分布式制氫技術(shù)進(jìn)展及成本分析

馮 云，曹田田，，宋海濤，林 偉

(1.中國石化銷售股份有限公司，北京 100728；2.中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司)

中國氫能產(chǎn)業(yè)在近幾年呈現(xiàn)快速發(fā)展，作為氫能產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，加氫站正在全國多個(gè)重點(diǎn)城市布局建設(shè)[1-2]。截至2021年底，中國已經(jīng)建成加氫站191座，其中已運(yùn)營174座。隨著國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃、五大氫燃料電池汽車示范城市群、山東“氫進(jìn)萬家”、“成渝氫走廊”等規(guī)劃的落地，加氫站建設(shè)的步伐將會加快。但是目前加氫站氫氣的供應(yīng)主要依靠長管拖車運(yùn)輸，受制于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，運(yùn)輸氫氣的氣瓶壓力多為20 MPa。由于氫氣密度很小，而儲氫容器自重大，所運(yùn)輸氫氣的質(zhì)量約占總運(yùn)輸質(zhì)量的1%，整體運(yùn)輸效率很低，運(yùn)輸成本較高[3]。根據(jù)測算，當(dāng)運(yùn)輸距離為100 km時(shí)，運(yùn)氫成本約8.7元/kg；而當(dāng)運(yùn)輸距離為200 km時(shí)，成本增加至19元/kg。運(yùn)輸效率低、運(yùn)輸成本高、裝卸時(shí)間長等因素使得加氫站的氫氣供應(yīng)問題日益突出，大大制約了氫能交通產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[4]。

分布式制氫由于可以在加氫站內(nèi)或者周圍制取氫氣，儲運(yùn)優(yōu)勢明顯，在日本、美國、歐洲等地均有成熟應(yīng)用[4]。國內(nèi)分布式制氫發(fā)展相對緩慢，主要是因?yàn)橄鄳?yīng)規(guī)范缺失、審批困難等因素，但目前安徽省、廣東佛山、四川成都、遼寧大連、山東淄博、內(nèi)蒙古鄂爾多斯等省市明確支持分布式制氫或已出臺相應(yīng)的政策，預(yù)計(jì)近兩年將會有一批分布式制氫項(xiàng)目落地。中國石化銷售股份有限公司及中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司(簡稱石科院)系統(tǒng)研究了氫氣的制備、儲存、運(yùn)輸、加注等氫能產(chǎn)業(yè)鏈上主流技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前適合分布式制氫的技術(shù)主要包括甲醇制氫、天然氣制氫、堿性電解水制氫、PEM電解水制氫和氨分解制氫。下面主要介紹分布式制氫方式及其成本。

1 分布式甲醇制氫

甲醇作為二次能源，是高氫含量的氫載體，以分子式CH3OH計(jì)，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%，遠(yuǎn)高于DOE(美國能源部)要求的氫載體儲氫質(zhì)量密度7.5%。在甲醇蒸汽裂解制氫的真實(shí)反應(yīng)條件下，甲醇的儲氫量比理論值更高，考慮到化學(xué)反應(yīng)，甲醇的理論產(chǎn)氫質(zhì)量為其自身質(zhì)量的18.75%。在實(shí)際生產(chǎn)中，需考慮燃燒部分甲醇為反應(yīng)供熱，以及生產(chǎn)高純氫氣、副產(chǎn)低濃度氫解吸氣的實(shí)際情況，甲醇產(chǎn)氫量與理論產(chǎn)氫量有一定差別。甲醇制氫工藝技術(shù)比較成熟，甲醇蒸汽裂解生產(chǎn)1 m3工業(yè)氫需消耗甲醇約0.55 kg。如果考慮燃燒部分甲醇為反應(yīng)供熱及生產(chǎn)高純氫氣需要，生產(chǎn)1 m3高純氫的甲醇消耗量約為0.67 kg。雖然利用甲醇生產(chǎn)氫氣從原料利用和能源利用上不盡合理，但價(jià)格上有一定優(yōu)勢，并且其生產(chǎn)流程簡單，自動(dòng)化程度高。與天然氣制氫相比，甲醇制氫不需要設(shè)置轉(zhuǎn)化爐，只需要導(dǎo)熱油提供反應(yīng)所需的熱量，反應(yīng)溫度不到300 ℃，此外甲醇轉(zhuǎn)化制氫便于撬裝模塊化及小型化，液體甲醇也便于槽車運(yùn)輸[5-6]。因此，在一些特定的場合，如沒有廉價(jià)天然氣資源，沒有煤炭指標(biāo)，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)高，且制氫規(guī)模不大的地方，可建設(shè)分布式甲醇制氫裝置。

