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
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)
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
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》 中国产业信息网微信公众号 中国产业信息网微信服务号 |
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