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电解水制氢经济性难题怎么解?

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2021/5/19     浏览次数:    
    当前,氢能发展备受瞩目。因“跨界耦合”的特性,其被公认为清洁能源体系建设的助推器。传统制氢方式包括天然气制氢、煤制氢等,但仍难摆脱对化石能源的依赖。近两年,可再生能源电解水制氢技术发展势头渐显,其工艺简单、无污染,被视为制氢最佳路线。

    据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预计,到 2050 年,氢能在中国能源体系中的占比约为 10%,氢能需求量接近 6000 万吨,可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体,但被各界寄予厚望的电解水制氢却仅占氢气总产能的 4%。原因何在?


尚处起步阶段 造价高削弱电力富余优势 



    由于电费占整个水电解制氢生产费用的 80%左右,因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。存在两条降成本途径:一是降低电解过程中的能耗,可通过开发 PEM(质子交换膜电解) 及 SOEC(固体氧化物电解) 技术来实现;二是采用低成本电力为制氢原料,关键在于依靠光伏和风电的发展。“当前,我国新能源装机量逐年增长,已远超电网承载能力,新能源消纳矛盾突出。弃风、弃光、弃水电量呈逐年增加趋势,这在一定程度上为可再生能源电解水制氢提供了有利条件。”康明斯战略部氢能项目负责人杨小珂说。

    据国家能源局发布的数据显示,2018 年,我国弃风弃光电量 554 亿千瓦时。若按照每立方米氢气耗电5千瓦时计算,全国弃风电量即可生产 110.8 亿立方米高纯度氢气;水电方面,2018 年,我国全年弃水量达 691 亿千瓦时,大量水电富余。“采用电解水制氢可有效缓解水电弃水难题。通过利用富余水电制氢,将弃水‘变废为宝’,在产氢的同时,也提升了水电项目的综合经济效益。”中氢新能技术有限公司董事长周明强同时指出,富余水电、光电、风电制氢在技术上完全可行,但其尚无法形成规模化发展的主要症结在于制氢成本过高。


水利发电


    我国煤制氢技术路线成本在 0.8—1.2 元/标方之间,天然气制氢成本受原料价格影响较大,综合成本略高于煤制氢,为 0.8—1.5 元/标方,而对电解水制氢而言,按目前生产每立方米氢气需要消耗大约 5—5.5 千瓦时电能计算,即使采用低谷电制氢(电价取 0.25 元/千瓦时),加上电费以外的固定投资,制氢综合成本高于 1.7 元/立方米。“从电解水设备来讲,其造价比其他制氢方式都要高。”周明强说,同等规模的制氢系统, 电解水制氢的造价约为天然气制氢的 1.5 倍、煤制氢的 3 倍,相较于其他制氢方式,可再生能源电解水制氢方式不具价格优势。“针对可再生能源电解水制氢实践的数量和体量近年来快速增长,来自各行各业的热情正在升温, 但规模和探索尚处起步阶段。”杨小珂说。


生产与储运成本制约规模化发展 



    可再生能源电解水制氢成本主要集中在电价和氢能运输两方面。据业内人士透露, 当到户电价在 0.25 元/千瓦时左右时,可再生能源电解水制氢的成本才会与传统化石能源制氢相当,而对于电价较高的上海、北京等地而言,仅电解水的电价成本, 就足以让可再生能源电解水制氢企业“望而却步”。

    “我国西北、西南地区可再生资源丰富,电价偏低,其用电价格普遍在全国平均线以下,对发展可再生能源电解水制氢较为有利,制氢成本可以明显降低。在一定规模下,甚至能够与化石能源制氢持平。”杨小珂说。


光伏发电




    对此,周明强表示,风电富裕地区虽可满足可再生能源电解水制氢对电价的成本要求,但对于可再生能源丰富的地区,如新疆、甘肃、内蒙古、四川、云南等地,氢能消纳能力却相对有限,因此,制得的氢气需运输至其他氢能应用规模较大的地市。“氢的运输成本高、效率低。”周明强说,当前国内最普遍的运氢方式为高压储氢罐拖车运输,但其运输效率极低,仅为1—2%。

    我们了解到, 一台高压储氢罐拖车的成本约为 160 万元,其运输百公里储运成本为 8.66 元/kg,随着距离的增加,其运输成本受人工费和油费推动仍会显著上升;若采用液氢槽车运输氢气,虽运输效率有明显提高,但一台液氢槽车的投资为 400 万元,液氢槽车运输百公里储运成本为 13.57 元/kg,若距离增加至 500 千米,成本则为14.01 元/kg。“氢气的运输成本占终端氢气售价的一大部分,这极大阻碍了可再生能源电解水制氢的规模化发展。”周明强说。


甲醇储氢项目落地 有望打开新局面 



    对于氢储存运输成本高、运输难问题, 中国科学院院士、 中科院大连化学物理研究所研究员李灿日前表示,目前,兰州新区液态太阳燃料项目已开发出采用二氧化碳加氢制甲醇储存方式,为氢运输提供了全新途径。其可解决高压运输、储存成本与安全问题, 还可实现二氧化碳回收和全流程清洁目标。

    兰州新区液态太阳燃料项目于2018 年启动,该项目采用 10MW 光伏电解水制氢,制得的氢再与企业排放的二氧化碳合成甲醇。“兰州新区液态太阳燃料项目将制得的氢气合成甲醇,省去了运输氢气的高昂费用,亦使得效率提高至 80%以上。目前,该项目也已在张家港等地进行示范。”周明强说。


大面积光伏发电



兰州新区液态太阳能燃料合成示范工程项目10兆瓦光伏发电装置



    对此,中科院大连化学物理研究所副研究员王集杰认为,该项目技术路线对缓解我国能源安全问题乃至全球生态文明建设具有重大意义:一方面其探索了中国西部地区丰富的太阳能等可再生能源的优化利用模式,将太阳能等可再生能源转化为液体燃料甲醇,提供了一条特高压输电之外的有效利用可再生能源的路径;另一方面,液体燃料甲醇又是绿氢载体,有助于解决氢能储存和运输的安全难题。

    对于电解水制氢未来发展,杨小珂表示,近年来,无论项目数量还是项目规模,可再生能源电解水制氢发展都在加速增长。“长期来看,经济性是未来可再生能源电解水制氢市场可持续性发展的关键。要想实现经济性,除了政府要加大政策支持外,可再生能源电解水制氢企业也应不断探索氢能发展全产业链商业模式,找准终端应用氢能场景,电解水制氢实现规模化、 产业化将指日可待。”杨小珂说。


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