1、主流制氢方式
1)化石能源制氢:因为有二氧化碳排放,称为灰氢。主要包括煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢、氨分解制氢等。如果加上CCS或CCUS,二氧化碳不向环境中排放,就可称为蓝氢。
2)副产物制氢:不额外产生碳排放的制氢方式,例如丙烷脱氢,主要产品是丙烯,副产氢气。
3)电解水制氢:使用绿电电解水制氢,从发电到制氢都没有碳排放,称为绿氢。
2、各种制氢方式占比
在中国,煤制氢占比45%左右。全球来看,天然气制氢占比45%左右。电解水制氢占比仅有1-5%。
3、各种制氢方式的应用场景
工业用氢,化工行业,如合成氨等,用气量较大,所以煤制氢、天然气制氢多。用氢量小然后对纯度要求较高的行业,比如半导体、金属冶炼、玻璃、多晶硅等用电解水制氢。
4、各种制氢方式成本
煤制氢,按煤500元/吨计算,1标方氢气成本为0.8-1元。天然气制氢,按天然气3元/立方计算, 1标方氢气成本为1.5-1.8元。甲醇制氢,按甲醇3000元/吨计算,1标方氢气成本为2-2.5元。电解水制氢,1方氢消耗5度电制氢成本取决于电价。
5、电解水制氢方式
主要分为四类
1)碱性电解槽,已商业化。
2)PEM,已商业化 只有氢离子能通过隔膜,气体分子通过不了,比较安全。
3)AEM,实验室研发阶段,只有氢氧根能通过隔膜,气体分子通过不了,比较安全。因为暂时没找过合适的隔膜,所以没商业化,现有隔膜寿命满足不了工业化要求,只有1一年左右寿命。
4)SOEC,实验室研发阶段,反应温度800-1000度,对材料耐高温和热胀冷缩的一致性要求比较高。
6、碱性电解槽和PEM优劣
PEM各方面优于碱性,电流密度大、体积小、响应快、不使用氢氧化钾较清洁,但成本贵四到五倍。国外用的比较多,国内应用比较少大概5%左右。碱性电解槽,不适用贵金属催化剂,利用30%氢氧化钾导电相对来说不清洁。而且响应比较慢,不能直接满足光伏风电耦合的要求。
7、制约大规模制氢的瓶颈是什么
煤制氢、天然气制氢已实现大规模制氢电解水制氢的瓶颈在于,1)电价高,便宜的电不好拿到,3毛钱一度的制氢,电费成本都占70%。2)单套设备产气量低,碱性电解槽成熟产品只能1000标方每小时,大项目就需要多个小电解槽并联。
8、电解水制氢成本下降空间
1)碱性电解槽,中船718所研究有几十年了,是成熟工艺,成本下降空间不大,目前一套1000立方的设备成本800-1000万,五年内大概只有20%下降空间。因为材料和加工不复杂,零件90%以上国产,就导致降本空间不大。如果材料不升级,只提升产气量的话,单套设备一小时2000标方大概是极限(1000标方的设备,重量40吨,直径2米,长度6米的圆柱,运输是一个很大的问题)。想要通过提高产气量,只有材料升级或者加贵金属催化剂。
2)PEM降本主要有三个方面,一是减少贵金属催化剂用量,或非贵金属替代,这是最主要的降本途径;二是核心零部件国产化, GDL碳纸、质子交换膜目前都是进口;三是规模化降本,供应链管理。
9、碱性电解槽主要玩家
中船718所产能 2GW, 考克利贝尔竞立产能 1GW, 天津大陆产能1GW, 隆基氢能产能 1.5GW。前三家是老玩家,隆基氢能是新进入者, 四家占了70-80%的份额。全市场做碱性电解槽的有100多家,有产品的大概30-40家。工艺基本趋同,供应链也基本趋同,近三年看抢单能力,技术、成本差别不大。
