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解码电解水制氢技术 哪种应用更具经济性?

作者:中国储能电站网 来源:高工锂电网 时间:2018-11-07 浏览:

中国储能电站网讯:氢能,作为一种与石油一样可以广泛同时应用于热、电和交通工具三种燃料的全能型能源,被国际能源署定义为“高级”能源,是一种理想的优质清洁能源。

2017年作为国内燃料电池产业化的元年,氢能终端应用——燃料电池汽车的产业化标志着国内已逐渐形成完整的闭环氢能产业链。其中燃料电池和燃料电池汽车最受人瞩目,大量资金和许多大型企业开始布局燃料电池产业,以期在不久的未来占据行业制高点,反观产业链上游的制氢企业却属凤毛麟角。

众所周知,目前氢能行业的痛点有二:一是兼具经济性和安全性的氢气制取和储运方式;二是高昂的氢能基础设施建设费。这两点都和氢气的制取和储运方式的选择有关。

长期以来,国内的制氢大多都是炼油厂自建用来满足本厂的氢气需求,国内专门制氢的企业数量并不多且发展滞缓。传统煤制氢、天然气制氢和其他化工原料制氢技术都存在一定的高能耗、高污染、工艺流程长且出氢纯度低等缺点,而电解水制氢技术则具有零排放和产品纯度高等优势,耦合可再生能源电解水制氢,还能有效消纳“三弃”电力,调整电力系统能源结构。

德国最早引入P2G(powertogas)的概念,即利用可再生能源导入量的扩大,利用风力发电、太阳能发电等的剩余电力电解水生成氢,然后提供给现有的燃气管道网络电解水技术路线。目前电解水技术可分为三种,碱水电解、固体氧化物电解和PEM纯水电解水技术,技术参数对比详见表1。

▼表1.几种电解水技术对比

碱水电解技术发展最为成熟商业化程度最高,因其技术最为成熟且成本更低,国外代表企业有法国Mcphy公司、美国Teledyne公司和挪威Nel公司,国内代表企业有苏州竞立制氢、天津大陆制氢和中船重工718所。

2015年,河北建投新能源有限公司与德国McPhy公司、Encon等公司进行技术合作,引进德国风电制氢先进技术及设备,在河北省张家口市沽源县建设200MW风力发电场,并建设电解制氢装置以及氢能的储存、运输及综合利用系统。

PEM纯水电解技术因其出色的可再生能源适应性和清洁无污染等特点,目前也成为各大电解水制氢企业的研究重点,但是其成本高一直阻碍其产业化发展的难点(单位产能的PEM纯水电解设备是碱水的两到三倍)。大规模产业化是一条有效的降低PEM纯水电解装置的手段。

目前,国内有关PEM纯水电解技术研究仅限于中船重工718所、中电丰业、中科院大连化物所、安思卓和山东赛克赛斯氢能这几家科研单位或者企业,且产业化程度低。而国外的Proton公司和Hydrogenics公司的几乎囊括了世界范围内的PEM电解水产品市场。

2018年3月,三峡资本与美国Proton(已被挪威Nel收购)签署氢能产业合作协议,双方将在潍坊市高新区成立合资公司,设立生产工厂和研发中心,以期大幅度降低设备造价,使低成本、大规模制氢成为可能。

PEM电解水制氢与质子交换膜燃料电池工作流程互为逆过程,如图1所示。但是两者的关键材料如催化剂、MEA和双极板却不尽相同,当然,可逆燃料电池是一个个例。

图1.PEM纯水电解和PEM燃料电池工作原理图对比

单纯就PEM电解水技术而言,本身是比较成熟的,2018年“可再生能源与氢能技术”国家重点专项指南,就把“MW级固体聚合物电解质电解水制氢技术”列为重点科研专项,指南明确指出要攻克PEM电解水制氢装置的共性关键技术的难点,并对其功率、直流电耗、功率调节范围和储氢压力都提出了很高的要求,远超过目前市面上欧美商业化产品。PEM纯水电解水技术产业化事业已变得迫在眉睫。

据了解,三峡资本认为在引进Proton的PEM电解水设备生产线后,设备价格将会降低到原来的1/3,而目前国内代理报价400Nm3/h的PEM产品销售价格为2000万RMB左右(不含税运),按照这个估算,产业化后的MW级PEM电解水设备可降至1.5万RMB/(Nm3/h)。以500Nm3/h(1MW,同等规格碱水制氢设备售价1.0万RMB/(Nm3/h))为日供氢量300Kg的加氢站为例,针对不同电价对PEM纯水电解制氢成本进行敏感性分析。

(1)利用工业用电现场制氢

假设大工业用电平均电价为0.687元/(kW•h),通过成本核算计算得到制氢成本约为3.68元/Nm3,另折算加氢站建设和管理运行成本,与目前加氢站示范运营加氢定价40元/Kg(3.965元/Nm3)相近,所以用大工业电现场制氢加氢这种方式不具经济性。

(2)利用可再生能源制氢+输氢

假设可再生能源发电价格0.1元/(kW•h),氢源距离加氢站50km,则利用长管拖车输氢成本为0.3元/Nm3,加氢站建设运营成本折算为1元/Nm3(折算年限15年,不包含加氢站土地购买费用)。综上,利用可再生能源制氢和长管拖车高压输氢的方式加氢,制氢成本为2元/Nm3,预期氢气售卖利润空间高达50%。当然,随着可在能源制氢地与加氢站距离的增加,输氢成本会相应升高,这时,需要更具经济性和规模性的储氢输氢技术路线,例如有机液态储氢、固态储氢或深冷液氢等。

关键字:电解水制氢

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