一、氫能發(fā)展的三大優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)化工燃料汽油、柴油相比,氫能具有三大優(yōu)勢(shì)。一是較高的含能特性。除核燃料外,氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首,燃燒1kg氫可放出12MJ(28.6Mcal)的熱量,約為汽油的三倍。二是較高的能源轉(zhuǎn)化效率。氫能可以通過燃料電池直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡姡^程中的廢熱可以進(jìn)一步利用,其效率可達(dá)到83%。氫氣燃燒不僅熱值高,而且火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?,點(diǎn)火能量低,所以氫能汽車比汽油汽車總的燃料利用效率可高20%。三是碳的零排放。與化石能源的利用相比,氫燃料電池在產(chǎn)生電能的過程中不會(huì)產(chǎn)生碳排放,可以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。
氫的燃燒熱值據(jù)所有化工燃料榜首
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相關(guān)報(bào)告:智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國氫能行業(yè)市場競爭現(xiàn)狀及投資方向研究報(bào)告》
以汽油內(nèi)燃機(jī)的綜合熱效率和CO2排放量為基準(zhǔn)來對(duì)比。氫燃料電池的綜合熱效率最高,同時(shí)CO2排放量少,是替代石油供給車輛動(dòng)力的最佳燃料。
氫燃料電池的綜合熱效率最高且CO2排放量少
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二、 制氫方式:四種制氫方式各存優(yōu)劣,天然氣制氫是主要來源
目前以四類制氫方式為主:化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)物制氫、電解水制氫、生物質(zhì)及其他制氫方式。
幾種制氫方式對(duì)比
制氫方式 | 優(yōu)點(diǎn) | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) | 能源效率 | 氫氣價(jià)格(美元/kg) | 氫氣成本(元/NM3) |
化石燃料制氫 | 天然氣制氫 | 產(chǎn)量高,成本低 | 排放溫室氣體 | 83 | 0.75 | 0.6-1.2 |
煤制氫 | 產(chǎn)量高,成本低,商業(yè)化技術(shù)成熟 | 排放溫室氣體 | 63 | 0.92 | 1-1.2 | |
工業(yè)副產(chǎn)物制氫 | 焦?fàn)t氣制氫 | 利用副產(chǎn)物,成本低 | 焦?fàn)t氣具有污染性,建設(shè)地點(diǎn)受制于原料供應(yīng) | - | - | 1.2 |
氯堿制氫 | 產(chǎn)品純度高,原料豐富 | 建設(shè)地點(diǎn)受制于原料供應(yīng) | - | - | 1.3-1.5 | |
電解水制氫 | 環(huán)保,產(chǎn)品純度高 | 耗電量大,成本高 | 45-55 | 1.95 | 3-5 | |
光解水制氫 | 無污染、零排放 | 技術(shù)不成熟,轉(zhuǎn)化率低 | 10-14 | 4.98 | - | |
生物質(zhì)制氫 | 環(huán)保,產(chǎn)量高 | 技術(shù)不成熟,產(chǎn)品純度低 | 40-50 | 1.21-2.42 | - |
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天然氣制氫仍是我國最主要的制氫來源,占總制氫量的48%。醇類重整制氫及煤制氫也占有相當(dāng)大的比重,來自電解水的制氫量最低,僅為4%。
天然氣制氫占我國制氫來源的48%
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未來供氫主體以電解水制氫為主,可再生能源電解水制氫將上升為未來供氫主體,我國將形成以可再生能源為主體、煤制氫+CCS與生物質(zhì)制氫為補(bǔ)充的多元供氫格局。
中國氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)
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1. 電解水制氫:降成本主要依靠電價(jià),低成本電力來自光伏和風(fēng)電
電解水制氫氣是通過電能給水提供能量,破壞水分子的氫氧鍵來制取氫氣的方法。其工藝過程簡單、無污染,制取效率一般在75%-85%,每立方米氫氣電耗為4-5kW·h。
電解水制氫過程
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1)降成本路徑之一:降低過程能耗,提高電解效率
堿性水解技術(shù)最為成熟但效率低,高效率的PEM與SOEC技術(shù)待推廣。目前主流的電解水制氫技術(shù)有三種類型:包括堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)制氫。
