寫稿
投稿
在10月26日舉辦的“2021中日韓氫能產業(yè)高峰論壇”上，江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司戰(zhàn)略總監(jiān)魏蔚發(fā)表了主題為“液氫工廠發(fā)展前景與產業(yè)解決方案”的演講。他從液氫產業(yè)前景、低能耗液氫開發(fā)、長距離液氫儲運方法和產業(yè)解決方案四個方面進行了講解。
江蘇國富氫能技術裝備股份有限公司戰(zhàn)略總監(jiān)魏蔚
一、雙碳目標下中國液氫產業(yè)前景廣闊
作為能源消費大國，我國石油、天然氣高度依賴進口，已危及國家能源安全。而發(fā)展氫能，能一舉解決我國能源體系的問題。氫能源由于各種優(yōu)越特性，被認為是未來社會的“終極能源”，歐美發(fā)達國家均予以高度重視，我國也從國家戰(zhàn)略高度定位了氫能源產業(yè)。2021年9月22日，中共中央國務院發(fā)布《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，提出非化石能源消費比重2030年達到25％左右，2060年達到80％以上，要深度調整產業(yè)結構，加快構建清潔低碳安全高效能源體系，加快推進低碳交通運輸體系建設。魏蔚認為，在雙碳目標下，中國液氮產業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，主要體現為以下三方面：
2030實現碳達峰給制氫產業(yè)帶來了機遇。要實現2030年碳達峰需要減少10億噸標煤的規(guī)模，按照12億千瓦可再生能源發(fā)電，2500h/年平均發(fā)電量可解決9億噸標煤。其余的1億噸標煤需要1000萬噸綠氫來解決，即可再生能源電解水制氫能力達到3.5萬噸/天，需要電解槽裝機規(guī)模40GW。光伏實際發(fā)電量只有理論發(fā)電量的70%，上網率只有90%，而采用PEM制氫技術理論發(fā)電量的所有電力都可用于制氫。到2030年，我國可再生能源發(fā)電成本預計可降到0.1元/KWh，制氫成本降至1.45元/kg，極具競爭力。
綠氫固碳減排給液氫產業(yè)帶來了市場機遇。要實現2030年碳達峰需要的1000萬噸綠氫，如果有15%是液氫運輸，則一天要生產出4500噸液氫，需要30噸的液氫工廠，150座左右。氫能產業(yè)鏈跟天然氣產業(yè)鏈非常相似，包括它的生產運輸和終端應用環(huán)節(jié)。因此目前天然氣的發(fā)展路徑可以作為氫能產業(yè)未來發(fā)展的借鑒。我國目前一年有2.5億噸的天然氣消費，其中接近30%是液化天然氣消費。那么我國液氫未來10年成熟之后，市場上將有15%以上的液氫消費。中國目前有200座左右液化天然氣工廠，那么未來有上百座液氫工廠也是能達到的，而這些綠氫會有80%用在能源、石油、化工和鋼鐵領域來實現能源和工業(yè)的重要減排，大概只有20%左右會用在交通領域。
中國燃料電池汽車及加氫站數量快速增長。到2020年，全球燃料電池汽車保有量32535輛，中國保有量7325輛，居全球第三。2020年中國增加1177輛，增量全球第一。截至2020年底，全球建成對外運營的加氫站527座，中國居全球第三。2020年中國增加49座加氫站，增量全球第一。截至2021年7月1日，中國累計建成146座加氫站，其中136座已投入運營，待運營的有10座，另有188座在建或規(guī)劃中。按照2020年發(fā)布的《新能源汽車技術路線圖2.0》，到2030年燃料電池汽車將達到100萬輛，加氫站超過5000座。參考我國近萬座天然氣加氣站的市場，其中LNG和L-CNG加氣站占比約40%?？紤]到液氫重卡配套和70MPa加氫需求，未來液氫儲氫加氫站占比將不少于30%。
二、開發(fā)大規(guī)模低能耗液氫技術
