新能源设备深度分析:什么才是靠谱的氢能源车?

  • 3个月前发布
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一、氢(H)作为还原剂+氧(O)作为氧化剂,是电池的终极选项

1、化学储能的底层逻辑:氢气的能量密度位居所有化学燃料之首

任何一个氧化还原反应都可以被设计成一个电池,任何一个可逆的氧化还原反应都可以被设计成一个二次电池。160 年前法国人普兰特发明铅酸蓄电池,选择的是铅为还原剂+二氧化铅为氧化剂,理论能量密度仅为 84mAh/g。为了提升电池能量密度,选择含更轻的元素的氧化剂和还原剂去替代铅和二氧化铅是非常有效的方法。

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通过元素周期表可以发现,最左上角的元素氢就是自然界最轻的元素。氢的热值是所有的化石化工燃料和生物燃料中最高的(核燃料除外),约 143 MJ/kg 是汽油热值的 3 倍。如果把氢和氧的组合设计成电池,理论电量密度高达 2978mAh/g,为铅酸电池的 35 倍,为目前量产的锂电池的 12 倍。由于氢氧结合生成水的反应,在室温常压的一般条件下不可逆,因此只能被设计成一次电池。如果加上通电的条件反应则变成可逆反应,也可以理解成电解水制氢是给氢燃料电池充电的过程。

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热值是 1 千克某种固体(气体)燃料完全燃放出的热量,就是不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小。热值也可以理解成物质最初的能量密度,在“南阳水氢机”中含有热值高达 30MJ/KG 的金属铝,这是其燃料电池车能够运行的最初能量来源。

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2、能量利用的底层逻辑:燃料电池能够绕过“卡洛循环”,实现化学能的高效转化

热力学第一定律告诉我们自然界中的能量是守恒的,能量不会凭空产生,也不会凭空消失,从一种形式转变成另外一种形式。热力学第二定律是任何能量都可以互相转换,但是任何转换过程的效率都不可能是 100%。

目前地球上可利用的主要是在煤、石油、天然气中的化学能,蒸汽机和内燃机的发明解决了化学能的利用问题,但两者均不能绕开理想热机“卡洛循环”的能效壁垒,而燃料电池能够通过有序的化学反应实现能源的高效利用。

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燃料电池可越过卡诺循环效率壁垒,转化效率高达 60%~80%,为内燃机的 2~3 倍:传统的内燃机通过燃烧石化燃料无序释放热能,再将释放的热能转变成机械能。燃料电池一步有序将化学能转化为电能。燃料电池不用像内燃机那样通过高温气体对外做功并释放机械能,因此热转换效率不会受卡诺循环的限制,能效高达 60%~80%,为内燃机的 2~3 倍。

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来自电动邦的数据显示,丰田的燃料电池车(FCV-adv)总效率约 40%,高于纯电动33%和混合动力车 34%的总效率,是内燃机车效率(19%)的 2 倍多。

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二、制氢方法众多,制备低成本高质量氢气是推广燃料电池车的关键

1、多种方法均可制备氢气,“南阳水氢机”或采用了铝合金制氢的投机方法

制备氢气的方法较多,主要可分为五种技术路线: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。

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这些制氢方法在氢气纯度、能量转化效率、成本等方面各不相同。只有大规模制备的低成本氢气才有意义,目前大规模工业化应用的主要有天然气制氢、煤制氢、重油加工制氢、甲醇裂解制氢以及电解水制氢等五种。

近年来随着石油价格不断上涨,原有重油制氢装置因原料利用率低,在成本效益上越来越难以体现经济性,众多企业纷纷停止使用。

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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。其中原料来源最多的是天然气,占比达 48%,其次是醇类,占比 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。从日本的制氢产能来看,电解水制氢占比高达 63%,或与日本核电占比较高适合配合电解水工艺制氢相关。

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(1)、石化原料和化工原料制氢是目前的主流制氢方式

天然气蒸汽重整制氢

化石燃料制氢是传统的制氢方法,一般用于制氢的化石燃料是天然气。天然气是一种富含碳氢化合物的可燃气体,主要成分是甲烷(含量大于 85%)、乙烷、丙烷、硫化物、二氧化碳、氮气和水汽等。天然气制氢主要分为天然气蒸气重整法(SMR)制氢、天然气部分氧化(POX)制氢及天然自热重整(ATR)制氢。

