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传奇霸业武器祝福:中國氫能源產儲、儲運及加氫站發展趨勢分析[圖]

2019年05月24日 13:33:44字號:T|T

传奇霸业2345双线 www.jhmtu.icu     一、氫氣產儲

    氫能源是氫燃料電池汽車的核心動力來源,其生產方案較多,主要有:1)化石燃料制氫:天然氣制氫、煤炭制氫等;2)富氫氣體制氫:合成氨生產尾氣制氫、煉油廠回收富氫氣體制氫、氯堿廠回收副產氫制氫、焦爐煤氣回收氫等;3)甲醇制氫:甲醇分解制氫、甲醇水蒸氣重整制氫、甲醇部分氧化制氫、甲醇轉化制氫;4)水解制氫:電解水、堿性電解、聚合電解質薄膜電解、高溫電解、光電解、生物光解、熱化學水解;5)生物制氫:生物質通過氣化和微生物催化脫氫制氫。

    目前全球主要制氫方法來源于化石燃料(66%)和甲醇重整(30%),電解水成本較高,僅4%氫氣來源于電解水。國內方面,我國氫氣主要來源于焦爐煤氣(66%)、氯堿工業副產氫、天然氣、甲醇、液氨重整。焦爐煤氣中含硫量較高,會引起催化劑中毒從而減少電堆壽命,加裝脫硫裝置會大幅增加系統成本,因此目前氫燃料電池的氫氣主要來源于氯堿工業副產氫。但是長期來看,隨著可再生能源在我國發電占比逐漸升高,且新能源電力成本持續降低后,低成本高純度氫氣依然來源于電解水。

    目前我國氯堿副產氫產能約76萬噸/年,完全滿足目前氫燃料電池汽車需求,疊加天然氣、甲醇、液氨裂解的氫氣產能,合計278萬噸/年,可供68萬輛氫燃料電池汽車使用,其中氯堿副產氫即可供應19萬輛汽車的氫氣需求,因此短期內氯堿副產氫完全滿足氫氣用量。

2014-2020年氫氣需汽車產量及預測

數據來源:公開資料整理

2014-2020年氫氣需求量及預測

數據來源:公開資料整理

    隨著未來氫燃料電池汽車的快速增長,遠期氫氣供應依然不足,我們認為電解水制氫有望成為未來氫氣生產的主要來源。電解水制氫目前唯一缺點是耗電量大導致成本過高,約在2.5~3.5元/Nm3之間,而氯堿副產氫氫氣成本僅1.3~1.5元/Nm3。電解水制氫成本來源主要是電耗,能耗水平約為4.5~5.5kwh/Nm3,能效在72%~82%之間,成本相當于30~40元/kg,用電解法生產氣態氫的價格比汽油約高65%,如果生產液態氫,則比汽油高約260%以上。

制氫方法成本比較(元/Nm3)

數據來源:公開資料整理

    我國電力裝機及消費結構轉型,可再生能源高速增長,光伏風電占比逐漸擴大,低成本可再生能源將逐漸成為我國電力消費結構的重要來源:1)2019年光伏風電已經開始進入平價時代,部分風電光伏項目已經滿足平價要求,未來有望進一步降本,從而產生大量低成本低價可再生電力;2)近年來,降低棄風棄光率是國家發展新能源的重要目標之一,2018年棄光棄風率分別為3%和7%,另外棄水率為5%,合計浪費可再生能源909.45億度電,對應可產生氫氣617萬噸,是目前氫氣產能的一倍,若將這一部分浪費的資源用于電解制氫,可產生邊際成本極低的氫能源。

    二、氫氣儲運

    氫氣使用和生產地域的不匹配造成了儲運問題。相對生產環節,氫氣儲運問題相對更大:我國氫氣輸運技術仍不足,存儲和運輸企業較少,產業化水平低。氫氣生產后的儲存方式與車載儲氫方式基本相同,均為高壓氣態、低溫液態和固態儲氫,加氫站的氣源也多采用外供高壓氣氫。

