制氫方式及成本分析,pem水解制氫原理
時間:2023-02-13來源:www.maisondekeyser.com
目前,制備氫氣的幾種主要方式包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工原料制氫(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、石化資源制氫(石油裂解、水煤氣法等)和新型制氫方法(生物質(zhì)、光化學(xué)等)。
通過比較分析各種制氫方式的成本、優(yōu)劣勢,我們認為:在現(xiàn)階段,選擇成本較低、氫氣產(chǎn)物純度較高的氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的路線,已經(jīng)可以滿足下游燃料電池車運營的氫氣需求;在未來氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展得比較完善的情況下,利用可再生能源電解水制氫。將成為終極能源解決方案。
氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫是現(xiàn)階段最適合的制氫方式,主要基于以下兩點判斷:
1)從制氫工藝的成本和環(huán)保性能角度來看,氯堿制氫的工藝成本最為適中,且所制取的氫氣純度高達99.99%,環(huán)保和安全性能也較好,是目前較為適宜的制氫方法。分析如下:
水煤氣法制氫成本最低,適用規(guī)模大,但是二氧化碳排放量最高,且所產(chǎn)生氫氣含硫量高,如果用于燃料電池,會導(dǎo)致燃料電池催化劑中毒,如果應(yīng)用脫硫裝置對其產(chǎn)生氫氣進行處理,不但增加了額外的成本,對技術(shù)標準的要求也很高;
石油和天然氣蒸汽重整制氫的成本次之,約為0.7~1.6元/Nm3,能量轉(zhuǎn)化率高達72%以上,但環(huán)保性不強,未來可以考慮通過碳捕捉技術(shù)減少碳排放;
氯堿制氫工藝成本適中,在1.3~1.5元/Nm3之間,且環(huán)保性能較好,生產(chǎn)的氫氣純度高,目前而言適用于大規(guī)模制取燃料電池所使用的氫氣原料,也是可實現(xiàn)度最高的氫氣來源。
甲醇裂解和液氨裂解成本較氯堿制氫高50%左右,較化石資源制氫技術(shù)前期投資低、能耗低,較水電解法制氫單位氫成本低。
水電解法制氫成本最高,在2.5~3.5元/Nm3之間,且成本在不斷降低,碳排放量低,且在應(yīng)用水力、潮汐、風(fēng)能的情況下能量轉(zhuǎn)化率高達70%以上。在未來與可再生能源發(fā)電緊密結(jié)合的條件下,水電解法制氫將發(fā)展成為氫氣來源的主流路線。
2)從理論儲備和經(jīng)濟儲備的角度來看,氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的經(jīng)濟儲備能夠滿足長三角地區(qū)對于氫氣的需求,全國范圍來看也儲備充足。我們通過統(tǒng)計氯堿工業(yè)和其他化工原料(天然氣、甲醇、液氨等)的產(chǎn)能,計算了理想情況下氫氣的理論產(chǎn)能和經(jīng)濟產(chǎn)能假設(shè)——
(1)產(chǎn)能利用率為76%;
(2)化工原料和天然氣裂解制氫的部分相當于原有產(chǎn)能的3%;
(3)燃料電池乘用車以豐田Mirai作為數(shù)據(jù)樣本(儲氫量5kg,續(xù)駛里程482km);
(4)燃料電池物流車以E-truck為數(shù)據(jù)樣本(儲氫量7.5kg,續(xù)駛里程400km,載重量4-8噸);
(5)乘用車年行駛里程數(shù)取值1萬公里;
(6)物流車年行駛里程數(shù)取值12萬公里。
我們得出結(jié)論:目前全國范圍內(nèi)的氯堿工業(yè)制取的氫氣相當于76萬噸/年的產(chǎn)能,可供34萬輛燃料電池物流車使用一年,或者可供243萬輛燃料電池乘用車使用一年。
如加上現(xiàn)有天然氣、甲醇、液氨裂解產(chǎn)生氫氣的量,約為202萬噸/年,可滿足90萬輛物流車或648萬輛乘用車一年的氫氣需求量。
我們以目前燃料電池車數(shù)量較集中的江蘇上海一帶作為中心,200km、500km作為半徑,劃定了兩種不同的范圍,分別考慮其產(chǎn)能。
可以發(fā)現(xiàn),在所劃定的200km范圍內(nèi),氯堿副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能可以供14萬輛物流車或99萬輛乘用車使用;在500km范圍內(nèi),氯堿副產(chǎn)氫氣產(chǎn)能可供16萬輛物流車或112萬輛乘用車使用。現(xiàn)階段最佳的制氫和運氫方式搭配為:氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫+氣氫拖車運輸,其氫氣成本范圍在17.9~19.2元/kg。
該氫源路線的選擇主要是基于成本和環(huán)保的角度考慮的。此外,通過測算氫氣作為燃料的經(jīng)濟性,我們得出結(jié)論:如果使氫燃料電池車具有較強的競爭力(百公里耗氫成本較百公里耗油成本低20%以上),則氫氣成本需控制在22.78元/kg以下。
現(xiàn)階段影響我國加氫站終端氫氣售價的主要因素是氫氣成本價格(占70%),其中包括氫氣原材料(50%)、氫氣生產(chǎn)運輸成本(20%)。
因此,要降低我國的氫氣售價,在補貼力度較強的現(xiàn)階段來看,選擇合適的氫源,并降低氫氣運輸與儲藏的成本,是最適當?shù)倪x擇;長遠來看,隨著行業(yè)的發(fā)展和補貼額度的下降,通過提高關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化率水平來降低加氫站的建設(shè)成本則是未來降低氫氣售價的明智之選。
現(xiàn)階段加氫站對運輸距離(<500km,200km為宜)和運輸規(guī)模(10t/d)的需求來看,氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車,其成本可以達到2.3元/kg,而在同等條件下的液氫運輸成本可以達到9.1元/Nm3。
pem水解制氫原理
原理如下
在PEM制氫技術(shù)中,水中的氫離子穿過質(zhì)子交換膜與電子結(jié)合成為氫原子,氫原子相互結(jié)合形成氫分子。
這項技術(shù)使電解槽可以在高電流密度和高壓下工作,適用于使用空間受限的情況下,或用可再生能源發(fā)電制氫時,電量不穩(wěn)定的情況下。
以上就是pem水解制氫工作原理。