如何開發(fā)大規(guī)模的低能耗液氫技術呢？魏蔚認為，借鑒美、歐、日、澳等國液氫產業(yè)的發(fā)展經驗，我們應建立大規(guī)模的綠氫液化工廠，在規(guī)模效益下，氫液化能耗和成本會大幅下降，同時規(guī)模擴大也會帶來技術路線和工藝流程的優(yōu)化，從而降低液化能耗。
規(guī)模是決定氫液化能耗和成本的關鍵因素。對于液氫工廠來說，若規(guī)模只有2噸/天及以下，氫液化的能耗會超過每公斤20度電，而當液氫工廠的規(guī)模增加到50噸/天時，能耗就可降到每公斤8~9度電。若規(guī)模擴大到每天150噸/天時，液化能耗可降到每公斤6度電。液氫工廠的液化總成本包括固定投資成本和運行成本，總成本會隨著規(guī)模的上升而逐漸下降。
技術路線和工藝流程優(yōu)化帶來能耗降低。隨著規(guī)模的擴大，氫液化的技術路線和工藝流程都會相應帶來優(yōu)化。隨著氫液化規(guī)模的擴大，采用基于氫膨脹制冷的改進型Claude循環(huán)系統可明顯提升?效率。能源石化行業(yè)中，LNG、LEG、LPG、乙烯等有大量低溫冷能，丙烷脫氫副產氫冷能利用來液化可大幅降低氫液化能耗。數據顯示，100噸/天規(guī)模的氫液化成本僅為5噸/天規(guī)模的35%。當規(guī)模擴大至50噸/天時，采用氨膨脹預冷和MRC預冷比LN2預冷循環(huán)的能耗低，當規(guī)模擴大至100噸/天時能耗降低更顯著。
美、歐、日、澳等國液氫產業(yè)的發(fā)展趨勢借鑒。美國、歐洲、日本、澳大利亞等國家，液氫產業(yè)已經有了長足的發(fā)展。以美國為例，美國占有全球80%以上的液氫生產市場，其液氫出廠價只有2.5~4美元/千克，即17~27.5元人民幣/千克。美國2018年后新建的液氫工廠，最小的規(guī)模也是30噸/天，大的甚至到100噸/天。澳大利亞也正在由液化天然氣出口大國轉型為液氫出口大國。而今年10月14號，美國知名的納斯達克上市公司，全球領先的氫燃料電池交鑰匙工程整體解決方案企業(yè)PLUG POWER，以液氫作為唯一的儲運技術，已建成超百座的液氫加氫站，日消耗液氫40噸，服務3萬輛燃料電池叉車。這家企業(yè)的規(guī)劃是在2022年底建設4座液氫工廠，每天生產液氫200噸，到2025年底建成6座液氫工廠，生產每天液氫500噸。到2025年底，將在美國各地建設13座風能和太陽能工廠，以支持大規(guī)模綠氫的生產和綠氫的液化。為達成這一目標，PLUG POWER收購了一家領先的低溫液化技術公司Applied Cryo Technologies，及一家電解水制氫企業(yè)。美國PLUG POWER的發(fā)展路徑可作為我們未來對標和發(fā)展的對象。借鑒中國液化天然氣產業(yè)的經驗，未來我們要發(fā)展的是綠氫的液化工廠，而且是大規(guī)模的綠氫液化工廠。而中國液化天然氣的進口比例非常高，跟澳大利亞相比，中國的液化天然氣成本之所以高，是因為工廠多、規(guī)模小，產能很少超過百萬噸，而澳大利亞的液化天然氣產線都在四五百萬噸，甚至上千萬噸的規(guī)模，所以說澳大利亞的液化天然氣能耗低。因此，我們在液化天然氣產業(yè)鏈所走的彎路不要再走了。
因此，未來中國的液氫產業(yè)鏈早期采用大規(guī)模的化石燃料制氫。隨著可再生能源發(fā)電成本的降低，電解水制氫具備了經濟性之后，2GW的光伏裝機就可以支持一個百噸級的綠氫制氫和液化工廠。隨著海上風電和液化平臺技術的發(fā)展，可以實現大規(guī)模的海上液氫工廠。那么在實現大規(guī)模的綠氫生產之后，如何實現長距離的綠氫液化和儲運呢？
三、實現長距離綠氫液化和儲運
魏蔚認為，發(fā)展海上風電制氫和液氫罐箱多式聯運是實現長距離綠氫液化和儲運的關鍵。
我國大規(guī)模可再生能源制氫，一是西北部的光伏制氫，二是海上制氫?？稍偕茉丛陉懙厣系霓D移路徑是高壓槽罐拖車、液氫公路鐵路運輸及氫氣管網。西北的光伏風電和沿海的海上風電電解水制氫之后，通過高壓槽罐拖車就近消納，或通過液氫公路和鐵路罐箱運輸到液氫儲氫型加氫站或汽化站，或者通過氫氣管網實現氫進萬家。液氫既可以在終端進入到加氫站為各種車輛加氫，也可以為工業(yè)特種氣體用戶提供重要的工業(yè)原料。
