制氫成本高昂 如何發揮自由資源優勢?

2019-11-20 10:48  來源:中國能源報  瀏覽:  

我國在發展氫能方面的重要優勢之一就是擁有豐富的氫源基礎,但氫能制取技術這一世界性難題至今并未取得大的突破,氫能制取成本嚴重制約行業發展。

國內的氫能火到什么程度?“今年8月,中國工程院舉行了一場氫能相關的項目咨詢會,全國有39個省、市級政府報名參加,還有100多家企業到場,我怎么也沒想到,開始準備的一個300多人的小會場,最后卻來了將近700人。”11月13日,在2019中國電機工程學會年會院士專家論壇上,中國工程院院士、中國礦業大學教授彭蘇萍用“非常大的熱潮”形容目前國內氫能的火爆。

“上世紀90年代美國就提出發展氫能的概念,但一直沒有推廣起來,是什么原因? 2011年日本福島核事故后,日本對氫能也越來越重視,目前也在大力推廣。”在彭蘇萍看來,世界氫能的“風口”之上,中國應該真正找到自身發展氫能的優勢。

須區分“原料氫氣”和“能源氫氣

“現在主要的制氫路線有煤制氫、天然氣制氫、工業副產品制氫和電解水制氫。由此可以看出,我國在發展氫能方面重要的優勢之一就是擁有豐富的氫源基礎。”彭蘇萍逐一算起了賬,“我國煤炭資源保有量約1.95萬億噸,假設用10%來制氫,按照制備一千克氫氣消耗8千克煤計算,煤制氫的潛力就達到約243.8億噸;同樣,我國天然氣可采資源量是50.1萬億立方米,假設用5%來制氫,制備1千克氫氣約消耗5立方米天然氣,天然氣制氫潛力可以達到約5.01億噸。”此外,據彭蘇萍計算,利用焦炭生產過程產生的大量焦爐煤氣,我國焦爐煤氣制氫潛力約為566.4萬噸/年;若利用棄風、棄光、棄水的電量進行電解水制氫,年產氫潛力也接近180萬噸。

“這樣測算下來,我國氫氣的年產量可以達到約2000萬噸。其中,煤制氫約占62%,天然氣制氫約占19%,工業副產品等制氫約占18%,水電解制氫約占1%。”彭蘇萍說。

另一方面,氫源基礎雖豐富多樣,但中國工程學院院士楊裕生強調,在用途上,必須區分“原料氫氣”和“能源氫氣”。“自然界沒有單質氫氣可以開采,必須從含氫物質中提取。提取氫氣的目的原本是用作化工原料,而用作能源的歷史則很短。原料氫氣和能源氫氣,雖然都是氫氣,但是原料氫氣只有在不影響其原來生產使用的前提下,才能拿出一小部分用作能源,其數量是十分有限的。”

“三棄”電量制氫成本高昂

資源有優勢,又該如何充分發揮優勢呢?

“為什么美國推了20多年的氫能卻推不下去,實際上主要的原因之一就是氫能太貴,制氫成本太高。”彭蘇萍指出,要想發揮在制氫層面的優勢,在充足氫源的基礎上,要盡可能降低制氫成本。“目前,煤制氫的技術成熟度是最高的,成本也相對低廉。煤制氫疊加碳捕捉與封存技術(CCS)的制氫路線成本與天然氣制氫相當。傳統的電解水制氫成本還是比較高的。”

對于電解水制氫,彭蘇萍特別強調,要充分考慮棄風、棄光、棄水等棄電的綜合成本。“有很多觀點認為‘三棄’的電量可以用來制氫,好像這些電就是不要錢的,但實際上我國在可再生能源基礎設施開發建設上的投資是很大的,這個成本不容忽視。”

不僅如此,通過“三棄”制備出的氫也同樣存在消納問題。“我國‘三北’地區的棄風、棄光電解出的氫,在‘三北’地區是消耗不了的,必須遠距離輸送到燃料電池車盛行的地區,這個輸送過程中的耗能自不在話下,而且高壓純氫對管道鋼的氫脆更是一個難關。”此外,楊裕生還指出,目前我國“三北”地區的棄風、棄光是不正常的短期現象,“一旦造成這種現象的人為和技術原因消除,也就無棄風、棄光可用了,因為輸電相比于輸氫,無論是設備的建設還是運行,都要合理得多。”

而且,就電解水制氫技術而言,彭蘇萍指出,堿性水電解制氫相對成熟,固體氧化物水電解制氫和質子交換膜(PEM)電解水制氫等技術還處于可行性研究或示范論證階段。

低成本供氫體系建設任重道遠

基于目前的技術發展和相關產業推進情況,彭蘇萍預測,未來五年,我國的氫氣年需求量將達到約2200萬噸。而且由于成本相對較低且接近主要的消費市場,工業副產品制氫將成為有效的制氫主體,同時,根據不同地區的具體情況,可在有條件的地區探索開展可再生能源電解水制氫的項目示范。

對于工業副產品制氫并應用于燃料電池的路線,楊裕生表示:“原則上我完全贊成,但賬到底怎么算要商榷,因為不是所有副產氫都可用于燃料電池。以焦爐煉焦行業為例,要將焦爐煤氣中的幾項重要雜質降到國家標準GB/T 37244-2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》的要求,不僅要解決一系列技術難題,還要消耗大量的能量。”

隨著技術的發展進步,彭蘇萍表示,到2025-2030年,我國的氫氣年需求量將上升至約3500萬噸,煤制氫配合CCS技術、可再生能源電解水制氫將成為有效制氫主體。而放眼2030-2050年的遠期發展,彭蘇萍認為,我國氫能的年需求量將達到約6000萬噸,可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體,煤制氫配合CCS技術、生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術將成為有效補充。屆時,我國有望實現整體氫能供給充裕,建成低碳、低成本的供氫體系。“預計到2050年,我國氫氣使用量將達到0.6億-1億噸,占我國終端能源結構的10%以上,產業鏈年產值約12萬億元。”

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