三種電解池性能對(duì)比
電解池類型 | 堿水電解池 | 固體氧化物電解池(SOEC) | 質(zhì)子交換膜電解池(PEM) |
電解質(zhì) | 20-30%KOH | Y2O3/ZrO2 | PEM(常用Nafion) |
工作溫度℃ | 70-90 | 700-1000 | 70-80 |
電流密度A/cm2 | 1~2 | 1~10 | 0.2~0.4 |
電解效率 | 60-75% | 85-100% | 70-90% |
能耗Kwh/Nm3 | 4.5-5.5 | 2.6-3.6 | 3.8-5.0 |
操作特征 | 啟停較快 | 啟停不便 | 啟停快 |
動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力 | 較強(qiáng) | - | 強(qiáng) |
電能質(zhì)量需求 | 穩(wěn)定電源 | 穩(wěn)定電源 | 穩(wěn)定或波動(dòng) |
系統(tǒng)運(yùn)維 | 有腐蝕液體,后期運(yùn)維復(fù)雜,成本高 | 目前已技術(shù)研究為主,尚無運(yùn)維需求 | 無腐蝕性液體,運(yùn)維簡單,成本低 |
電堆壽命 | 可達(dá)到120000h | - | 已達(dá)到100000h |
技術(shù)成熟度 | 商業(yè)化 | 實(shí)驗(yàn)室研發(fā) | 國外已商業(yè)化,國內(nèi)處于研發(fā)走向工業(yè)化前期階段 |
有無污染 | 堿液污染,石棉致癌 | - | 清潔無污染 |
電解槽成本美元/kW | 400-600 | 1000-1500 | 約2000 |
特點(diǎn) | 最為成熟,商業(yè)化程度最高,成本低 | 部分電能被熱能取代,轉(zhuǎn)化效率高,高溫限制材料選擇,尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 | 可再生能源適應(yīng)性,無污染,成本高(質(zhì)子交換膜和鉑電極催化),產(chǎn)業(yè)化程度低 |
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2)降成本路徑之二:以低成本電價(jià)為制氫原料
與其他國家相比,我國工業(yè)電價(jià)位于中低水平。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),我國工業(yè)電價(jià)平均為0.107美元/千瓦時(shí),居世界第八,僅為第一名的三分之一。相對(duì)較低的電價(jià)為我國發(fā)展電解水制氫提供了有利條件
我國工業(yè)電價(jià)據(jù)世界第八。
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西北地區(qū)大工業(yè)電價(jià)偏低。分省份來看,波谷、波峰電價(jià)在全國排名第一的分別是河北省和安徽省,青海省無論是波峰還是波谷電價(jià)均為最低,全國波谷電價(jià)平均為0.33元/千瓦時(shí),波峰電價(jià)平均為0.90元/千瓦時(shí)。
西北地區(qū)省份大工業(yè)電價(jià)偏低
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1. 天然氣制氫:中西部地區(qū)天然氣資源豐富,可降低制氫成本
1)天然氣制氫方法中甲烷水蒸氣重整最為成熟
天然氣的主要成分是甲烷(體積含量大于85%),因此一般說的天然氣制氫就是甲烷制氫。甲烷制氫方法主要有甲烷水蒸氣制氫(SMR),甲烷部分氧化(POX)和甲烷自熱重整(ATR)。其中甲烷水蒸氣重整(SMR)是工業(yè)上最為成熟的制氫技術(shù),約占世界制氫量的70%。
三種天然氣制氫方法的比較
制氫技術(shù) | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
甲烷水蒸氣重整 | 應(yīng)用最為廣泛;無需氧氣;反應(yīng)溫度最低;對(duì)于制氫而言,有最佳的H2/CO比例 | 通常需要過多蒸汽;設(shè)備投資多;能量需求高 |
自熱重整 | 需要低能量;比部分氧化過程的溫度低;H2/CO比例很容易受到CH4/O2比例的調(diào)整 | 商業(yè)應(yīng)用有限;通常需要氧氣 |
部分氧化 | 給料直接脫硫不需要蒸汽;較低的H2/CO比例,常用于比例小于20的場景 | 不適用于H2/CO需求比例大于20的場景;操作過程所需溫度高;通常需要氧氣 |
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甲烷水蒸氣重整制氫工藝流程
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2)降低成本應(yīng)從天然氣價(jià)格入手,中西部地區(qū)具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)
