第一情报 ---能源与环境

氢能产业链分析(2)上游制氢

供稿人:顾震宇  供稿时间:2018-3-13   关键字:氢能  产业链  上游  制氢  

一、常用的制氢技术路线

制氢方法是将存在于天然或合成的化合物中的氢元素,通过化学的过程转化为氢气的方法。根据氢气的原料不同,氢气的制备方法可以分为非再生制氢和可再生制氢,前者的原料是化石燃料,后者的原料是水或可再生物质。制备氢气的方法目前较为成熟,从多种能源来源中都可以制备氢气,每种技术的成本及环保属性都不相同。主要分为五种技术路线:工业尾气副产氢、电解水制氢、化工原料制氢、石化资源制氢和新型制氢方法等。

图1 常用制氢方法

电解水制氢,在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中,在电解质水溶液中通入电流,水电解后,在阴极产生氢气,在阳极产生氧气。

化石原料制氢,化石原料目前主要指天然气、石油和煤,其他还有页岩气和可燃冰等。天然气、页岩气和可燃冰的主要成分是甲烷。甲烷水蒸气重整制氢是目前采用最多的制氢技术。煤气化制氢是以煤在蒸汽条件下气化产生含氢和一氧化碳的合成气,合成气经变换和分离制得氢。由于石油量少,现在很少用石油重整制氢。

化合物高温热分解制氢,甲醇裂解制氢、氨分解制氢等都属于含氢化合物高温热分解制氢含氢化合物由一次能源制得。

工业尾气制氢,合成氨生产尾气制氢、石油炼厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气中氢的回收利用等。

新型制氢方法,包括生物质制氢、光化学制氢、热化学制氢等技术。生物质制氢指生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢,在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称。光化学制氢是将太阳辐射能转化为氢的化学自由能,通称太阳能制氢。热化学制氢指在水系统中,不同温度下,经历一系列化学反应,将水分解成氢气和氧气,不消耗制氢过沉重添加的元素或化合物,可与高温核反应堆或太阳能提供的温度水平匹配。

二、主流制氢源自于传统能源的化学重整

全球来看,目前主要的制氢原料96%以上来源于传统能源的化学重整(48%来自天然气重整、30%来自醇类重整,18%来自焦炉煤气),4%左右来源于电解水。日本盐水电解的产能占所有制氢产能的63%,此外产能占比较高的还包括天然气改制(8%)、乙烯制氢(7%)、焦炉煤气制氢(6%)和甲醇改质(6%)等。

2

图2 全球制氢主要来源(左)、日本制氢主要来源(右)

资料来源: hydrogen analysis resource center


三、煤制氢加碳捕捉将成为主流制氢路线

对比几种主要制氢技术的成本,煤气化制氢的成本最低,为1.67美元每千克,其次是天然气制氢2.00美元/千克,甲醇裂解3.99美元/千克,成本最高的是水电解,达到5.20美元/千克。相对于石油售价,煤气化和天然气重整已有利润空间,而电解水制氢成本仍高高在上。








图3 主要制氢成本对比(美元)

中国煤炭资源丰富且相对廉价,故将来煤制氢很有可能成为中国规模化制氢的主要途径。但煤制氢工艺过程二氧化碳排放水平高,所以需要引入二氧化碳捕捉技术(CCS),以降低碳排放。目前二氧化碳捕捉技术主要应用于火电和化工生产中,其工艺过程涉及三个步骤:二氧化碳的捕捉和分离,二氧化碳的输送,以及二氧化碳的封存。

四、光解水制氢技术看似理想实则困难重重

光解水制氢是一种理想的制氢技术。它的原理是直接利用太阳能,在光催化剂的协助下,将水分解产生氢气。这种方法直接利用一次能源,没有能源转换所产生的浪费,理论上简单高效。

光解水制氢技术始自1972年,由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象,从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性,开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化的演变和

TiO2以外的光催化剂的相继发现,兴起了以光催化方法分解水制氢(简称光解水)的研究,并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。