甲醇是現(xiàn)有的大宗商品，近3年甲醇價(jià)格最低1 510元/t，最高3 370元/t，均價(jià)約2 200元/t，以此均價(jià)為基礎(chǔ)分析1 t/d分布式甲醇蒸汽裂解制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如表1所示。在現(xiàn)有供銷價(jià)格體系下，分布式甲醇裂解制燃料電池級氫氣的成本價(jià)為20.4元/kg。顯然甲醇的價(jià)格是氫氣成本的最主要構(gòu)成部分，甲醇原料成本約占制氫成本的75%，甲醇價(jià)格對成本的影響見表2。當(dāng)按照近3年甲醇最低價(jià)1 510元/t計(jì)算時(shí)，甲醇站內(nèi)制氫成本可降至15.2元/kg(燃料電池級氫氣)；當(dāng)按照近3年甲醇最高價(jià)3 370元/t計(jì)算時(shí)，甲醇站內(nèi)制氫成本為29.2元/kg(燃料電池級氫氣)。因此，分布式甲醇制氫作為起步階段的低成本制氫方式有一定現(xiàn)實(shí)意義。

表1 1 t/d分布式甲醇制氫的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2 甲醇價(jià)格對氫氣成本的影響

甲醇制氫要排放大量的CO2，生產(chǎn)1 kg H2約排放30 kg CO2。雖然已有“液態(tài)陽光”生產(chǎn)甲醇的技術(shù)，但由于其成本相對較高，甲醇當(dāng)前階段作為綠色儲氫載體仍不成熟，因此仍需考慮甲醇的碳排放。碳排放交易對分布式甲醇制氫經(jīng)濟(jì)性的影響見表3，當(dāng)甲醇價(jià)格為2 200元/t時(shí)，加上碳稅，甲醇裂解制氫的成本價(jià)為21.6元/kg(燃料電池級氫氣)。

表3 碳排放交易對甲醇制氫經(jīng)濟(jì)性的影響

隨著甲醇制氫技術(shù)的進(jìn)步和裝置制造成本的降低，甲醇制氫生產(chǎn)成本會有一定下降，但是降幅有限。到2025年，預(yù)測裝備投資降低至600萬元，假定甲醇原料價(jià)格為2 200元/t，制氫成本為20.2元/kg(燃料電池級氫氣)。考慮到碳稅的上漲，預(yù)計(jì)制氫成本為23.2元/kg(燃料電池級氫氣)。

2 分布式天然氣制氫

天然氣除了廣泛用于集中式制氫，也適合做分布式制氫。分布式天然氣制氫有一個(gè)相對明顯的優(yōu)勢是原料獲取方便，只需連接到城市天然氣管網(wǎng)。分布式天然氣制氫在工藝流程上與集中式天然氣制氫沒有明顯區(qū)別，考慮到能效利用，一般小型天然氣制氫裝置生產(chǎn)1 m3氫氣的甲烷消耗量為0.5～0.6 m3。日本三菱公司開發(fā)了HyGeia系列50～1 000 m3/h天然氣制氫系統(tǒng)，已經(jīng)推廣60余套，部分用作加氫站現(xiàn)場制氫。美國Air Product、Powertap以及德國Linde公司均已開發(fā)出分布式天然氣制氫裝置，部分裝置附帶碳捕集設(shè)施。中國做分布式天然氣制氫的企業(yè)較多，比如亞聯(lián)高科、石科院、漢興能源、四川天一、上海億維、四川蜀泰等[3，7]。

表4測算的是1 t/d天然氣制氫裝置的制氫成本。由表4可以看出，分布式天然氣制氫的主要成本構(gòu)成是燃料(天然氣)消耗。天然氣價(jià)格對成本的影響如表5所示，當(dāng)天然氣價(jià)格為1.88元/m3時(shí)，制氫成本為16.0元/kg(燃料電池級氫氣)；當(dāng)天然氣價(jià)格為2.63元/m3時(shí)，制氫成本為20.5元/kg(燃料電池級氫氣)；而當(dāng)天然氣價(jià)格為3.73元/m3時(shí)，制氫成本為27.1元/kg(燃料電池級氫氣)。需要說明的是當(dāng)前因國際形勢發(fā)生諸多變化，作為大宗商品的天然氣價(jià)格波動(dòng)較大，站內(nèi)制氫成本變化也較大。

表4 1 t/d分布式天然氣制氫的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表5 天然氣價(jià)格對成本的影響