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天然气制氢的过程是,在高位高压及催化剂作用下,天然气中烷烃和水蒸汽发生化学反应。转化气经过沸锅换热,进入变换炉变换成 H2和 CO2。再经过换热、冷凝、汽水分离,通过程序控制将气体依序通过装有 3 种特定吸附剂的吸附塔,最后提取产品氢气。

甲醇裂解制氢

甲醇裂解制氢,是甲醇和去离子水按一定的配比混合,加热至 270℃左右的混合物蒸汽。在催化剂(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,发生催化裂解和转化反应,产生氢气和二氧化碳,然后进入水洗吸收塔进行提纯,制备氢气。

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煤气化制氢

以煤为原材料的制氢工艺包括煤焦炉气制氢与煤气化制氢。其中焦炉气制氢由于环保限产,发展停滞。煤气化制氢是煤粉、煤浆或煤焦与气化剂(空气、氧气及水蒸气等)在高温下进行部分氧化(POX)反应,在高温气化炉中生成以 CO、H2 为主的合成气。再经过变换、低温甲醇洗工艺、氢气提纯等工序,得到高纯度的产品氢气。

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煤气化制氢和天然气制氢成本比较低,甲醇裂解的成本较高。目前国内主流的氢气来源是煤制氢约占 60%以上,但由于煤中含硫,氢气纯度较低不适合用于燃料电池。

氯碱制氢

氯碱工业副产品的氢气用于供应给燃料电池作为原料的路线较为常见。氯碱厂以食盐水(NaCl)为原料,采用离子膜或石棉隔膜电解槽生产烧碱 NaOH 和氯气 Cl2,同时可得到 H2氢气 。

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(2)、电解水制氢将来可与可再生能源(风电、光伏)相结合,有望成为未来主流制氢方式

由于燃料电池对的氢气纯电要求较高,可考虑的主要制氢方法主要有氯碱工业副产氢、天然气、甲醇重整产生的氢气,由于以上方法制氢均会产生 CO2 等副产品,失去了零排放的意义。因此,我们认为在可再生能源成本电价持续下降的情况下,可再生能源(风电、光伏)电解水制氢或是我国制氢的主流方式。

电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,分解成 H2 和 O2,没有其他副产品,实现真正的零排放。

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由于纯水难电解,电解水一般都会在酸性或碱性条件中进行,主要反应机理如下:

①碱性条件:

阴极:4H2O+4e-=2H2↑+4OH-

阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑

总反应式:2H2O=2H2↑+ O2↑

②酸性条件:

阳极:2H2O-4e-=O2↑+4H+

阴极:4H++4e-=2H2↑

(3)、高补贴背景下其他制氢法或有投机空间(铝合金制氢、海藻制氢)

2019 年 5 月 23 日,河南《南阳日报》一则关于“青年汽车集团水氢发动机在南阳下线”的报道引起广泛关注。其中涉及的加水制氢的技术,采用了铝或者铝合金制氢的方法。由于工业制铝的方法主要是电解法,用铝制氢,再用氢发电,能源利用效率势必较低,不具备大规模推广的经济性,这种方法是高补贴背景下的畸形产物。

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铝及其合金制氢

铝在地壳中含量仅次于氧和硅,占整个地壳总重量的 7.45%,是地壳中含量最丰富的金属。铝的密度仅为 2700kg/m3,能量密度高达 30MJ/Kg,是一种很有前景的储能材料。

由于铝的化学性质活泼,常温下就能在溶液中发生自腐蚀析氢反应。但铝在被氧化时,表面形成一层致密的氧化膜,将会阻止其水解反应。通过改性的方法可改善铝水解制氢的反应过程,其中效率最高的是通过制备铝基合金来水解制氢。目前的铝基合金主要有铝锡合金、铝铟合金、铝铋合金、铝锶合金、铝镓合金和铝锂合金。由于其他金属主要起到掺杂的作用,制氢的核心反应为 2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑。如果是纯铝,反应速率较慢,可考虑加入烧碱加快制氢速率2Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2↑。

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海藻制氢

2011 年,伊夫塔克·雅克比(Iftach Yacoby)关于海藻制氢的研究报告发表在美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。

