫也占有相當(dāng)大的比重,來自電解水的制氫量最低,僅為4%.天然氣制氫占中國制氫來源的48%

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未來供氫主體以電解水制氫為主,可再生能源電解水制氫將上升為未來供氫主體,中國將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局.中國氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測

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1.電解水制氫：降成本主要依靠電價(jià),低成本電力來自光伏和風(fēng)電

電解水制氫氣是通過電能給水提供能量,破壞水分子的氫氧鍵來制取氫氣的方法.其工藝過程簡單、無污染,制取效率一般在75%-85%,每立方米氫氣電耗為4-5kW·h.電解水制氫過程

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1）降成本路徑之一：降低過程能耗,提高電解效率

堿性水解技術(shù)最為成熟但效率低,高效率的PEM與SOEC技術(shù)待推廣.目前主流的電解水制氫技術(shù)有三種類型：包括堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)制氫.三種電解池性能對比電解池類型堿水電解池固體氧化物電解池(SOEC)質(zhì)子交換膜電解池(PEM)電解質(zhì)20-30%KOHY2O3/ZrO2PEM（常用Nafion）工作溫度℃70-90700-100070-80電流密度A/cm21~21~100.2~0.4電解效率60-75%85-100%70-90%能耗Kwh/Nm34.5-5.52.6-3.63.8-5.0操作特征啟停較快啟停不便啟停快動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)-強(qiáng)電能質(zhì)量需求穩(wěn)定電源穩(wěn)定電源穩(wěn)定或波動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)維有腐蝕液體，后期運(yùn)維復(fù)雜，成本高目前已技術(shù)研究為主，尚無運(yùn)維需求無腐蝕性液體，運(yùn)維簡單，成本低電堆壽命可達(dá)到120000h-已達(dá)到100000h技術(shù)成熟度商業(yè)化實(shí)驗(yàn)室研發(fā)國外已商業(yè)化，國內(nèi)處于研發(fā)走向工業(yè)化前期階段有無污染堿液污染，石棉致癌-清潔無污染電解槽成本美元/kW400-6001000-1500約2000特點(diǎn)最為成熟，商業(yè)化程度最高，成本低部分電能被熱能取代，轉(zhuǎn)化效率高，高溫限制材料選擇，尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化可再生能源適應(yīng)性，無污染，成本高（質(zhì)子交換膜和鉑電極催化），產(chǎn)業(yè)化程度低公共資料整理

2）降成本路徑之二：以低成本電價(jià)為制氫原料

與其他國家相比,中國工業(yè)電價(jià)位于中低水平.根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),中國工業(yè)電價(jià)平均為0.107美元/千瓦時(shí),居世界第八,僅為第一名的三分之一.相對較低的電價(jià)為中國發(fā)展電解水制氫提供了有利條件中國工業(yè)電價(jià)據(jù)世界第八.

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西北地區(qū)大工業(yè)電價(jià)偏低.分省份來看,波谷、波峰電價(jià)在全國排名第一的分別是河北省和安徽省,青海省無論是波峰還是波谷電價(jià)均為最低,全國波谷電價(jià)平均為0.33元/千瓦時(shí),波峰電價(jià)平均為0.90元/千瓦時(shí).西北地區(qū)省份大工業(yè)電價(jià)偏低

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1.天然氣制氫：中西部地區(qū)天然氣資源豐富,可降低制氫成本

1）天然氣制氫方法中甲烷水蒸氣重整最為成熟

天然氣的主要成分是甲烷（體積含量大于85%）,因此一般說的天然氣制氫就是甲烷制氫.甲烷制氫方法主要有甲烷水蒸氣制氫（SMR）,甲烷部分氧化（POX）和甲烷自熱重整（ATR）.其中甲烷水蒸氣重整（SMR）是工業(yè)上最為成熟的制氫技術(shù),約占世界制氫量的70%.三種天然氣制氫方法的比較制氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)甲烷水蒸氣重整應(yīng)用最為廣泛；無需氧氣；反應(yīng)溫度最低；對于制氫而言，有最佳的H2/CO比例通常需要過多蒸汽；設(shè)備投資多；能量需求高自熱重整需要低能量；比部分氧化過程的溫度低；H2/CO比例很容易受到CH4/O2比例的調(diào)整商業(yè)應(yīng)用有限；通常需要氧氣部分氧化給料直接脫硫不需要蒸汽；較低的H2/CO比例，常用于比例小于20的場景不適用于H2/CO需求比例大于20的場景；操作過程所需溫度高；通常需要氧氣公共資料整理甲烷水蒸氣重整制氫工藝流程