分布式天然氣制氫的天然氣單耗比集中式制氫的天然氣單耗要高，這里按照生產(chǎn)1 kg的H2排放12 kg的CO2計(jì)[8]，碳排放交易對天然氣制氫經(jīng)濟(jì)性的影響見表6。由表6可知：當(dāng)天然氣價(jià)格為1.88元/m3時(shí)，加上碳稅后的制氫成本為16.5元/kg(燃料電池級氫氣)；當(dāng)天然氣價(jià)格為2.63元/m3時(shí)，加上碳稅后的制氫成本為21.0元/kg(燃料電池級氫氣)；當(dāng)天然氣價(jià)格為3.73元/m3時(shí)，制氫成本為27.6元/kg(燃料電池級氫氣)。

表6 碳排放交易對天然氣制氫經(jīng)濟(jì)性的影響

與分布式甲醇制氫類似，未來天然氣制氫生產(chǎn)成本降幅有限。到2025年，預(yù)測裝備投資降低至600～800萬元，假設(shè)天然氣原料價(jià)格為2.63元/m3，則制氫成本約為19.6元/kg(燃料電池級氫氣)?？紤]到碳稅的上漲，預(yù)計(jì)天然氣制氫價(jià)格約為20.8元/kg(燃料電池級氫氣)。

3 分布式電解水制氫

目前商業(yè)化的電解水制氫技術(shù)主要有堿性電解水制氫和質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫兩類。技術(shù)分析在文獻(xiàn)[9]中已有介紹，這里不再贅述。2.5 MW級分布式堿性電解水制氫裝置的經(jīng)濟(jì)性分析如表7所示。在此不考慮土地、土建、設(shè)備安裝費(fèi)等費(fèi)用。由表7可以看出，電價(jià)是影響制氫成本的關(guān)鍵因素，占比超過80%以上。當(dāng)電價(jià)為0.3元/(kW·h)時(shí)，堿性電解水制氫的成本是20.84元/kg。堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展歷史悠久，技術(shù)相對比較成熟，市場占有率絕對領(lǐng)先。并且和國外的競爭對手相比，我國技術(shù)水平相當(dāng)甚至在部分指標(biāo)上領(lǐng)先。綜上，堿性電解水制氫設(shè)備的成本下降空間有限。預(yù)測至2025年，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和機(jī)加工水平的提高(目前堿性電解槽主要依靠人工組裝，發(fā)展趨勢必然是機(jī)械組裝)，制氫設(shè)備制造成本有望下降約20%。當(dāng)前及2025年不同綜合電價(jià)制氫成本如表8所示，由于制氫設(shè)備的成本相較于運(yùn)營成本占比很小，同等電價(jià)下2025年的制氫成本與當(dāng)前相比下降較小。

表7 2.5 MW堿性電解水制氫的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

對于PEM電解水制氫，經(jīng)濟(jì)性分析如表9所示。設(shè)備利用率是影響成本的一個(gè)因素，為了方便與堿水制氫比較，統(tǒng)一按照年開工時(shí)間8 000 h計(jì)算。從表9可以看出，2.5 MW的PEM電解水制氫設(shè)備初始投資較高，是堿性電解水制氫設(shè)備的5倍，因此當(dāng)電價(jià)為0.3元/(kW·h)時(shí)，PEM電解水制氫的成本是23.91元/kg，較堿性電解水制氫成本高3.07元/kg。目前PEM電解水制氫設(shè)備的部分關(guān)鍵材料和組件需要從國外進(jìn)口，比如催化劑、質(zhì)子交換膜。PEM電解水制氫設(shè)備成本的60%～70%集中在電解槽，而電解槽的制造成本中催化劑占比最高，因此PEM制氫設(shè)備成本的降低主要依靠提高各個(gè)組件的國產(chǎn)化率和降低貴金屬的擔(dān)載量。預(yù)測到2025年，隨著PEM電解設(shè)備的國產(chǎn)化，加上技術(shù)的進(jìn)步，制造成本有望下降30%以上，當(dāng)前及2025年不同綜合電價(jià)下的制氫成本如表10所示。

表8 綜合電價(jià)對堿性電解水制氫成本的影響

表9 2.5 MW PEM電解水制氫的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表10 綜合電價(jià)對PEM電解水制氫成本的影響

作為新一代電解水制氫技術(shù)，PEM電解水制氫與堿性電解水制氫相比，雖然初始投資高，但設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積低于堿性電解水制氫設(shè)備，對于土地面積緊缺的特殊場景如加氫站更有優(yōu)勢。此外，PEM電解水制氫設(shè)備產(chǎn)生的氫氣出氫壓力可達(dá)到3.0 MPa，而堿性電解水制氫設(shè)備的出氫壓力一般為0.8～1.0 MPa；PEM電解水制氫設(shè)備對電力變化秒級快速響應(yīng)，非常適用于不穩(wěn)定的可再生能源，設(shè)備冷啟動(dòng)僅需要20～30 min，堿性電解水制氫設(shè)備在運(yùn)行過程中需要穩(wěn)定的電力輸入，設(shè)備冷啟動(dòng)需要2～3 h；PEM制氫裝置電解效率高，用工數(shù)少等[10-11]。因此，預(yù)測PEM電解水制氫在小規(guī)模分布式制氫領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。

