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中国氢能源产储、储运及加氢站发展趋势分析[图]

2019年05月24日 13:33:44字号:T|T

    一、氢气产储

    氢能源是氢燃料电池汽车的核心动力来源,其生产方案较多,主要有:1)化石燃料制氢:天然气制氢、煤炭制氢等;2)富氢气体制氢:合成氨生产尾气制氢、炼油厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气回收氢等;3)甲醇制氢:甲醇分解制氢、甲醇水蒸气重整制氢、甲醇部分氧化制氢、甲醇转化制氢;4)水解制氢:电解水、碱性电解、聚合电解质薄膜电解、高温电解、光电解、生物光解、热化学水解;5)生物制氢:生物质通过气化和微生物催化脱氢制氢。

    目前全球主要制氢方法来源于化石燃料(66%)和甲醇重整(30%),电解水成本较高,仅4%氢气来源于电解水。国内方面,我国氢气主要来源于焦炉煤气(66%)、氯碱工业副产氢、天然气、甲醇、液氨重整。焦炉煤气中含硫量较高,会引起催化剂中毒从而减少电堆寿命,加装脱硫装置会大幅增加系统成本,因此目前氢燃料电池的氢气主要来源于氯碱工业副产氢。但是长期来看,随着可再生能源在我国发电占比逐渐升高,且新能源电力成本持续降低后,低成本高纯度氢气依然来源于电解水。

    目前我国氯碱副产氢产能约76万吨/年,完全满足目前氢燃料电池汽车需求,叠加天然气、甲醇、液氨裂解的氢气产能,合计278万吨/年,可供68万辆氢燃料电池汽车使用,其中氯碱副产氢即可供应19万辆汽车的氢气需求,因此短期内氯碱副产氢完全满足氢气用量。

2014-2020年氢气需汽车产量及预测

数据来源:公开资料整理

2014-2020年氢气需求量及预测

数据来源:公开资料整理

    随着未来氢燃料电池汽车的快速增长,远期氢气供应依然不足,我们认为电解水制氢有望成为未来氢气生产的主要来源。电解水制氢目前唯一缺点是耗电量大导致成本过高,约在2.5~3.5元/Nm3之间,而氯碱副产氢氢气成本仅1.3~1.5元/Nm3。电解水制氢成本来源主要是电耗,能耗水平约为4.5~5.5kwh/Nm3,能效在72%~82%之间,成本相当于30~40元/kg,用电解法生产气态氢的价格比汽油约高65%,如果生产液态氢,则比汽油高约260%以上。

制氢方法成本比较(元/Nm3)

数据来源:公开资料整理

    我国电力装机及消费结构转型,可再生能源高速增长,光伏风电占比逐渐扩大,低成本可再生能源将逐渐成为我国电力消费结构的重要来源:1)2019年光伏风电已经开始进入平价时代,部分风电光伏项目已经满足平价要求,未来有望进一步降本,从而产生大量低成本低价可再生电力;2)近年来,降低弃风弃光率是国家发展新能源的重要目标之一,2018年弃光弃风率分别为3%和7%,另外弃水率为5%,合计浪费可再生能源909.45亿度电,对应可产生氢气617万吨,是目前氢气产能的一倍,若将这一部分浪费的资源用于电解制氢,可产生边际成本极低的氢能源。

    二、氢气储运

    氢气使用和生产地域的不匹配造成了储运问题。相对生产环节,氢气储运问题相对更大:我国氢气输运技术仍不足,存储和运输企业较少,产业化水平低。氢气生产后的储存方式与车载储氢方式基本相同,均为高压气态、低温液态和固态储氢,加氢站的气源也多采用外供高压气氢。