氫氣儲運產業結構

關鍵技術環節
主要制造商
國內技術水平
低溫液態氫儲運裝備
大容積液氨圓柱形儲罐、液氫球罐
中國航天科技、中集安瑞科、美國MVE、日本JCI、Chart公司、JSCCryogenmash、林德公司
大容積液氫球罐、罐車技術與國外存在差距、關鍵零部件仍依賴進口
液氫運輸及加注設備
液氫罐車
高壓氣態氫儲運裝備
車載高壓氫氣瓶
意大利FaberIndustries、美國HexagonLincoln、日本SAMTECH、富瑞氫能、北京有色金屬研究總院、沈陽斯林達安、浙江大學、巨化集團
與國際先進水平存在一定差距
固定式高壓儲氫容器
移動式高壓儲氫容器
儲氫新材料
金屬氧化物儲氫材料、有機液體儲氫材料、多孔材料吸附存儲材料等
美國Brookhaven實驗室、日本AKIBA實驗室、德國紐倫堡能源研究中心、北京有色金屬研究總院、中國地質大學、荷蘭飛利浦、日本三德、美國OVONIC公司、日本松下電器、日本福瑞能源、日本積水化學、氫陽能源
與國際先進水平存在較大差距、但是大多處于研發試驗階
加氫站建設與運營
35MPa、70MPa加氫站技術整備及建設
奧地石油友天然氣集團、法國道達爾、荷蘭皇家殼牌、德國林德、美國TrueZero公司、美國空氣產品公司、日本巖谷、上海舜華新能源系統有限公司、富瑞氫能
與國際先進水平存在較大差距
氣態氫加注裝備、氣態氫品質

數據來源:公開資料整理

    儲運氣瓶與車載氣瓶的差別在于壓力不同:儲運氣瓶的壓力高于車載氫氣瓶。當為燃料電池汽車加注時,以站內儲氫瓶和車載瓶之間的壓差為驅動力,高壓氣態氫氣由站內向車載儲氣瓶不斷加注,直到目標加注質量或者壓力則加注完畢。目前加氫站目標加注壓力多為35MPa,站內儲氣壓力為40~45MPa。為了滿足更長續駛里程的需求,70MPa的加氫站成為未來發展趨勢,其儲氣瓶壓力需要達到80~90MPa,因此儲運氣瓶需要承擔更大的壓力,對強度和材質要求相對更高。

    液氫儲存問題與車載儲氫瓶相同。利用低溫鐵路槽車長距離運輸液氫是一種既能滿足較大的輸氫量,又比較快速、經濟的運氫方法。這種鐵路槽車常用水平放置的圓筒形低溫絕熱槽罐,其儲存液氫的容量可達100m3。特殊大容量的鐵路槽車甚至可運輸120~200m3的液氫。液化氫氣所需能耗將近氫氣本身的40%,且需要保持低溫,在101千帕壓強下,溫度-252.87℃時,氫氣才可轉變成無色的液體,導致儲氫罐內外溫差較大,因此其儲存的容器及輸液管道都帶有高度的絕熱性能。

    固態儲氫材料是未來氫氣儲存與運輸的重要研究方向,包括物理吸附與金屬或非金屬氫化物儲氫三個方向,目前都處于研究或者小規模實驗狀態。

不同儲氫方式經濟性比較(美元/GJ)

儲存方法
使用系統成本
儲存系統成本
能耗
總成本
液體灌裝(T=20K)
1.46
2.36
15.37
19.02
金屬氫化物
0.6
7.844
5.41
13.85
氣體壓縮(P=20MPa)
0.82
8.12
2.65
11.59
固體吸附(T=150K,P=5.4MPa)
2.1
2.61
2.46
7.38

數據來源:公開資料整理

    針對氫氣的儲存方式,氫氣運輸方式主要是三種:氣氫拖車、氣氫管道、液氫灌車。總體來說,300公里以下的短距離運輸,液氫管道運輸成本和氣氫拖車擁有成本優勢,400公里以上的長距離運輸則液氫罐車更具優勢。

    1) 氣氫拖車

    由于高壓儲氫瓶中氫氣質量約占儲氫瓶總質量的5%,因此運輸氣氫拖車運輸效率非常低,在運輸300公里左右時成本為7000元/噸。其成本主要包括:拖車折舊費、維護保養費、氫氣壓縮耗電、人員工資及運輸油耗等。目前國內集裝管束拖車的價格約100萬/臺,使用年限10年。每輛拖車配備司機兩名,每人每年工資及福利費共15萬。拖車滿載氫氣可達460kg,每百公里消耗柴油約25升。拖車平均運行速度假設為50km/小時,兩端裝卸時間約5小時,年有效工作時間為4500小時,氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg。

氣氫拖車單位氫氣運輸成本(元/噸公里)

數據來源:公開資料整理

    2) 液氫罐車

    液氫罐車的運輸成本結構與氣氫拖車類似,只是增加氫氣液化成本及運輸途中液氫的沸騰損耗。槽罐車市場價格約45萬/輛,每次裝載液氫約4300kg,運輸途中由于液氫沸騰平均每小時損耗0.01%,液化過程損耗0.5%。液化過程耗電11kwh/kg。槽罐車充卸一次約耗時6.5小時。

