7)化石燃料制氢(煤制氢、天然气制氢):工艺成熟、成本稳定,广泛应用于工业生产。化石燃料制氢主要包括煤制氢和天然气制氢。煤制氢主要采用煤气化制氢技术,其工作原理为,煤炭通过气化反应,生成一氧化碳和氢气的合成气,后通过水煤气变换和分离处理获取氢气。由于我国“富煤、缺油、少气”的能源禀赋,煤制氢技术是我国最广泛采用的工业制氢方法。根据苗军等《氢能的生产工艺及经济型分析》,天然气制氢主要采用水蒸气重整工艺(SMR),其工作原理为,天然气蒸汽经催化转化,生成一氧化碳和氢气的混合气,然后将一氧化碳与水蒸气进行反应,生成氢气和二氧化碳的变换气,最后提纯得到氢气。SMR 技术装置简单,能够实现连续大规模的生产。
8)工业副产制氢:制氢成本较低,生产过程受主产物产能和建设地点的约束。根据苗军等《氢能的生产工艺及经济型分析》,工业副产氢的主要来源包括氯碱副产氢、焦炉煤气制氢和轻烃裂解制氢等,其中焦炉煤气制氢是工业副产制氢的主要途径之一。焦炉煤气是炼焦过程的副产品,每生产 1t 焦炭可产生约 350-450m 3的焦炉煤气,其中氢气含量约占50%-60%。通过对焦炉煤气进行分离和提纯,可以获得纯净的氢气。工业副产氢的制备技术较为成熟,制氢成本较低,但因受地点、规模、运输半径以及主产物产能等因素的限制,氢气产能存在上限,不适合作为大规模集中化氢能供应链,能够为氢能产业的发展初期提供低成本、分布式氢源。 为控制氢气制取环节的碳排放,化石能源制氢需结合碳捕集利用与封存(CCUS)技术。CCUS 技术是一种用于从化石燃料气体和其他工业活动中去除CO2 的技术,涵盖了CO2捕集、运输、利用和封存四个环节。1)捕集阶段,主要包括燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧。燃烧后捕集主要应用于燃煤锅炉及燃气轮机发电设施,燃烧前捕集主要应用于新建发电厂,富氧燃烧主要应用于燃煤电厂和工业燃烧过程。2)运输阶段,可采用管道、船舶、铁路和公路等多种运输方式,目前国内主要采用罐车运输方式。3)利用阶段,包括化工利用、生物利用、物理利用等,捕集到的 CO2可作为原料用于生产混凝土、甲醇、乙醇、碳酸盐、塑料等产品。4)封存阶段,主要包括地质封存、海洋封存、化学封存等,其中地质封存的强化采油技术(CO2-EOR)发展成熟,在储存 CO2的同时可以提高油气采收率,已达商业化应用规模。
3、 储存、运输、加氢:气态低压储运为主流,未来需向多相态高压方向发展
1)高压气态储氢技术发展最为成熟,应用最为广泛。我国目前氢气的储存方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢,其中高压储氢技术发展最为成熟,应用也最为广泛,具有存储能耗低、成本低、可通过减压阀调控氢气释放等优点。低温液态储氢主要应用在航天等领域,有机液态储氢和固态储氢尚处于技术攻关阶段。
2)我国储氢技术水平与国外相比仍有一定差距,未来将向高压化方向发展。按材质分,高压储氢瓶可分为Ⅰ型纯钢制金属瓶、Ⅱ型钢制内胆纤维缠绕瓶、Ⅲ型铝制内胆纤维缠绕瓶和Ⅳ型塑料内胆纤维缠绕瓶。按应用领域分,固定式储氢方面,多采用Ⅰ型、Ⅱ型钢制氢瓶;车用储氢瓶方面,我国主要采用 35MPa 的Ⅲ型瓶,少量应用70MPa 的Ⅲ型瓶,国外已采用70MPa 的Ⅳ型瓶;运输用储氢瓶方面,我国主要使用 20MPa 的Ⅰ型瓶,刚开始应用30MPa的Ⅰ型瓶,国外已基本采用 50MPa 甚至更高。与国外相比我国在储运氢技术方面仍存在一定差距。未来我国高压气态储氢技术仍需向轻量化、高压化、低成本和质量稳定的方向发展,探索新型储氢罐材料以满足更高压力下的储氢需求,提高储氢的安全性和经济性。氢气的运输根据储氢状态和运输量的不同,主要分为气态输送、液态输送和固态输送。具体的输送形式包括气态氢长管拖车、液氢槽罐车、以及管道运输(纯氢管道、天然气管道混输等),不同的储运方式具有不同的特点和适应性。
3)氢气的储运方式可以根据规模和距离的不同进行选择。氢气管道适合小规模、短距离的运输,而低温液态储运则适用于大规模、远距离的储运。一般来说,当运输距离在50km以内时,氢气管道运输成本相对较低;而当运输距离超过 300km 时,低温液态储运有更大的优势。当前我国的氢能产业处于发展初期,市场规模相对较小,且氢能示范应用主要集中在产氢地附近,因此在实际应用中更多采用气氢长管拖车运输方式。根据中国氢能联盟的报告,我国的氢能储运发展将按照"低压到高压"、"气态到多相态"的技术方向推进,逐步提升氢气的储存和运输能力。
(1)加氢站是为燃料电池汽车提供氢燃料的场所,对推动氢能应用起到关键作用。加氢站按照不同的分类标准,可以分为多种类型,根据氢气的储存状态,加氢站可分为液氢加氢站和高压压缩氢气加氢站。由于储存技术的限制,目前我国的加氢站主要是高压氢气加氢站,其核心设备为压缩机、储氢罐和加氢机,泄气柱用于将氢气从存储容器导出,并通过压缩机将氢气压缩至所需的加氢压力。储氢灌将压缩的氢气存储在特定容器中,以确保供氢稳定和持续。加氢机将压缩存储的氢气注入燃料电池汽车的氢气储存系统中供车辆使用。加氢站的建设和运用对于推动燃料电池汽车的普及、氢能产业的快速发展具有重要意义。
(2)国内加氢站发展已初具规模,经济性仍有待提高。近年来,随着燃料电池汽车保有量的增加和中石化、中石油等能源央企的加入,国内加氢站的数量显著增加。根据中国氢能联盟研究院的数据,截至 2022 年底,我国的加氢站数量已达到358 座,位居世界第一。然而国内已建成的加氢站中,加注压力仍以 35MPa 为主,只有少数具备70MPa 的加注能力。前期建成的加氢站多为示范站,规模较小。且由于目前国内缺乏成熟量产的加氢站设备厂商,关键设备依赖进口,设备费用占比较高,经济性较差。由于早期建设的加氢站多为示范项目,燃料电池汽车的普及率相对较低,并且国内目前还缺乏成熟的设备厂商,加氢站的经济性仍有待提高。
4、下游应用:覆盖工交建储各领域,未来应用向多领域共同发展
1)氢能应用目前以化工生产为主,未来有望在工交建储等各领域广泛应用。目前我国95%的氢气用于传统石油化工生产,仅有 5%用于可再生能源储能发电和以氢燃料电池为核心的能源网络。未来随着绿氢制取成本的下降、碳排放成本的上升以及氢燃料电池、氢冶金等技术的推进,绿氢有望在交通、能源、工业和建筑等领域呈现多方面的应用。根据中国氢能联盟的预测,到 2060 年,我国对氢能的需求将达到 1.3 亿吨,其中工业领域和交通领域将占比 60%和 31%,电力领域和建筑领域分别占比 5%和4%。
|