氢气储运产业结构

关键技术环节
主要制造商
国内技术水平
低温液态氢储运装备
大容积液氨圆柱形储罐、液氢球罐
中国航天科技、中集安瑞科、美国MVE、日本JCI、Chart公司、JSCCryogenmash、林德公司
大容积液氢球罐、罐车技术与国外存在差距、关键零部件仍依赖进口
液氢运输及加注设备
液氢罐车
高压气态氢储运装备
车载高压氢气瓶
意大利FaberIndustries、美国HexagonLincoln、日本SAMTECH、富瑞氢能、北京有色金属研究总院、沈阳斯林达安、浙江大学、巨化集团
与国际先进水平存在一定差距
固定式高压储氢容器
移动式高压储氢容器
储氢新材料
金属氧化物储氢材料、有机液体储氢材料、多孔材料吸附存储材料等
美国Brookhaven实验室、日本AKIBA实验室、德国纽伦堡能源研究中心、北京有色金属研究总院、中国地质大学、荷兰飞利浦、日本三德、美国OVONIC公司、日本松下电器、日本福瑞能源、日本积水化学、氢阳能源
与国际先进水平存在较大差距、但是大多处于研发试验阶
加氢站建设与运营
35MPa、70MPa加氢站技术整备及建设
奥地石油友天然气集团、法国道达尔、荷兰皇家壳牌、德国林德、美国TrueZero公司、美国空气产品公司、日本岩谷、上海舜华新能源系统有限公司、富瑞氢能
与国际先进水平存在较大差距
气态氢加注装备、气态氢品质

数据来源:公开资料整理

    储运气瓶与车载气瓶的差别在于压力不同:储运气瓶的压力高于车载氢气瓶。当为燃料电池汽车加注时,以站内储氢瓶和车载瓶之间的压差为驱动力,高压气态氢气由站内向车载储气瓶不断加注,直到目标加注质量或者压力则加注完毕。目前加氢站目标加注压力多为35MPa,站内储气压力为40~45MPa。为了满足更长续驶里程的需求,70MPa的加氢站成为未来发展趋势,其储气瓶压力需要达到80~90MPa,因此储运气瓶需要承担更大的压力,对强度和材质要求相对更高。

    液氢储存问题与车载储氢瓶相同。利用低温铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大的输氢量,又比较快速、经济的运氢方法。这种铁路槽车常用水平放置的圆筒形低温绝热槽罐,其储存液氢的容量可达100m3。特殊大容量的铁路槽车甚至可运输120~200m3的液氢。液化氢气所需能耗将近氢气本身的40%,且需要保持低温,在101千帕压强下,温度-252.87℃时,氢气才可转变成无色的液体,导致储氢罐内外温差较大,因此其储存的容器及输液管道都带有高度的绝热性能。

    固态储氢材料是未来氢气储存与运输的重要研究方向,包括物理吸附与金属或非金属氢化物储氢三个方向,目前都处于研究或者小规模实验状态。

不同储氢方式经济性比较(美元/GJ)

储存方法
使用系统成本
储存系统成本
能耗
总成本
液体灌装(T=20K)
1.46
2.36
15.37
19.02
金属氢化物
0.6
7.844
5.41
13.85
气体压缩(P=20MPa)
0.82
8.12
2.65
11.59
固体吸附(T=150K,P=5.4MPa)
2.1
2.61
2.46
7.38

数据来源:公开资料整理

    针对氢气的储存方式,氢气运输方式主要是三种:气氢拖车、气氢管道、液氢灌车。总体来说,300公里以下的短距离运输,液氢管道运输成本和气氢拖车拥有成本优势,400公里以上的长距离运输则液氢罐车更具优势。

    1) 气氢拖车

    由于高压储氢瓶中氢气质量约占储氢瓶总质量的5%,因此运输气氢拖车运输效率非常低,在运输300公里左右时成本为7000元/吨。其成本主要包括:拖车折旧费、维护保养费、氢气压缩耗电、人员工资及运输油耗等。目前国内集装管束拖车的价格约100万/台,使用年限10年。每辆拖车配备司机两名,每人每年工资及福利费共15万。拖车满载氢气可达460kg,每百公里消耗柴油约25升。拖车平均运行速度假设为50km/小时,两端装卸时间约5小时,年有效工作时间为4500小时,氢气压缩过程耗电1kwh/kg。

气氢拖车单位氢气运输成本(元/吨公里)

数据来源:公开资料整理

    2) 液氢罐车

    液氢罐车的运输成本结构与气氢拖车类似,只是增加氢气液化成本及运输途中液氢的沸腾损耗。槽罐车市场价格约45万/辆,每次装载液氢约4300kg,运输途中由于液氢沸腾平均每小时损耗0.01%,液化过程损耗0.5%。液化过程耗电11kwh/kg。槽罐车充卸一次约耗时6.5小时。