液氫罐車單位氫氣運輸成本(元/噸公里)

數據來源:公開資料整理

    3) 氣氫管道

    管道輸送的年運輸能力取決于設計能力,而與運輸距離基本無關。目前,氫氣管道使用的直徑都不大(多數直徑d<200mm),輸氫壓力不高(p<7MPa),管道輸送距離并不很長(最長的為208km),故中間不設氫氣加壓站。按照φ502mm的管道計算,年輸送能力為10.04萬噸。管道運輸的噸公里成本受運能利用率的顯著影響,隨著運能利用率的下降,單位運輸成本大幅度提升,在利用率提升到40%以上之后運輸成本的變化幅度減緩。

    三、加氫站

    目前的加氫站主要集中在歐美和日本,采用的燃料形式主要分為液氫和壓縮氣體氫氣。多數氫氣加注需要利用高壓氫氣為原料,即壓縮氫氣的加氫站。此類加氫站主要包括氣體輸送和在站制氫兩種。在站制氫主要有兩種方式:天然氣水蒸氣重整和水電解制氫。目前國外已有的加氫站主要以水電解制氫為主,少部分采用天然氣水蒸氣重整制氫。各種制氫工藝中,以天然氣現場制氫的經濟性最好,電解水制氫次之??悸塹餃劑系緋仄刀鄖餛柿康目量痰囊?,目前國外已有的加氫站主要以水電解制氫為主。

2018年末各國建設中加氫站數量統計

數據來源:公開資料整理

    2018年底,我國已建成或在運營的加氫站有26座,前80%的加氫站集中在廣東、上海、江蘇、湖北、遼寧五個省份地區。加氫站投資主體主要是:1)政府投資、或國資能源企業:神華集團、中石化、地方國資委等;2)汽車廠商:上汽、東風特汽、豐田汽車、宇通、中通、奧新汽車、西安新青年、佛汽運輸等;3)燃料電池或系統企業:新源動力、廣東國鴻、億華通、上海神力、愛德曼、明天氫能、大洋電機、武漢氫雄等;4)交通物流運營商:氫車熟路、上海驛動、國能聯盛、國能聯盛、國聯氫能、新賓沐與康等;5)加氫站建設運營企業:上海舜華、北京海德利森科技、氫楓能源、北京派瑞華氫等;6)加氫站設備集成供應商:北京海德利森科技、富瑞氫能、厚普股份等;7)氣體公司:上海浦江特種氣體、南海燃氣、四川燃氣、林德、空氣化工、順德興順燃氣、華昌化工、濱化集團、廣東聯悅氫能等。

2018年末我國在建及在運營加氫站地域分布

數據來源:公開資料整理

    中國單座加氫站投資規模為1200~1800萬元,500kg/d供氫能力加氫站的單站投資規模約為1510萬元,歐洲同等量級的加氫站所需成本約800~1000萬元。主要因為1)國內加氫站的核心設備來自國外,設備價格占加氫站總價格的55%~65%;2)產業前期,為了保障加氫站的安全,國內加氫站的占地面積大;3)中國加氫站建設數量少,相關法規、加氫站建設運營管理辦法等還未有明確、正規的流程,加氫站的設計、審批、建設等周期較長,人力物力成本較高。

200kg日加氫能力加氫站成本分布

數據來源:公開資料整理

我國氫能產業基礎設施技術發展路線

項目
2016年
2020年
2030年
2050年
制氫
工業副產氫氣回收天然氣制氫煤制氫電解水
可再生能源制氫CCS技術
低碳煤基制氫技術可再生能源制氫多元化制氫體系
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氫儲存與運輸
35MPa氣態儲存液氫罐車長管拖車
20MPa氣瓶技術安全預測預警技術高效液態儲氫復合體系儲氫
高壓儲氫設備輕量化技術安全控制技術100MPa級氫安全儀器儀表
摻氫天然氣管道輸送技術長距離高壓氫氣管道技術
氫能利
35MPa加氫4座加
70MPa加氫100座加氫
1000座加氫站氫能高速公路1億kw
全國范圍氫能共計和利用設
用設施
氫站
站20W1W發電1萬輛車
發電200萬輛車3000km氫氣管線
施1000萬輛車

數據來源:公開資料整理

    相關報告:智研咨詢發布的《2019-2025年中國氫能源行業市場前景分析及發展趨勢預測報告

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