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制氢技术路线、氢储运及氢储能技术细说

 

一、制氢技术路线及发展情况:到2030年,电解水制氢市场估计能到100GW;中国是全球最大的氢气生产和消费市场,中国的电解水制氢在全球具有成本优势,将来有可能成为继光伏、锂电池、电动汽车这三个新能源产品之后的第四大出口产品;电解制氢目前有三种技术路线:
①固体氧化物电解
②质子交换膜电解
③碱性电解

1、国内这三种技术都在进行产业化开发,目前最具潜力、最现实、成本最低、寿命最长、最有中国优势的还是碱性电解;现在订货量(大规模)100GW以上都是碱性电解,其他技术路线虽然在试用,但还有很多问题(成本、寿命等);当前大规模、产业化制氢主要是碱性电解水制氢;目前国内碱性制氢缺乏体系和标准,现在国内使用的是以718研究所为代表的,上个世纪50年代从苏联引进的制氢的技术;氢能行业以前需求小,所以就一两家企业在做,现在行业起来了,需要急剧的技术提升和变革。行业快速发展的同时也面临很多问题,包括电极的衰减、镀层脱落、隔膜磨损、密封失效、效率衰减大以及维修不便等等。

2、碱性电解水额定效率不高,目前效率只有50%多,主要存在两个问题:隔膜和催化剂。通过改进隔膜和催化剂,可以把额定效率提升到75%以上(低热值),额定电流可以达到10000安培。

3、最好是可以不用或者少用贵金属。隔膜是核心材料,决定阻抗大小、效率高低。对于隔膜研发,有两种选择路径:①阴离子膜;②离子溶剂膜,更看好离子溶剂膜,这是未来的发展方向,所以碱性电解水路线还有很大的技术研发潜力。

二、绿氢储运和加注
1、氢气的储存有多种技术路线:气态、液态和固态,近期比较火的是固态储氢,固态又分很多种,液态储氢有液氢、甲醇、甲酸、甲苯等。

2、储氢的关键是成本,这里指平准化储氢成本,也就是全生命周期总投入和储氢循环的总量来算成本,但固态储氢目前还在自研阶段,成本无法计算。

3、目前高压容器储氢成本最低。液态储氢发展最好的是液氨储氢,氨的储氢量大,1立方米能储120公斤氢气;液氢液化可以储存50公斤,液氨储氢比液氢高出1倍多,而且氨基础设施完备,所以大规模、长距离的储运将来都是氨。

4、车端储氢目前都是35MPa氢瓶,这个仍然是主流技术,中期突破的可能较小。下一步是提高氢瓶压力,目前70MPa氢瓶较贵,储氢价格在6000~7000元/公斤。降低氢瓶成本的核心材料是高强度碳纤维,需要材料国产化才能把价格降下来。

5、运氢的成本分析:
①如果氢气价格是11元/kg,拖车是20MPa,100km需要10元;加氢站费用10元,到最终加到车上大概30元。
②如果储运压力提到50MPa,单车运氢可接近1吨,运输成本会大幅下降。
③如果长距离(1000公里)运输,量比较小的时候,输电更加划算,1000公里8分钱/度电,超高压输电更有优势;将来如果大规模、长距离输氢管道更具优势。

三、氢系统集成和氢储能:氢能系统集成的技术挑战是产业链多环节和多元化,从可再生能源到终端应用,包括制氢、转化、储存、运输、加氢和应用,每一个环节都是多元化的。和电动汽车和动力电池不一样,氢能没有统一的标准,环节又比较多,所以必须要选择,没有统一的模式和标准的解决方案,就只能因事制宜、因地制宜,国情决定路线,场景定义产品。

1、氢系统集成:现在大的制氢公司往往都要50个、100个电解槽(1000方),这100个怎么集成,全世界都没干过。这里面有控制问题、安全问题、化工问题等一系列问题,比如现在做仿真平台,多槽混联,有实验的、有构型方面、还有控制运行策略等。
2、氢储能:氢储能就是利用富余的、非高峰的或低质量的电力来大规模制氢,将电能转化为氢能储存起来,然后再在电力输出不足时利用氢气通过燃料电池或其它方式转换为电能输送上网,发挥电力调节的作用。
3、氢储能会是今后的主流储能方式,因为储能的规模和周期都是压缩空气和抽水蓄能无法相比的,电化学储能就更不行了。

 

4、可以在东部发展氢储能,比方分布式氢储能,就是用燃料电池发电。氢储能是除了氢动力和氢原料,用于化工和钢铁之外的最大用途,也是未来新型电力系统重要支撑。

5、氢储能需要把氢能全产业链集成,一个环节都不能落下。首先瓶颈在制氢系统成本和发电成本,对于发电有多种选择:
①燃料电池
②氢内燃机
③掺烧锅炉
6、现在主张在国内光伏风电基地旁边调峰煤电厂用掺氢燃烧的方式发电。现在煤电厂都在发展灵活改造,在低负荷的时候,煤燃烧是不稳定的,通过掺氢的方式可以解决这个问题。在风光富足的时候制氢,图中红色的锅炉还没发电,掺入20%氢,二氧化碳会降低40%。

 

7、氢储能可以实现能量季节性转移,未来10%的可再生能源要通过长时储能解决,主体就要氢储能。10%是多少呢?到2060年,中国需要1.5万亿度电的长时储能, 2060年中国全社会用电量大概是17万亿度,占比9%。

四、总结
1、燃料电池汽车的问题是储氢系统较贵。60kg氢35MPa的储氢系统,约30-40万元。燃料电池成本下降得快,储氢系统成本降得偏慢是制约氢车发展一大障碍。

2、氢能交通逐步发展到氢燃料、氢化工、氢冶金、氢发电、氢储能,氢能交通是氢能的先导不是主体。氢能交通占整个氢能产业的20%,80%应用是其他领域。
3、制氢将成为中国氢能的优势,氢储运仍是薄弱环节,但是有很多选择。实际上,储氢是氢能相比电池最大的优势。当下,电池储电至少需要1000元/度,1kg氢需要33度电,这些电用电池储存需要3.3万元。1kg氢如果用一个10MPa的高压容器储存,最多需要100多块钱,差1~3个数量级。储氢贵是指车端,车下储氢跟电池储电相比要便宜几个数量级。

4、氢的一切都是成本问题,也就是经济性问题。未来加氢站站内制氢就是低成本的方案之一。当电价是0.15元/度时,绿氢具备经济性。

5、氢储能可以通过去掉过网费或者离网制氢,不去网上取电,直接光伏发电离网制氢。氢储能对电网进行调节,所以制氢的时候电价低,放电的时候有容量电价、调峰电价,因此电价很高,可以赚取差价。

6、车载储氢瓶很贵怎么办?70MPa的氢瓶大概需要50万元,学习换电卡车的方式,换氢瓶不卖氢瓶,氢瓶寿命可达1000万公里,需要通过技术创新、商业模式创新来解决绿氢的经济性问题。

7、从氢能全产业链看,已经基本具备产业化的条件。氢能有战略价值,现在要发挥它的商业价值,关键是绿氢的成本。要以富余绿电资源低成本制氢为源头推动,以多元化场景应用为龙头拉动,这样来带动绿色氢能全产业链发展。

发布时间:2023/10/9 9:30:10 查看:209次

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