然而,这种制氢方法面临的技术仍然面临很多问题。制氢效率低(不到4%)是最主要的问题,所以它离实际应用还有相当长的距离。光催化材料的带隙与可见光能量匹配,光催化材料的能带位置与反应物电极电位匹配,降低光生电子-空穴的复合率是克服这一困难的三大待攻克技术难关。

五、随着电价下降,将有利于电解水制氢技术发展

电解水制氢成本主要来源于固定资产投资、电和固定生产运维这四项开支,其中电价高是造成电解水成本高的主要原因,电价占其总成本的78%。因而电价的下降必将带来氢气成本的大幅下降。同时技术发展、规模化效应,都会使氢气成本下降。

表1 电解水制氢成本构成

 

2011

2015

2020(预测)

固定资产投资

0.6

0.5

0.4

电价

3.2

2.3

1.4

固定生产运维

0.2

0.1

0.1

其他

0.1

0.1

0.1

Total

4.1

3.2

2

资料来源:DOE

 

虽然目前水电解制氢成本远高于石化燃料,而煤气化制氢和天然气重整制氢相对于石油售价已经存在利润空间。但是用化石燃料制取氢气不可持续,不能解决能源和环境的根本矛盾。并且碳排放量高,煤气化制氢二氧化碳排放量高达193kg/GJ,天然气重整制氢也有69 kg/GJ,对环境不友好。而电解水制氢是可持续和低污染的,这种方法的二氧化碳排放最高不超过30 kg/GJ,远低于煤气化制氢和天然气重整制氢。

表2 典型制氢工艺中各类能源转换效率与CO₂排放

制氢工艺

原料

能源

能量密度

(MW/km²)

能量转化率

(%)

CO₂排放量

(kg/GJ)

重整

烃类

天然气

750

76

69

煤化物

煤炭

煤炭

750

59

193

生物质

太阳能

120

0.24

25

电解

核能

500

28

17

水力

5

70

15

潮汐

1

70

20

风能

4

70

18

太阳能

120

10.5

27

光催化

太阳能

120

4

27

热化学循环

核能

500

50

28

我国可再生能源丰富,每年弃水弃风的电量都可以用于电解水。我国拥有水电资源3.78亿千瓦,年发电量达到2800亿千瓦时。水电由于丰水器和调峰需要,产生了大量的弃水电能。我国风力资源也非常丰富,可利用风能约2.53亿千瓦时,相当于水力资源的2/3。但风电由于其不稳定的特性,较难上网,因此每年弃风限电的电量规模庞大。如果将这部分能源充分利用起来,有利于电解水制氢的发展。

参考文献:

[1] MarketandMarkets. Hydrogen Generation Market by Generation & Delivery Mode (Captive, Merchant), Technology (Steam Methane Reforming, Partial Oxidation, Gasification, and Electrolysis), Application (Refinery, Ammonia Production, and Methanol Production), & Region - Global Forecast to 2021[R/OL]. Profound[2016-3-22]. https://www.profound.com

[2] MarketsandMarkets. Hydrogen Storage Market by Storage Form (Physical, Material-Based), Type of Storage (Cylinder, Merchant, On-Site, & On-Board), Application (Chemicals, Oil Refining, Industrial, Transportation, Metal Working), and Region - Global Forecast to 2026[R/OL]. Profound[2017-1-5]. https://www.profound.com

[3] 莫尼塔研究. 氢能在中国能源市场应用场景的社会和经济分析[R/OL]. ISI Emerging Market Information Service [2016-9-27].  https://www.emis.com

[4] 华泰证券. 技术逐步成熟,产业链爆发在即[R/OL]. ISI Emerging Market Information Service [2016-7-20].  https://www.emis.com

[5] 华创证券. 氢能产业链深度研究:氢能,终极能源之路[R/OL]. ISI Emerging Market Information Service [2016-6-2].  https://www.emis.com

 

 

 


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