4 分布式氨分解制氫

與甲醇類似，氨同樣可以作為液態(tài)氫載體。氨作為儲氫載體的優(yōu)勢表現(xiàn)為：①氨氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度為-33 ℃，易于運(yùn)輸；②液氨儲氫量為17.6%，高于甲醇；③已有成熟的合成氨工業(yè)；④高溫氨分解制氫技術(shù)成熟[12-13]。美國、日本、澳大利亞等國均已積極布局“氨經(jīng)濟(jì)”，在“碳中和”愿景下，通過“氫-氨-氫”這一流程完成“綠氫”運(yùn)輸[14]。例如，日本多家研究單位和企業(yè)組成氨氫站團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了氨分解/高純氫供應(yīng)系統(tǒng)，可制造FCV氫燃料；國內(nèi)科研院所正在開展綠色合成氨、低溫氨分解制氫示范項(xiàng)目。氨分解制氫工藝流程比較簡單，裝置主要包括液氨儲罐、汽化器、氨分解反應(yīng)器、產(chǎn)物冷卻及PSA分離等單元。目前一般采用Ni或Fe基催化劑，操作溫度為750～800 ℃，反應(yīng)壓力約為0.5 MPa，轉(zhuǎn)化率可達(dá)99.9%以上。福州大學(xué)和石科院正在開發(fā)低溫稀貴金屬催化劑，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)500 ℃以下運(yùn)行[15]。

作為生產(chǎn)硝酸、化肥、炸藥的重要原料，液氨現(xiàn)階段價(jià)格在4 000元/t以上，近3年價(jià)格波動(dòng)較大，均價(jià)大約為3 200元/t，以此均價(jià)為基礎(chǔ)估算1 t/d分布式氨分解制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如表11所示。當(dāng)液氨價(jià)格為3 200元/t時(shí)，分布式氨分解制氫的成本價(jià)為27.1元/kg(燃料電池級氫氣)。氨分解制氫成本與氨價(jià)格呈線性關(guān)系，液氨成本占總成本的75%以上。

表11 1 t/d分布式氨分解制氫的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

分布式氨分解制氫具有制備的氫氣純度高、無碳排放、制氫設(shè)備構(gòu)造簡單、操作較為方便、制氫設(shè)備投資較低等優(yōu)勢，但是當(dāng)前階段仍存在以下挑戰(zhàn)：①受制于原料液氨的價(jià)格，制氫成本高于甲醇制氫；②主流商用技術(shù)氨分解溫度較高(采用電爐加熱至800 ℃左右)；③液氨儲存、分解制氫行政審批手續(xù)較為復(fù)雜；④整體占地面積大[液氫儲罐液氨儲罐超過10 t是重大危險(xiǎn)源，需專門設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)(SIS)系統(tǒng)，并保持較大安全間距]。

5 結(jié) 論

分布式甲醇制氫的生產(chǎn)工藝流程簡單，反應(yīng)溫度較低，并且便于撬裝化及小型化，雖然碳排放最高，難以滿足低碳?xì)涞呐欧乓螅渥鳛闅淠芷鸩诫A段的低成本制氫方式更具有現(xiàn)實(shí)意義；天然氣制氫同樣技術(shù)相對成熟，原料獲取方便，滿足低碳?xì)渑欧乓?，但是工藝流程比甲醇制氫?fù)雜，反應(yīng)溫度更高，制氫成本受天然氣價(jià)格的影響波動(dòng)較大；分布式堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展歷史悠久，可靠穩(wěn)定，市場占有率最高，電價(jià)是影響制氫成本的關(guān)鍵因素；而PEM電解水制氫設(shè)備投資較高，是堿性電解水制氫設(shè)備價(jià)格的5倍左右，從而導(dǎo)致同等電價(jià)下氫氣的生產(chǎn)成本高2～3元/kg(燃料電池級氫氣)，但由于PEM電解水制氫具有啟停方便、占地面積小、對電力變化響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步和設(shè)備制造成本的降低，未來具有更好的應(yīng)用前景；分布式氨分解制氫的高溫分解制氫技術(shù)比較成熟，設(shè)備投資低、制備的氫氣純度高、無碳排放，是一種清潔氫生產(chǎn)技術(shù)，但受制于較高的液氨價(jià)格，制氫成本高于甲醇制氫，未來需致力于開發(fā)低溫高效催化劑，并改善工藝系統(tǒng)。