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2）降低成本應(yīng)從天然氣價(jià)格入手,中西部地區(qū)具備價(jià)格優(yōu)勢

中國天然氣資源主要分布在中西盆地.受地質(zhì)條件影響,地下天然氣通常呈聚集區(qū)分布,中國天然氣探明儲(chǔ)量的80%以上分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達(dá)木和鶯—瓊五大盆地.沿海地區(qū)天然氣價(jià)格偏高,西北地區(qū)價(jià)格最低.天然氣價(jià)格很大程度上受資源稟賦的影響,天然氣資源豐富的地區(qū),價(jià)格相應(yīng)偏低.非居民天然氣價(jià)格目前正在逐步市場化.各省天然氣基本門站價(jià)格表（元/m3）

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2.煤制氫：成本較低,下降空間有限

1）煤氣化制氫是最常用的一種煤制氫手段

2013年,中國超過美國成為世界第一大能源消費(fèi)國,其中煤炭產(chǎn)量為38.74億噸標(biāo)煤,之后幾年煤炭產(chǎn)量略微走低至2017年的35.2億噸,但2018年煤炭產(chǎn)量有所回升至36.8億噸標(biāo)煤.煤炭可以用于制備多種工業(yè)產(chǎn)品,其中煤制氣的產(chǎn)能由2017年的51億立方米/年同比增長0.1%至2018年的51.05億立方米/年.但目前在中國氫氣生產(chǎn)中占據(jù)主要地位的還是煤氣化制氫.三種煤制氫方法的比較制氫技術(shù)過程產(chǎn)品煤間接制氫將煤轉(zhuǎn)化為甲醇，再由甲醇重整制氫-煤焦化制氫煤經(jīng)過干燥、預(yù)熱、軟化等過程被煉制成焦炭，副產(chǎn)品的焦?fàn)t煤氣中含有氫氣焦?fàn)t煤氣中氫氣含量55～60%，其余是甲烷、一氧化碳等氣體煤氣化制氫煤炭先與氧氣反應(yīng)，后和水反應(yīng)，得到以氫氣和一氧化碳為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)品，脫硫凈化后，一氧化碳和水蒸氣反應(yīng)生成更多的氫氣，最后分離提純得氫氣。變壓吸附提純后，氫氣純度可以提高到99.9%以上公共資料整理煤氣化制氫工藝流程簡圖

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2）降成本應(yīng)該從煤炭價(jià)格入手,西北部具有地區(qū)優(yōu)勢

中國煤炭資源較為豐富且分布廣泛,全國32個(gè)省市（除上海外）都有煤炭資源,但是區(qū)域分布極不均衡,主要的格局是西多東少、北富南貧.2018年上半年內(nèi)蒙古和山西原煤產(chǎn)量遠(yuǎn)高于其他省份

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現(xiàn)在煤炭儲(chǔ)量和產(chǎn)量較多的地區(qū)比如內(nèi)蒙古、山西等省份,相同種類煤炭的價(jià)格也相對其他省份較低.全國部分省份動(dòng)力煤價(jià)格如下,其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是內(nèi)蒙古動(dòng)力煤價(jià)格僅為360元/噸,而混煤的價(jià)格是170元/噸.內(nèi)蒙古和山西動(dòng)力煤價(jià)格偏低

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3.化工副產(chǎn)品制氫：未來將由氯堿制氫轉(zhuǎn)向丙烷脫

1）氯堿制氫為主要生產(chǎn)方式,降本可從節(jié)能降耗方面入手

化工副產(chǎn)品制氫主要可以分為焦?fàn)t氣制氫、氯堿副產(chǎn)品制氫、丙烷脫氫和乙烷裂解等幾種方式,其中氯堿副產(chǎn)品制氫的由于工藝成本最為適中且所制取的氫氣純度較高等優(yōu)勢,成為目前化工副產(chǎn)品中較為適宜的制氫方式.氯堿制氫工藝簡化流程

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