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攻克燃料电池难点:哪种制氢技术更好?

发布日期: 2019-07-11
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燃料电池汽车是未来新能源汽车的重要的发展趋势,而氢气是新能源汽车中燃料电池的基础,也是为理想的清洁能源来源。氢气的制取是当前燃料电池汽车产业面临的一大难点,虽然氢气制取的技术较为成熟,制取氢气的方式也有很多,但是成本、效率与可持续性的属性不尽相同。

下文则将从全球主流的制氢方法中,不同制氢技术的成本、效率与可持续性来判断哪种制氢技术更好。详细分析见深圳一览众咨询有限公司撰写的《2018-2023年燃料电池产业发展及投资前景调研报告》。

主要的制氢方法

根据一览众咨询报告,制氢方法根据氢气原料的不同,可分为可再生制氢和非再生制氢,可再生制氢的原料是水或可再生物质,非再生制氢的原料是化石燃料。具体来讲,主要分为五种技术路线:工业尾气制氢、化工原料制氢、石化原料制氢、电解水制氢和新型制氢方法等。

图表 1  主要的制氢方法

上面五种主要的制氢方法,在全球范围内都有运用,但是每种方法制取氢气的产能占全球总产能的比重大小不同。从全球范围来看,当前主要的制氢方法主要采用的是石化资源制氢,其次是化工原料制氢。

具体来看,制氢原料来源多的是天然气,比重达到48%,其次是醇类,比重为30%。两者对应的制氢方法分别是石化资源制氢和化工原料制氢占比。而原料来源于电解水的比重只占4%,目前采用电解水制氢的方法还很少。而新型制氢法几乎没怎么应用于大规模的制氢。

图表 2  全球制氢原料主要来源

 

从上面分析可以得出,全球主流的选择是化石原料制氢和化工原料制氢。之所以如此,主要原因在于化石原料制氢和化工原料制氢的成本较低,具有盈利空间。

从成本看,化石原料制氢成本低

通过收集整理不同制氢方法的成本数据,可以发现,制氢成本比较低的有煤气化制氢和天然气制氢,这两种制氢方式相对于石油的市场价格,具有较大利润空间。而甲醇裂解的成本较高,这能解释为什么全球化工原料制氢的比重比化石原料制氢的比重要小。而水电解制氢的成本很高,在国内应用则几乎不可能盈利。

图表 3   主要制氢方法成本对比(美元/千克)

数据来源:一览众咨询

从当前技术、资源条件来看,我国主要采用化石原料制氢法。虽然在煤制氢工艺过程中,二氧化碳的排放水平较高,但可以引入二氧化碳捕捉技术(CCS),降低碳排放。

长期来看,电解水制氢法优势将现

虽然煤气化制氢和天然气制氢可以盈利,在我国可以实现大规模制氢。但是这两种制氢方式需要消耗的资源,不可持续。并且这两种方法碳排放量高,在煤气化制氢过程中二氧化碳排放量高达193kg/GJ,天然气制氢有69 kg/GJ,不利于环保。而电解水制氢的二氧化碳排放高不超过30 kg/GJ,对环境的污染低,并且可以持续。

图表 4  典型制氢工艺中各类能源转换效率与CO₂排放

资料来源:公开资料、一览众咨询整理

可以说,电解水制氢是清洁、可持续的制氢方式,并且是未来制氢的发展的重要方向。当前制氢技术比较发达的日本,主要采用的制氢方法就是电解水制氢。

日本主要的制氢产能主要来自于电解水制氢,该方式的制氢产能占总制氢产能的63%,而化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢的制氢产能占比都比较小。而我国则可以学习日本的电解水制氢的发展经验,发展电解水制氢技术。

图表 5  日本不同制氢方法的制氢产能比重

 

发展电解水制氢,需要降低用电成本

电解水制氢的成本很高,因此,如果要大规模发展电解水制氢,降成本将是首要任务。当前,电解水制氢成本主要来源于固定资产投资、用电成本和固定生产运维成本,其中电价占总成本的77%,电价高是造成电解水成本高的主要原因。要发展电解水制氢就需要降低用电成本。

除此之外,还需要提高电解水制氢的效率,降低规模化制氢的成本。

图表 6  电解水制氢成本构成

 

有效利用弃水弃风的电量

发展电解水制氢需要其它能源的支持。电解水制氢的能源来源有水力、潮汐能、太阳能和风能等再生能源,而我国的再生能源丰富,但是在利用的过程中会有很多的浪费。

例如,我国拥有水力资源丰富,年发电量近3000亿千瓦时,但是水能发电需要丰水器和调峰,会产生大量的弃水电能,浪费很大。例如,我国可利用风能巨大,相当于水力资源的2/3。但风电不太稳定,上网比较难,因此每年的弃风限电的电量规模庞大。

如果将弃风弃水的电量充分利用起来,用于电解水制氢,将有利于电解水制氢产业的发展。

结语

以上从全球主流的制氢路线展开,从成本和原料的可得性分析出化石原料制氢是当前ju有可行性的制氢方法。但是这种制氢方法不可持续,并且不符合环保的要求,因此未来还是要发展清洁、环保、可持续的电解水制氢。发展电解水制氢,需要降低电解水制氢成本,其中降低成本的方向是降低电价成本。再利用电力方面,如果充分利用弃风弃水的电量,则有利于电解水制氢产业的发展。

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