雖然目前氫燃料電池車處于市場起步階段，但圍繞氫能的話題不斷、各路玩家瘋狂入場。要想讓氫燃料電池車跑起來，不能沒有氫源。

 

哪種制氫方式更好？若從環(huán)保效益上來看，可再生能源電解水制氫無疑會受到青睞；從成本上看，煤制氫占上風(fēng)；從當前燃料電池車的規(guī)模上看，工業(yè)副產(chǎn)氫制氫具有優(yōu)勢。各種氫氣供應(yīng)途徑的經(jīng)濟性及前景如何？或許更多地還是需要時間和實踐來驗證。

 

 

氫氣在地球自然界中并非大規(guī)模存在，需要經(jīng)過加工提取才能獲得。制氫原理可分為兩種，一種主要是從烴類物質(zhì)（石油、天然氣等）提取，另一種主要是通過分解水獲得?，F(xiàn)階段流行的制氫工藝有電解水制氫、甲烷水蒸汽重整制氫、煤制氫、甲醇制氫等。其中煤制氫規(guī)模較大，成本較低；加上煤制氫初期設(shè)備投入、固定資產(chǎn)投入較高，與天然氣制氫受氣價變動影響大相比，煤價變動對煤制氫成本變動的影響比較小，具有一定的優(yōu)勢。

 

“煤都”已看中煤制氫的方向。如今，大同決心去掉“煤都”這個帽子，與更多的城市搶奪“氫都”稱號。對大同而言，煤炭拉動了其在過去數(shù)十年間的經(jīng)濟增長，大同煤礦是其在過去倚仗的經(jīng)濟增長支撐。而現(xiàn)在，大同煤礦集團開始進軍氫能領(lǐng)域，其在2018年開工建設(shè)5000噸/年煤制氫項目，計劃2019年項目建成。

 

煤企中不僅同煤集團，潞安集團在2019年2月與美國AP公司在北京簽署了氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略合作協(xié)議；2019年1月，兗礦集團與法國液化空氣集團簽訂框架協(xié)議，并牽頭組建山東氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟；陽泉煤業(yè)在2018年6月與太原理工大學(xué)氫能源電池聯(lián)合研究院；國家能源集團更是在2018年2月牽頭成立中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。

 

在業(yè)內(nèi)看來，煤制氫是最經(jīng)濟的一種途徑，煤企無疑具備優(yōu)勢。值得注意的是，目前談?wù)撁褐茪涑杀驹诿苛⒎矫撞坏?元時，有個前提條件，即煤制氫項目一般規(guī)模較大，適合集中供應(yīng)。由于目前氫燃料電池汽車市場未打開，若在此時上馬一個大規(guī)模的煤制氫項目，如何消納是個問題。

 

“短期內(nèi)，為燃料電池車上一個煤制氫項目不太現(xiàn)實。”國家能源集團北京低碳清潔能源研究所氫能技術(shù)開發(fā)部經(jīng)理何廣利在eo近期舉辦的圓桌上說道。

 

事實上，即便是煤制氫，其產(chǎn)生的氫氣大部分來源于水，煤更多地是作為能量載體。而相比于生物質(zhì)制氫等途徑，煤制氫的耗水量并不突出。

 

何廣利分析，煤制氫耗水量由冷卻用水和工藝耗水兩部分組成。工藝耗水即通過煤制氫工藝過程反應(yīng)成為氫氣的水，冷卻用水經(jīng)過處理后可循環(huán)使用。對各種制氫方式耗水情況進行對比，主要是看工藝耗水情況，生物質(zhì)制氫和煤制氫相比，生物質(zhì)制氫工藝耗水量不比煤制氫的低。“同時，煤制氫過程中冷卻用水處理好可進行循環(huán)使用，產(chǎn)生的氮氧化物和硫氧化物也可處理為固態(tài)物質(zhì)，因此煤制氫也是清潔的。”

 

他進一步指出，中長期來看，煤制氫與二氧化碳捕捉（CCS）結(jié)合使用是一個方向。煤制氫加上CCS后，整體成本會升高，但相比于其他方式制氫，仍具有成本優(yōu)勢。“我們保守的估算，按照鄂厄多斯30萬噸埋藏量來計算，現(xiàn)有煤制氫出來的氫氣價格上會增長30%以上。若CCS能夠進入大規(guī)模使用，成本應(yīng)能降下來。”

 

副產(chǎn)氫成本能做到多低？

 

進軍氫供應(yīng)領(lǐng)域的，不僅有煤企，還有化工企業(yè)。

 

