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【氢燃料之谜】原来生产个氢燃料这么难

行业动态

时间:2018-05-29

《氢燃料之谜》是卡车新闻 近期为各位卡友编辑整理的科普系列(共三章)。

  说到以氢燃料电池供电的FCV(燃料电池汽车)已经不是一个新鲜概念了。 氢燃料的高效能有目共睹,其发电效率通常能达到32%至70%,所提供的续航能力远超锂电池。但氢燃料生产难度高,供氢系统成本高等,都是掣肘氢燃料电池发展的主要因素。 工业制氢包括很多种方法,但都存在着各自的优势和局限性。

1.0工业制氢方法多,各有优劣不好说

1.1

化石燃料制氢

化石燃料制氢是传统的制氢方法,也是制氢的老工艺,但仍然离不开对化石燃料的依赖,并且会排出二氧化碳等温室气体,导致燃料电池环保价值降低。一般用于制氢的化石燃料是天然气。天然气制氢的过程是:在一定的压力和一定的高温及催化剂作用下,天然气中烷烃和水蒸汽发生化学反应。转化气经过沸锅换热、进人变换炉使C0变换成H2和CO2。再经过换热、冷凝、汽水分离,通过程序控制将气体依序通过装有3种特定吸附剂的吸附塔,由变压吸附(PSA)升压吸附N2、CO、CH4、CO2,提取产品氢气。

简单来说,天然气和水蒸气发生化学反应会生成氢气,然后通过吸附的方式提取出生成物中的氢气。

1.2

工业副产物制氢

焦炉气制氢技术是采用变压吸附的工艺,从炼焦行业副产的焦炉气中提取纯氢。其基本原理是利用固体吸附剂对气体的吸附具有选择性,以及气体在吸附剂上的吸附量随其分压的降低而减少的特性,实现气体混合物的分离和吸附剂的再生,达到提纯制氢的目的。

炼焦行业的副产物中有焦炉气,焦炉其中含有氢气,还是可以通过吸附的方式,将焦炉气中的氢气选择出来。

1.3

生物原料制氢

甲醇裂解制氢的工艺过程是甲醇和除盐水按一定的配比混合,加热至270℃左右的混合物蒸汽,在催化剂(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,发生催化裂解和转化反应。

甲醇在催化剂和加热的环境下可以裂解产生氢气。

1.4

电解水制氢

氢气还能够通过传统的电解水法获得,这是一个非常常见的反应,但是缺点也非常明显,这种方法由于能耗过高,除已建成装置外,已少有新建装置。

1.5

各有利弊不好说

从经济性上看,制氢的成本很大程度上取决于原料的成本,随原料价格的波动非常明显。就目前的原料价格水平看,焦炉气制氢和天然气制氢成本更低。民用天然气制氢成本大约在1.5-1.7元/km3;焦炉气是焦化企业炼焦过程中产生的副产品,原先都是在作为燃料燃烧后高空排放,现在用于化工原料时价格一般均低于0.4元/m3,因此焦炉气制氢成本可以低于1.39元/km3,较天然气制氢成本更低。甲醇制氢成本将超过1.37元/km3。但由于甲醇价格波动高,其经济性较天然气制氢没有绝对优势。就目前各种原料的价格来看,焦炉气制氢的经济性较为显著(电解水成本无竞争力,因此不做讨论)。综合目前工业制氢方式的优劣势及成本考虑,如果用氢装置附近有丰富的焦炉气资源,焦炉气制氢技术是首选的工艺技术方案。考虑到制氢规模的要求,天然气制氢技术在能够取得天然气资源的情况下也是优选的方案。甲醇裂解制氢的成本波动性大,制氢规模小,但装置成本低,因此适用于间断性、补充性的氢气制造。

从我国目前燃料电池车用氢气的实践看,焦炉气制氢同样是首选。但焦炉气制氢严重收到焦炉气资源的限制。在未来能源结构调整中,焦炉气产量下降,氢气需求猛增,届时焦炉气制氢将难以继续使用。因此,目前工业制氢尚无最佳方案,仍然有待研发。

2.0储运成本也不低,氢站建设成关键

 氢气运输一直是阻挡氢燃料运用的一个重大障碍。由于氢气极小的密度以及易燃易爆的特性,现场生产就地使用是最佳的方式。但由于低成本、小规模、灵活分部的制氢方式尚未实现,作为汽车燃料的氢气需要进行贮运。氢的贮运方式主要有气态贮运、液态贮运金属氢化物贮运。其中前三者是传统的储氢方法,各具有其优缺点。目前加氢站普遍采用的是利用长管拖车贮运高压气态氢气。

2.1

现有主要储运方式

不同的储运方式,运输成本又有所不同。

如:气氢拖车是未来一段时间内的主要运输方式。以200Km运输距离和每天10吨的运输规模来看,成本可达到2.02元/Kg;(目前的氢站数量以及FCV车的市场保有量无法达到这个成本)这种运输方式大部分成本来自于压缩/液化设备、存储设备的投资,对于氢气的短途运输,是一个非常不错的选择。

管道运输运营成本低,运输规模庞大,但投资成本高,且只能点对点,难以成为主流;但对于大量、长距离的氢气输送来说,管道运输仍然是最有效的方法。氢气的长距离管道输送已有60余年的历史。国内首条氢气专用运输管道,如石化洛阳炼化济源至洛阳氢气输送管道工程,于2015年10月竣工完成。线路水平长度为25公里,年输气量10.04万吨。

液氢罐车是未来的重要方向,运输能力是气氢拖车的10倍以上,成本随规模上升而下降。

2.2

成本分析,加氢站规模很重要

分别对加氢站数量为1个、4个、8个、16个共四种情况计算氢气运输成本。假设加氢站距离氢源点的距离一定,经过试验模拟可知,氢气的运输成本随着每个加氢站规模的增加而迅速减少,但三条曲线基本重叠,说明加氢站数量的增加并不减少氢气运输成本,其原因是增加加氢站需要另外铺设氢气管道,其昂贵的投资使氢气运输成本基本维持不变。根据结果可知,当加氢站规模达到1500Kg/d时,氢气的运输成本大约为6元/Kg。

2.3

国家支持氢能源产业发展
总的来说,加氢站作为基础的氢能源产业设施,对氢气的储运成本有着巨大的影响。基础设施的建设是往后FCV(燃料电池汽车)大规模产业化与商业化的保障。虽然也国外相比,我国现有的加氢站数量稀少(详见/氢燃料之谜之为何国内加氢站屈指可数?),但国家已经在逐渐补充完善加氢站的建设,并补贴燃料汽车与加氢站,为未来燃料电池汽车基础设施的建设打好基础。


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