研究表明许多藻类、细菌及水生物都可以通过吸收光能来分解水分子,从而释放氢气。藻类产生的氢气只是一种副产物,产量很少。但如果向海藻生存的环境中加入一种酶,便可抑制海藻的产糖量,从而使得氢气的产量得到提升。经过研究,他们发现加入指定酶后,海藻所产生的氢气总量增加了 4 倍。

这项研究的领导人、美国麻省理工学院(MIT)生物医学工程中心副主任张曙光(Shuguang Zhang)说:“这一研究过程有很大可能实现产业化”,“你必须懂得这一过程所产生的实用价值,从而将氢燃料生产发展到商业规模,这只是时间和金钱的问题”。

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2、氢气终端价格过高,燃料电池车运行成本不及锂电池车

(1)可再生能源电解水制氢,有望成为未来我国的制氢路线

制氢的成本可以分为两部分,分别为初始投资的固定成本及原材料等变动成本。其中固定成本主要是制氢装置的投资成本及管理费用,变动成本包括制备氢气过程中消耗的原材料费用、电能及动力煤费用、设备维修及保养费用等。由于天然气、甲醇和煤制氢固定成本占比均较小,下面主要是分解各项技术的变动成本。

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天然气制氢成本中,天然气原材料成本占比达 82.4%。天然气蒸汽重整制氢工艺需要使用原料天然气(也作为燃料),同时在制氢过程中会消耗去离子水、冷却水、电能等,这些资源费用即构成了天然气制氢的变动成本。按照设计产能每年运营 8000 小时,则年产氢 4.22 亿立方,电价按照工业用电 0.73 元/kwh,天然气按照 3.2 元/立方,则天然气制氢的单位成本为 1.5 元(16.6元/kg)。

甲醇裂解制氢中,甲醇原材料成本占比达90.8%。甲醇裂解制氢适合于中小规模制氢,与大规模天然气制氢相比其投资小,能耗低,工艺流程简单,易于操作。甲醇裂解制氢的过程中会消耗原材料甲醇、脱盐水、动力煤及电能等。2000 Nm3/h 规模甲醇制氢项目的标准工况下,按照年设计产量及甲醇、煤炭与电力的价格,计算可得甲醇制氢的单位成本为 2.2 元/立方(24.3元/kg)。

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煤气化制氢成本中,煤原材料成本占比 48%。相比其他制氢工艺,煤气化制氢的规模效应更显著。煤气化制氢项目多采用煤气化半氧化(POX)工艺,考虑制备 1m3 氢气消耗 755g 煤炭、0.4m3氧气、0.05kwh 的电能,计算可得煤气化制氢的单位成本约为 1 元/立方(11.2 元/kg)。

电解水制氢成本中,电能占比成本 77%。电解水制氢制备工艺简单,氢气纯度高,规模经济效应较弱。一般适合于中小规模制氢。电解水制氢的消耗主要为电力,根据当前的技术水平,每立方氢气的电力消耗为 4.4KWh,水消耗 0.81kg,工业用水价格按 4.1 元/吨计算。按设计产量 2000 标准立方米计算,年运行 8000 小时,则单位氢气的固定成本为 0.82 元/m3,电力价格按照 0.73 元/KWh,总成本约 3.3 元/m3(约 37 元/kg)。

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可再生能源发电与电解水配合,或将大幅降低制氢成本。虽然目前电解水制氢的成本很高,但其可变成本中电价的弹性比其他工业品的价格弹性更大。当前,电解水制氢成本主要来源于用电成本,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。考虑到可再生能源还有弃风弃电的情况,这些低成本的电力如果被利用,可大幅降低电解水制氢的成本。此外,我国电解水设备规模较小,规模化后还有一定的降成本空间。

“南阳水氢机”制氢成本或高达160元/kg。基于反应方程式 2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑,可得理论上 54g 铝能够制备得到 6g 氢气。按目前铝 17.8 元/kg 计算,不考虑副产品回收,不考虑装置和固定资产投入,制备得到的氢气成本至少为 160 元/kg,暂时没有车用氢气规模推广的意义,可考虑在某些一次性应急设备上安装该装置。

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(2)氢气使用价格需从约 16 美元/kg 降至 10 美元/kg 以下,燃料电池车才具备经济性