我國天然氣資源主要分布在中西盆地。受地質(zhì)條件影響,地下天然氣通常呈聚集區(qū)分布,我國天然氣探明儲(chǔ)量的80%以上分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、柴達(dá)木和鶯—瓊五大盆地。沿海地區(qū)天然氣價(jià)格偏高,西北地區(qū)價(jià)格最低。天然氣價(jià)格很大程度上受資源稟賦的影響,天然氣資源豐富的地區(qū),價(jià)格相應(yīng)偏低。非居民天然氣價(jià)格目前正在逐步市場化。
各省天然氣基本門站價(jià)格表(元/m3)
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2. 煤制氫:成本較低,下降空間有限
1)煤氣化制氫是最常用的一種煤制氫手段
2013年,我國超過美國成為世界第一大能源消費(fèi)國,其中煤炭產(chǎn)量為38.74億噸標(biāo)煤,之后幾年煤炭產(chǎn)量略微走低至2017年的35.2億噸,但2018年煤炭產(chǎn)量有所回升至36.8億噸標(biāo)煤。煤炭可以用于制備多種工業(yè)產(chǎn)品,其中煤制氣的產(chǎn)能由2017年的51億立方米/年同比增長0.1%至2018年的51.05億立方米/年。但目前在我國氫氣生產(chǎn)中占據(jù)主要地位的還是煤氣化制氫。
三種煤制氫方法的比較
制氫技術(shù) | 過程 | 產(chǎn)品 |
煤間接制氫 | 將煤轉(zhuǎn)化為甲醇,再由甲醇重整制氫 | - |
煤焦化制氫 | 煤經(jīng)過干燥、預(yù)熱、軟化等過程被煉制成焦炭,副產(chǎn)品的焦?fàn)t煤氣中含有氫氣 | 焦?fàn)t煤氣中氫氣含量55~60%,其余是甲烷、一氧化碳等氣體 |
煤氣化制氫 | 煤炭先與氧氣反應(yīng),后和水反應(yīng),得到以氫氣和一氧化碳為主要成分的氣態(tài)產(chǎn)品,脫硫凈化后,一氧化碳和水蒸氣反應(yīng)生成更多的氫氣,最后分離提純得氫氣。 | 變壓吸附提純后,氫氣純度可以提高到99.9%以上 |
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煤氣化制氫工藝流程簡圖
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2)降成本應(yīng)該從煤炭價(jià)格入手,西北部具有地區(qū)優(yōu)勢(shì)
我國煤炭資源較為豐富且分布廣泛,全國32個(gè)省市(除上海外)都有煤炭資源,但是區(qū)域分布極不均衡,主要的格局是西多東少、北富南貧。
2018年上半年內(nèi)蒙古和山西原煤產(chǎn)量遠(yuǎn)高于其他省份
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現(xiàn)在煤炭儲(chǔ)量和產(chǎn)量較多的地區(qū)比如內(nèi)蒙古、山西等省份,相同種類煤炭的價(jià)格也相對(duì)其他省份較低。全國部分省份動(dòng)力煤價(jià)格如下,其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是內(nèi)蒙古動(dòng)力煤價(jià)格僅為360元/噸,而混煤的價(jià)格是170元/噸。
內(nèi)蒙古和山西動(dòng)力煤價(jià)格偏低
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3. 化工副產(chǎn)品制氫:未來將由氯堿制氫轉(zhuǎn)向丙烷脫
1)氯堿制氫為主要生產(chǎn)方式,降本可從節(jié)能降耗方面入手
化工副產(chǎn)品制氫主要可以分為焦?fàn)t氣制氫、氯堿副產(chǎn)品制氫、丙烷脫氫和乙烷裂解等幾種方式,其中氯堿副產(chǎn)品制氫的由于工藝成本最為適中且所制取的氫氣純度較高等優(yōu)勢(shì),成為目前化工副產(chǎn)品中較為適宜的制氫方式。
氯堿制氫工藝簡化流程
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2)丙烷脫氫有未來潛在優(yōu)勢(shì)
2019年1月,我國已經(jīng)建成的丙烷脫氫項(xiàng)目共計(jì)生產(chǎn)能力467萬噸/年,其中山東和江蘇兩個(gè)省份處于領(lǐng)先位置。行業(yè)內(nèi)已經(jīng)公布的規(guī)劃和在建的丙烷脫氫項(xiàng)目共計(jì)45個(gè),涉及生產(chǎn)能力2605萬噸/年。若規(guī)劃和在建的丙烷脫氫項(xiàng)目都已完成,預(yù)計(jì)可以副產(chǎn)并外售86.8萬噸氫能,未來發(fā)展空間巨大。
中國丙烷進(jìn)口量增長迅速
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2025-2031年中國氫能行業(yè)競爭現(xiàn)狀及投資策略研究報(bào)告
《2025-2031年中國氫能行業(yè)競爭現(xiàn)狀及投資策略研究報(bào)告》共八章,包含氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)分析,中國氫能行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)介紹,中國氫能源行業(yè)的發(fā)展前景等內(nèi)容。



