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制氢方式及成本分析,pem水解制氢原理

时间:2023-02-13来源:www.pojianyunfu.com

目前,制备氢气的几种主要方式包括氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、石化资源制氢(石油裂解、水煤气法等)和新型制氢方法(生物质、光化学等)。

 

通过比较分析各种制氢方式的成本、优劣势,我们认为:在现阶段,选择成本较低、氢气产物纯度较高的氯碱工业副产氢的路线,已经可以满足下游燃料电池车运营的氢气需求;在未来氢能产业链发展得比较完善的情况下,利用可再生能源电解水制氢。将成为终极能源解决方案。

制氢方式及成本分析,pem水解制氢原理

 

氯碱工业副产氢是现阶段最适合的制氢方式,主要基于以下两点判断:

 

1)从制氢工艺的成本和环保性能角度来看,氯碱制氢的工艺成本最为适中,且所制取的氢气纯度高达99.99%,环保和安全性能也较好,是目前较为适宜的制氢方法。分析如下:

 

水煤气法制氢成本最低,适用规模大,但是二氧化碳排放量最高,且所产生氢气含硫量高,如果用于燃料电池,会导致燃料电池催化剂中毒,如果应用脱硫装置对其产生氢气进行处理,不但增加了额外的成本,对技术标准的要求也很高;

 

石油和天然气蒸汽重整制氢的成本次之,约为0.7~1.6元/Nm3,能量转化率高达72%以上,但环保性不强,未来可以考虑通过碳捕捉技术减少碳排放;

 

氯碱制氢工艺成本适中,在1.3~1.5元/Nm3之间,且环保性能较好,生产的氢气纯度高,目前而言适用于大规模制取燃料电池所使用的氢气原料,也是可实现度最高的氢气来源。

 

甲醇裂解和液氨裂解成本较氯碱制氢高50%左右,较化石资源制氢技术前期投资低、能耗低,较水电解法制氢单位氢成本低。

 

水电解法制氢成本最高,在2.5~3.5元/Nm3之间,且成本在不断降低,碳排放量低,且在应用水力、潮汐、风能的情况下能量转化率高达70%以上。在未来与可再生能源发电紧密结合的条件下,水电解法制氢将发展成为氢气来源的主流路线。

 

2)从理论储备和经济储备的角度来看,氯碱工业副产氢的经济储备能够满足长三角地区对于氢气的需求,全国范围来看也储备充足。我们通过统计氯碱工业和其他化工原料(天然气、甲醇、液氨等)的产能,计算了理想情况下氢气的理论产能和经济产能假设——

 

(1)产能利用率为76%;

 

(2)化工原料和天然气裂解制氢的部分相当于原有产能的3%;

 

(3)燃料电池乘用车以丰田Mirai作为数据样本(储氢量5kg,续驶里程482km);

 

(4)燃料电池物流车以E-truck为数据样本(储氢量7.5kg,续驶里程400km,载重量4-8吨);

 

(5)乘用车年行驶里程数取值1万公里;

 

(6)物流车年行驶里程数取值12万公里。

 

我们得出结论:目前全国范围内的氯碱工业制取的氢气相当于76万吨/年的产能,可供34万辆燃料电池物流车使用一年,或者可供243万辆燃料电池乘用车使用一年。

 

如加上现有天然气、甲醇、液氨裂解产生氢气的量,约为202万吨/年,可满足90万辆物流车或648万辆乘用车一年的氢气需求量。

 

我们以目前燃料电池车数量较集中的江苏上海一带作为中心,200km、500km作为半径,划定了两种不同的范围,分别考虑其产能。

 

可以发现,在所划定的200km范围内,氯碱副产氢气产能可以供14万辆物流车或99万辆乘用车使用;在500km范围内,氯碱副产氢气产能可供16万辆物流车或112万辆乘用车使用。现阶段最佳的制氢和运氢方式搭配为:氯碱工业副产氢+气氢拖车运输,其氢气成本范围在17.9~19.2元/kg。

 

该氢源路线的选择主要是基于成本和环保的角度考虑的。此外,通过测算氢气作为燃料的经济性,我们得出结论:如果使氢燃料电池车具有较强的竞争力(百公里耗氢成本较百公里耗油成本低20%以上),则氢气成本需控制在22.78元/kg以下。

 

现阶段影响我国加氢站终端氢气售价的主要因素是氢气成本价格(占70%),其中包括氢气原材料(50%)、氢气生产运输成本(20%)。

 

因此,要降低我国的氢气售价,在补贴力度较强的现阶段来看,选择合适的氢源,并降低氢气运输与储藏的成本,是最适当的选择;长远来看,随着行业的发展和补贴额度的下降,通过提高关键设备的国产化率水平来降低加氢站的建设成本则是未来降低氢气售价的明智之选。

 

现阶段加氢站对运输距离(<500km,200km为宜)和运输规模(10t/d)的需求来看,氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车,其成本可以达到2.3元/kg,而在同等条件下的液氢运输成本可以达到9.1元/Nm3。


制氢方式及成本分析,pem水解制氢原理

 

pem水解制氢原理

 

原理如下

 

在PEM制氢技术中,水中的氢离子穿过质子交换膜与电子结合成为氢原子,氢原子相互结合形成氢分子。

 

这项技术使电解槽可以在高电流密度和高压下工作,适用于使用空间受限的情况下,或用可再生能源发电制氢时,电量不稳定的情况下。

 

以上就是pem水解制氢工作原理。