由于氢气和其他大宗商品相比使用量仍然较低,目前没有形成标准的标价体系。根据中安咨询的市场调研情况,国内氢气价格在 40~50 元/kg 左右,海外氢气价格在 7 美元/kg 左右。

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日本、美国氢气使用终端价格高达 15 美元~17 美元/kg。由于氢气出厂后还要压缩运输等一些列过程,因此氢气实际终端售价远高于制造成本价。基于网页图片资料,在美国加州某加氢站加氢的价格为售价 16.63 美元/KG(113 元/KG)。在日本燃料电池网站上氢气价格为 150 日元/m3,约 1.37 美元/m3,每公斤的价格约 15.68 美元,相当于 107 元/kg。

2017年,空气产品(Air Products)公司氢能系统全球业务总监 Ed Kiczek 表示:“我们在加氢站技术以及氢气输送领域的几项革新将氢气价格降至了每千克 10 美元以下。这我们目前看到的最便宜的终端氢气售价。

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我国氢气终端售价为 70 元/kg。下图为上海某加氢站的加氢机,加氢 4.03Kg,总价 282 元,氢气的零售价在 70 元/Kg。国内加氢价格低于海外,或是因为有补贴的原因。氢气运输成本中,原料回收 10 元,提纯压缩费用(视气源种类及压缩的压力所定)10 元,运输 10 元;加上一定利润,进入加氢站的价格是 40 元/公斤(35-45 元/公斤是当前主流的氢气到站价格)。再加上加氢站的服务费用,终端用户用氢价格通常都在 60 元/公斤以上。

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按海外技术水平氢燃料电池运行成本与燃油车相当,但远大于锂电池车

按 5 月 26 日上海汽油价 7.09-7.55 元/L,电价 0.617-0.977 元/KWh,氢价 60-70 元/kg 测算,按海外燃料电池车技术水平,百公里氢耗为 1kg ,其行驶成本可与汽油车差不多,但远高于锂电池车。国内水平燃料电池车,每百公里耗氢量约为 2.8-3.1kg,约为 180 元-210 元/100km,运行成本远大于燃油车。

如果燃料电池车运行成本要追平锂电池车,百公里氢耗需降低 80%-90%,或者氢气价格降低 80%-90%至 7 元-14 元/kg。

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三、燃料电池堆制造成本和性能,决定购置燃料电池车的经济性

1、燃料电池堆成本至 1000 元/KW 以下,有望实现大规模推广

燃料电池车未能大范围推广,主要是燃料电池堆成本太高。来自美国能源部的测算,2013年,大功率燃料电池系统价格已经下降至 55 美元/kW,相比 2008 年的成本下降了 30%,相比2002 年的成本下降了 80%。2010 年前,催化剂铂的密度下降对电池成本下降有显著的效果,但 2011 年后,铂密度下降到极限,未来如果要达到 30 美元/KW 的目标成本仍有难度。

我们可以看到,燃料电池系统成本中,加氢站和电池堆的成本不相上下,而电池堆中有主要以催化剂铂的成本为重。下图分别是基于年产 1000 套燃料和 50000 套燃料电池的成本分解图。

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可以看到,燃料电池在大规模工业化生产后,可显著降低的是辅助燃料电池的配件、膜组件、气体扩散装置等的成本,但是催化剂的成本不会受规模化效应的影响而下降,由于其他组件成本下降,催化剂成本不变,从而导致催化剂的成本占比出现大幅增加,从 16%增加到了 49%。

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我们认为铂催化剂的成本的高低将成为决定燃料电池成本的核心因素,将成为燃料电池推广不可回避的问题。如果未来 PEMFC 电池组大规模商业化并与内燃机汽车竞争,其成本需要降低到 50 美元/KW,有效降低电极、电解质膜和双极板的成本是降低燃料电池组成本的关键。

氢燃料电池车的成本中,燃料电池系统占据整车成本的 51%,其次还有储氢罐占总成本的16%。而电池系统中,电池堆的成本占比最高达 61%。

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我国燃料电池车核心部件燃料电池电堆主要还是需要外购,基于高工锂电给出的我国某公司燃料电池车成本拆分,可以推算出我国使用的燃料电池系统成本约 1 万元/kw,距离目标 1000元/KW 以下,

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