搜索報道不難發(fā)現(xiàn)，不少化工企業(yè)早已開始進行副產(chǎn)氫的相關(guān)業(yè)務(wù)。例如衛(wèi)星石化、濱化股份（與億華通合資）設(shè)立相關(guān)氫能公司，將富余、合格的氫氣提供給加氫站。東華能源規(guī)劃在蘇浙滬地區(qū)投資建設(shè)氫燃料電池汽車加氣站。華昌化工除提供氫氣之外，還在氫燃料電池零部件方面與高校、研發(fā)團隊合作等。

 

在前述圓桌上，有華北地區(qū)化工企業(yè)人士表示其所在的化工園區(qū)有10多億立方米的工業(yè)副產(chǎn)氫，其中有很大一部分作為燃料進入焦爐燃燒。他告訴eo記者，若將這部分副產(chǎn)氫賣出去，對化工企業(yè)而言可能是個新的經(jīng)濟增長點。

 

工業(yè)副產(chǎn)氫分為焦爐煤氣、合成氨、甲醇、氯堿、丙烷脫氫等幾類。從全國來看，華北（385.41億立方米）、華東（278.45億立方米）地區(qū)工業(yè)副產(chǎn)氫的資源比較豐富?；て髽I(yè)可以將富余的副產(chǎn)氫賣出作為一部分收入。

 

但是在何廣利看來，副產(chǎn)氫富余的量其實是有限的。“現(xiàn)在的工業(yè)副產(chǎn)氫，大部分可以到下游，用于合成氨、合成甲醇、煉化等，工廠內(nèi)部上下游工藝環(huán)節(jié)都有關(guān)聯(lián)，氫氣到下游的工藝就消耗了，并沒有那么多氫氣是被白白浪費的。”

 

北京派瑞華氫能源科技有限公司副總經(jīng)理張明俊介紹，截止2018年底，中國已建成或在運營的加氫站有25座（其中有15座處于運營狀態(tài)），氫燃料電池汽車擁有量3428輛。

 

何廣利指出，目前燃料電池汽車規(guī)模較小，所需氫氣少，副產(chǎn)氫比較可行。但是他對副產(chǎn)氫的成本能做到多低表示疑惑。

 

記者曾到佛山（云浮）產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園、成都郫都區(qū)（四川省氫能應(yīng)用示范區(qū)）了解過，目前這兩個區(qū)域的氫燃料電池車所需的氫氣來源于化工，氫氣出廠價格并不低。

 

質(zhì)子交換膜燃料電池是現(xiàn)在燃料電池汽車的發(fā)展方向，該類電池對多種雜質(zhì)（硫、一氧化碳等）有特殊要求。這些雜質(zhì)會影響電壓、電池的性能壽命等，故有必要去除副產(chǎn)氫中的有關(guān)雜質(zhì)。

 

以硫為例，硫和燃料電池中的催化劑發(fā)生不可逆的反應(yīng)，降低催化劑活性，影響燃料電池的性能。

 

然而在傳統(tǒng)的氫氣標準中，有純氫、高純氫、超高純氫等分類，對氫氣雜質(zhì)的規(guī)定不完整。“以前國內(nèi)氫氣沒有用到車上，按工業(yè)氫標準可以滿足高純氫的要求，但不一定滿足燃料電池用氫雜質(zhì)濃度的要求。”何廣利指出，副產(chǎn)氫目前要做的工作是純化，這會帶來一定成本的增加。此外，副產(chǎn)氫在滿足雜質(zhì)的濃度、氫氣純度提高的同時，氫氣回收率會降低，隨之而來的是生產(chǎn)成本的升高。

 

 

可再生能源發(fā)電制氫可以促進風(fēng)、光、水等可再生能源的消納，被認為具有發(fā)展的潛力。美國、德國、日本等發(fā)達國家都在積極推動可再生能源發(fā)電制氫項目示范，我國近幾年也開始建設(shè)示范項目，如張家口張北縣于2014年建設(shè)風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范項目、沽源縣于2015年建設(shè)200兆瓦風(fēng)電場10兆瓦電解水制氫系統(tǒng)以及氫氣綜合利用系統(tǒng)等。

 

在國內(nèi)的示范項目中，制氫設(shè)備企業(yè)早已開始爭奪。一位國外制氫設(shè)備企業(yè)中國區(qū)有關(guān)人士向記者表示，制氫設(shè)備企業(yè)在中國是有競爭的。

 

中船重工第七一八研究所制氫設(shè)備工程部總工程師薛賀來在圓桌上分享時指出，在現(xiàn)有市場規(guī)模下的競爭，已經(jīng)出現(xiàn)了不好的苗頭。“在（制氫設(shè)備企業(yè)）沒有形成競爭的時候，（對制氫設(shè)備）提出5年大修一次，現(xiàn)在有的為了在市場上保持優(yōu)勢，人為地把大修期提到10年。這個時候制氫設(shè)備能產(chǎn)氣，但是是否經(jīng)濟就說不好了。”他補充，5年的大修期是從設(shè)備經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)上提出來的，電解槽電極在運行多年后會衰退，電耗也會隨之增加，不利于經(jīng)濟運行。

