探讨绿色甲醇作为氢载体系列一：氢船舶应用

之前分析了氨做为氢载体在加氢站场合可能会有用武之地。这次分析一下绿醇作为氢载体的潜力。我们来分析两个案例：

系列一：氢船舶：“甲醇重整+碳捕捉？探索大型船舶用氢技术方案”，已有多个公号报道了这个新闻。

系列二：氢冶金：“无化石直接还原铁工艺中两种储氢方法的比较”，国际氢能杂志2021年文章，作者来自瑞典皇家理工学院KTH。针对“氢冶金”场景，对比了“内衬岩洞”储氢和甲醇-重整储氢的经济性。不愿意看这里瞎唠叨的，可以看原文；懒得看的可以等我们发布下一期。

甲醇重整-氢燃料船舶案例

之前探讨了什么是绿色e-甲醇及其作为航运燃料的逻辑和推动力。关键的一点是碳中性的CO₂来源，考虑原料来源广泛性，长远看可能必须采取空气直接捕捉DAC，目前成本太高。生物基碳在推广初期比较重要，但是长远看廉价生物基碳源有限。

怎么破？有项目创新性的提出了一个貌似繁琐但具有可行性的方案，即HyMethShip项目，大致流程是如下图，空气捕捉碳+绿氢合成甲醇——船上甲醇水蒸气重整制氢+碳捕集——氢提供动力，碳在靠岸的地方卸下来，用于下一次合成甲醇。“首次”航行的碳来自空气捕捉，之后就依赖自身系统低成本捕捉的碳。

这个系统的确复杂，但是它同时解决了三个“瓶颈”：

• 氢在陆上的高昂储运成本

• 船上储氢的难度和安全性

• 空气捕捉CO₂高昂成本

整体效率并不低，甲醇——动力的效率是51%，比直接烧甲醇还高些。当然，这是计算值。理论上原因是：

• 水蒸气重整和碳捕集用热来自发动机废热！

• CH₃OH + H₂O→CO₂ + 3H₂，热值比单纯用甲醇提升约12%

  甲醇LHV=5.58kWh/kg, 氢LHV=33.3kWh/kg；1公斤甲醇生成0.1875公斤氢，相当于5.58提高到了6.24kWh。

• 75%的发动机废热用于船上碳捕集用热

项目背景

这个项目的名称是“Hydrogen-Methanol Ship propulsion system using on-board pre-combustion carbon capture” ，即“采用船载燃烧前碳捕集的氢-甲醇船舶推进系统”。欧盟地平线2020（Horizon 2020）资助，总金额大约930万欧元。周期3年（2018 – 2021），分为11个WP（Work Package），项目执行联合体来自6个欧盟国家的13个合作伙伴。

HyMethShip燃料成本

HyMethShip项目并没有给出成本计算细节，只给出了对比图。由下图可见，HyMethShip概念导致的对某些船型的投资成本增加了一倍，但是投资成本占船舶年运行费用的比例非常低。

注：

电转甲醇=电解水制H₂+CO₂合成e-甲醇；

电转柴油=电解水制H₂+ CO（由CO₂生产）经类似费托反应合成e-柴油

项目文章对燃料成本更低的解释是：“The reason for the cost difference is that CO₂ is assumed to have zero cost as it is captured and recycled by the HyMethShip technology.”，即由于CO₂来自于自身产生的碳的循环利用，所以制甲醇的CO₂成本是零。这句话有三层含义：

1-直接空气捕捉成本太高。从甲醇水蒸气重整制氢过程捕集碳，这个是典型的燃烧前碳捕集，成本更低效率更高。直接空气捕集的成本很高。项目文章采用的参考DAC成本为103欧元/吨，基本也是预期2030年以后才能达到的，目前大约是200欧元（最乐观的情况）。

2-氢储运成本太高。虽然绿醇的制备原料是绿氢，但是绿氢储运至船上的成本过高。

3-空气碳捕捉制绿甲醇，甲醇燃烧排等量碳，来自于空气，还给空气，净零；而该项目的概念，由于CO₂自身循环利用了，来自于空气，不还给空气，负碳。

HyMethShip燃料系统投资

该系统投资大头是：膜重整反应器+加热用电机+余热利用系统，总成本是496 欧元/kW；其它的甲醇和CO₂存储等占比很低。

我们根据其它文献的数据计算，包含分离净化的甲醇重整系统投资成本为4200万欧元，产能216吨H₂/天（传统，不是膜反应器）。按放大系数0.6计算，36吨H₂每天的投资成本为1430万欧元，折合572欧元/kW。该项目的甲醇重整反应器+周边系统总成本还是很低的。

对比H2动力船系统投资

我们参考美国能源部DOE的“海上应用氢燃料电池的总拥有成本（TCO）分析——初步结果”的数据，以25MW集装箱船为例：

“Roundtript Duration”往返时间168小时，按低位热值LHV算，燃料电池效率50%，需要25*168/33.3/50%=252吨H₂，36吨氢/天。储氢罐体积3300立方米（约250吨），储氢系统成本2960美金/立方（液氢），投资976.8万美金，折合390美元/kW。这与HyMethShip的系统差不多。

H2动力船燃料成本

假设制氢1.5美金，有评估显示液氢500公里“全链条”储运成本最低大约是2.5美金，则至船上液氢成本为4美金/kg。DOE的TCO报告采用的“远期”目标氢价即4美金。这已经非常低了，相当于1650美金/吨的LNG，1400美金/吨的柴油，670美金/吨的甲醇。

注：不是点对点运输，规模化用氢，要储的，而且储的量还不能小。2.5美金/公斤的全链条储运成本是包含了廉价的地下储氢的。

DOE报告当时（2015）对比的是传统化石柴油和LNG，采取的参考值是620和700美金/吨，如上图，看起来氢船舶TCO极高。但是，目前国内LNG价格折合约1200美金，柴油折合约1300美金，已经接近了4美金的氢了。

结论

氢到船上成本是否能达到4美金以下，什么时候达到，多大范围达到（局部vs广泛），是氢载体的前途的判断前提。你可以认为大规模可再生氢2030年至用户成本普遍能达到2美金（BNEF 氢经济展望2020，中国情景），那就忽略氢载体路线，好好直接用氢吧。冷静客观的看，氢基础设施起码要二十年时间发展壮大，氢载体在这二三十年内可以大有作为。

另外，CO2直接空气捕捉，经历了“失去的十年内”；在接下来脱碳大背景下，也许真的可以规模化大幅降本，那么该项目所谓甲醇重整捕集CO2成本低的逻辑，就没有那么有吸引力了。

当然，本文只是探讨甲醇氢载体的逻辑性、合理性。一切都是变化的，竞争对手也是有的，比如有机液态储氢 LOHC。

[1]https://ec./inea/en/horizon-2020/projects/h2020-transport/waterborne/hymethship

[2]https://www./

[3] Elin Malmgren等，The HyMethShip Concept: An investigation of system design choices and vessel operation characteristics influence on life cycle performance, Proceedings of 8th Transport Research Arena TRA 2020, April 27-30, 2020, Helsinki, Finland

[4] D. Papadias and R. K. Ahluwalia, Total Cost of Ownership (TCO) Analysis for Hydrogen Fuel Cells in Maritime Applications – Preliminary Results, Argonne National Laboratory, 2019

[5] Haid J, Koss U. Lurgi's Mega-Methanol technology opens the door for a new era in down-stream applications. In: Studies in surface science and catalysis. Elsevier; 2001. p. 399-404