10、海外使用PEM而国内主要使用碱性电解槽,差异的原因
欧美有项目补贴,但要求绿电绿氢同时产生,发的电立马用于制氢,这通常是离网项目,就要求电解槽响应很快,才能和风光发电匹配上,碱性电解槽分钟级响应不能满足需求。
国内都没有补贴,通常是并网项目,制氢从电网取电,为追求经济效益就选择碱性电解槽。
11、中长期来看,哪种技术会成为主流
目前不好判断,三年内肯定还是碱性电解槽,占比80%以上。三年后就看降本速度,如果PEM能降到碱性电解槽的2.5倍以内就会逐渐被客户接受。AEM和SOEC看技术升级毒素,找到合适的材料就会快速推广,找不到就很难推广。
12、储运氢方式
主要有五种,高压气态储运,低温液态储运,金属储运,有机物储运,管道运氢。
1)高压气态,使用长管拖车,车重30吨只能运输350kg氢,运输效率非常低,只有1%,所有 1kg氢气 100公里运输成本达到6-8元,适合运输范围200公里
2)低温液态,同样使用长管拖车,车重 30吨可运输4吨氢,成本仅有高压气态的十分之一, 100公里运输成本8毛,运输范围可达1000公里以上
3)金属,例如利用镁作为介质,生成氢化镁再运输,储氢密度大约6%,运输效率高,但金属会粉化有寿命,大约 3000次左右,目前没有商业化
4)有机物,不饱和氢键有机物和氢气发生反应,例如使用甲苯作为媒介,生产甲基环己烷再运输,优势是运输效率高,成本较低。弊端是需要催化剂,催化剂有寿命,另外会发生副反应,可能导致绿氢变灰氢,没有商业化。
5)管道最安全,成本最低,1kg氢气100公里运输成本仅1-2毛,限制在于管道铺设,可能涉及拆迁,需要国家去推进,大型央国企去做。是最终发展方向,西北、东北、华北这种可再生能源比较丰富的地方发电,然后制氢,再通过管道输送到用户。
13、各种运氢方式比例
国内主要就是高压气态运输,国外是高压气态运输加液氢运输,美国液氢运输占比约有20-30%。金属储运和有机物储运欧美也做过研究但最终没有选用,弊端还是比较明显。过渡阶段,高压气态和液氢还是主流运输方式,最终还是要靠管道运输。
14、管道运氢是否和天气兼容
不兼容,需要重新铺设管道,因为管道材质要求不一样。天然气运输使用碳钢就可以,氢气运输需要使用特殊材料,因为氢气分子很小,如果使用碳钢,氢气会还原碳,使管道产生裂纹,发生氢脆,有安全隐患。使用天然气运输氢气可以少量掺混,目前国内要求不超过10%,国外是不超过20%,因为掺氢比例过高会对下游用户有影响,氢气热值更高,例如家用燃气灶工业用加热炉可能都需要改造。
15、如何评判合成氨运氢
长距离运输可以考虑,但也只是种过渡阶段的手段,一是氮气的问题,是运回去还是直接排放,运回去成本高,直接排放的话下次运输又要制氮气。另外氨也是危化品,有毒性也不是很稳定,有腐蚀性。
16、影响电解槽生产的核心零部件是什么
PEM的话,一是催化剂,二是质子膜,三是碳纸,这三个是材料的核心,还有合成膜电极是工艺核心。质子交换膜这块国内做的比较好的有东岳和科润。催化剂大部分是公司自己做。
碱性电解槽的核心是隔膜,目前日本动力占60-70%市场,国内还有两家在做,牡丹江一家,天津一家。
17、项目招标节奏
大型项目前期方案设计时就需要电解水制氢厂家跟进配合设计,到招标的时候基本是走流程。
18、风光装机配备制氢比例
目前基本上3:1或4:1,比如光伏100MW,制氢配20-30MW,这样经济效益更高,闲置时间短。