 

即便各家開始爭奪示范項目的設(shè)備供應(yīng)，但是目前示范項目尚未走出一條商業(yè)化的道路，成本高是制約其發(fā)展的一個因素。

 

電解水制氫成本包括人工費用、用電費用、維護費用、原料費用、固定資產(chǎn)。其中用電費用在成本中占比最大。

 

薛賀來介紹，汽車供能方式中，天然氣內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)化效率為30%，單位體積輸出功率為10789.02kJ/m3 。燃料電池能量轉(zhuǎn)換率60% ，單位體積輸出功率7551.6kJ/ m3，相對少。在同一單位體積輸出功率（7551.6kJ/ m3）下，按天然氣零售價3.5元/ m3計算，折合氫氣售價2.4元/ m3，折合電價0.25-0.3元/kWh。

 

“因此，電價在0.25-0.3元/kWh時，使用電解水制氫并用于車用燃料電池具有優(yōu)勢。但目前拿到這個電價還有一定的困難。”薛賀來說。

 

可再生能源棄電具有地域性，運輸是一個問題。比如棄水主要發(fā)生在四川、云南，棄風(fēng)主要發(fā)生在新疆、甘肅、內(nèi)蒙古，這些地方氫氣的消納能力有限，氫氣高昂的運輸成本將限制氫氣的輸出。

 

此外，風(fēng)電、光伏制氫的本質(zhì)依然是水電解，對水也有需求，水資源缺乏的地區(qū)若要發(fā)展制氫需慎重考慮。

 

電解槽的工作也需要進一步努力。風(fēng)電、光伏具有間隙性、波動性、隨機性，難以為負載提供一個持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

 

薛賀來指出，由于風(fēng)光發(fā)電的功率輸出波動范圍非常大，要求配套使用的水電解制氫設(shè)備需同樣具有寬功率波動特性。據(jù)他了解，國外的水電解所用的可再生能源電力，是經(jīng)過電力重整的（將不穩(wěn)定的輸出通過多次重整以后變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定的輸出）。而這會損失一部分能量。

 

“作為電解槽，可以接受一定范圍內(nèi)的電壓變化，電壓過小只能發(fā)熱不能形成電解。如何通過一次整流或者不通過整流，使水電解設(shè)備適應(yīng)風(fēng)光的特性，對我們來說，現(xiàn)在也是一個課題。”薛賀來說。

 

 

無論哪種制氫方式，都需要考慮如何氫氣的儲運。

 

氫氣是極易燃燒的氣體，其爆炸極限濃度為4.0%～75.6%（體積濃度），在高壓下容易使鋼材發(fā)生氫脆，導(dǎo)致容器脆化、開裂。因此氫氣儲存和運輸一直比較棘手。當前國內(nèi)一般采用壓力為20MPa的長管拖車運輸高壓氣態(tài)氫氣。

 

在長管拖車運輸高壓氣態(tài)氫氣的方式中，由于儲氣罐儲氫密度低，氫氣運輸效率低，不適宜長距離運輸。液氫在質(zhì)量密度和氣體密度上較有優(yōu)勢，美國、歐洲和日本等已開展液氫運輸，是氫能領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。

 

何廣利提醒，液氫要考慮液氫生產(chǎn)能耗。從國際上來看，生產(chǎn)一公斤液氫耗電13-15度電，按照1度電0.5元計算，則生產(chǎn)液氫的能耗成本達到6.5-7.5元/kg，同時所消耗的能量相當于1kg氫氣所含能量的40-45%，因此生產(chǎn)液氫的能耗和成本是不可忽視的。

 

氣體管道運輸常用于大規(guī)模的氣體輸送。在摻氫天然氣管道輸送上，歐美已進行了相關(guān)示范。例如歐洲NaturalHy項目、美國能源部實施的氫能管道研究發(fā)展工程、法國環(huán)境與能源管理署贊助的GRHYD項目等。據(jù)悉已有管道摻氫比例在20%，仍能保證安全性。

 

美國能源部在2013年的研究結(jié)果提醒，必須綜合考慮多種因素，才能評估摻氫比例的安全性。在天然氣管道中引入氫氣需要對現(xiàn)有管道進行監(jiān)控和維護，進行廣泛的研究、測試和修改。

 

據(jù)了解，在管道輸送氫氣上，國內(nèi)目前也有用管道輸送氫氣的項目，但是僅限于有輸氫需求的企業(yè)之間。而在摻氫天然氣運輸上，在國內(nèi)的技術(shù)性、經(jīng)濟性問題也有待探討和研究。