液氢罐车单位氢气运输成本(元/吨公里)

数据来源:公开资料整理

    3) 气氢管道

    管道输送的年运输能力取决于设计能力,而与运输距离基本无关。目前,氢气管道使用的直径都不大(多数直径d<200mm),输氢压力不高(p<7MPa),管道输送距离并不很长(最长的为208km),故中间不设氢气加压站。按照φ502mm的管道计算,年输送能力为10.04万吨。管道运输的吨公里成本受运能利用率的显著影响,随着运能利用率的下降,单位运输成本大幅度提升,在利用率提升到40%以上之后运输成本的变化幅度减缓。

    三、加氢站

    目前的加氢站主要集中在欧美和日本,采用的燃料形式主要分为液氢和压缩气体氢气。多数氢气加注需要利用高压氢气为原料,即压缩氢气的加氢站。此类加氢站主要包括气体输送和在站制氢两种。在站制氢主要有两种方式:天然气水蒸气重整和水电解制氢。目前国外已有的加氢站主要以水电解制氢为主,少部分采用天然气水蒸气重整制氢。各种制氢工艺中,以天然气现场制氢的经济性最好,电解水制氢次之。考虑到燃料电池汽车对氢气质量的苛刻的要求,目前国外已有的加氢站主要以水电解制氢为主。

2018年末各国建设中加氢站数量统计

数据来源:公开资料整理

    2018年底,我国已建成或在运营的加氢站有26座,前80%的加氢站集中在广东、上海、江苏、湖北、辽宁五个省份地区。加氢站投资主体主要是:1)政府投资、或国资能源企业:神华集团、中石化、地方国资委等;2)汽车厂商:上汽、东风特汽、丰田汽车、宇通、中通、奥新汽车、西安新青年、佛汽运输等;3)燃料电池或系统企业:新源动力、广东国鸿、亿华通、上海神力、爱德曼、明天氢能、大洋电机、武汉氢雄等;4)交通物流运营商:氢车熟路、上海驿动、国能联盛、国能联盛、国联氢能、新宾沐与康等;5)加氢站建设运营企业:上海舜华、北京海德利森科技、氢枫能源、北京派瑞华氢等;6)加氢站设备集成供应商:北京海德利森科技、富瑞氢能、厚普股份等;7)气体公司:上海浦江特种气体、南海燃气、四川燃气、林德、空气化工、顺德兴顺燃气、华昌化工、滨化集团、广东联悦氢能等。

2018年末我国在建及在运营加氢站地域分布

数据来源:公开资料整理

    中国单座加氢站投资规模为1200~1800万元,500kg/d供氢能力加氢站的单站投资规模约为1510万元,欧洲同等量级的加氢站所需成本约800~1000万元。主要因为1)国内加氢站的核心设备来自国外,设备价格占加氢站总价格的55%~65%;2)产业前期,为了保障加氢站的安全,国内加氢站的占地面积大;3)中国加氢站建设数量少,相关法规、加氢站建设运营管理办法等还未有明确、正规的流程,加氢站的设计、审批、建设等周期较长,人力物力成本较高。

200kg日加氢能力加氢站成本分布

数据来源:公开资料整理

我国氢能产业基础设施技术发展路线

项目
2016年
2020年
2030年
2050年
制氢
工业副产氢气回收天然气制氢煤制氢电解水
可再生能源制氢CCS技术
低碳煤基制氢技术可再生能源制氢多元化制氢体系
规模化可再生能源制氢工业副产氢气网收规模低碳煤制氢形成绿色氢能供应体系
氢储存与运输
35MPa气态储存液氢罐车长管拖车
20MPa气瓶技术安全预测预警技术高效液态储氢复合体系储氢
高压储氢设备轻量化技术安全控制技术100MPa级氢安全仪器仪表
掺氢天然气管道输送技术长距离高压氢气管道技术
氢能利
35MPa加氢4座加
70MPa加氢100座加氢
1000座加氢站氢能高速公路1亿kw
全国范围氢能共计和利用设
用设施
氢站
站20W1W发电1万辆车
发电200万辆车3000km氢气管线
施1000万辆车

数据来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国氢能源行业市场前景分析及发展趋势预测报告

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