發(fā)展液氫的能效性和經濟性的邏輯在于，一是液氫工廠的能耗是隨著規(guī)模的擴大而不斷大幅度降低的。二是把氫氣液化是最高密度的儲氫和最高效的運輸方式。液氫罐箱車單次運輸2.5-3噸，是20MPa長管拖車的6-8倍，且運輸車的自重降低30%左右，因此液氫的百公里運輸費用只有20MPa長管拖車的10%-15%。三是氫的純度更高。液氫零下253度的低溫，使得它的氣化具有最高的純度和最優(yōu)秀的品質，可以全產業(yè)鏈到終端都獲得超純氫，更有利于燃料電池和高端制造業(yè)。四是液氫在電解水制氫的氫源地液化電費更低。到了下游終端使用時可節(jié)省在加氫站使用時的電費，相當于比氣態(tài)氫攜帶了更多廉價的綠電。在加氫站，液氫泵加注70MPa的綜合能耗不超過2KWh/kg，比氣氫加注綜合能耗（35MPa下，3-4KWh/kg；70MPa下，6-8KWh/kg）低，能耗優(yōu)勢明顯。此外，液氫能實現對加氫速度的提升，對安全性的提升，對70MPaIV型瓶的保護，這一點也是非常重要的。
海上風電發(fā)展和海上綠氫的生產和儲運是最近幾年的重要發(fā)展趨勢。海面平坦風速大，年工作小時數長，土地費用低，沿海地區(qū)棄電率低。2020年底中國海上風電裝機9GW，總量全球第二，增速全球第一。近海風電可以通過電纜上岸，也可以通過制氫和氫氣管道上岸。若是中遠海就只能通過氫氣的低溫液化，或者與氮氣、空氣合成液氨，通過液氫船或罐式集裝箱進行聯運。像中船集團、三峽能源等企業(yè)已開始海上風電制氫項目示范，而全球知名的海上風電廠商，通用電氣、維斯塔斯、西門子歌美颯、中國海裝、明陽智能等，其海上風電單機裝機已經突破10兆瓦。
液氫船配送到陸地各地的運輸方式，中間需要經過多次液氫轉注環(huán)節(jié)，每多一次轉注，就多一次空氣進入液氫系統形成固體顆粒物的風險，同時每次轉注都需要浪費一定量的氫氣進行吹掃。只有在液氫進入超大規(guī)模應用，液氫船運輸才具備經濟性。
液氫罐箱多式聯運，不僅可以海上運輸和公路運輸，還可以直接放置在加氫站和汽化站作為固定容器使用，實現了液氫從生產工廠直接到用戶，最多可以減少三次轉注。開發(fā)液氫罐箱多式聯運，比液氫運輸船和液氫海上接收站技術容易解決。
液氫罐箱比液氫罐車的公路運輸更加安全。由于罐箱堆碼的要求，液氫罐箱必須有框架的保護，因此在公路運輸時，即使出現追尾、碰撞翻車等交通事故，液氫罐箱仍能在框架的保護下確保不損壞和泄露，從而大大提升安全性。而罐車由于沒有剛性框架的保護，一旦發(fā)生追尾、碰撞，很容易發(fā)生泄露和二次燃燒爆炸。提升裝備的安全性可以減少事故發(fā)生的概率，這對于液氮產業(yè)的健康快速發(fā)展具有重要意義。發(fā)展液氫罐箱的多式聯運，可以加快液氫應用推廣，同時推動海上風電制綠氫液化長距離儲運的快速產業(yè)化。2021年10月24日，中共中央、國務院印發(fā)的《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中指出，要大力發(fā)展多式聯運。
四、國富氫能綠氫全產業(yè)鏈裝備解決方案
最后，魏蔚表示，國富氫能作為綠氫全產業(yè)鏈裝備解決方案的提供商，不僅在加氫站成套設備和車載供氫系統領域，已經在國內具有較高的市場占有率，為中國提供了60多座加氫站的成套設備和4500多輛燃料電池汽車的供電系統，同時還在8~30噸的氫液化裝置、液氫儲運容器、液氫罐箱，及500KW電解槽和電解水制氫裝置這個產業(yè)鏈上全產業(yè)鏈布局。
公司自主設計的8-10噸/天的氫液化裝置即將完工出廠。2022年上半年完成工廠的安裝調試，具備生產液氫的硬性條件，而多式聯運的ISO液氫罐式集裝箱，已完成建造并進行低溫性能試驗，液氫的靜態(tài)蒸發(fā)率不超過每天0.7%，可以確保15天以上的儲存和不排放維持時間。
為支持山東省“氫進萬家”項目和發(fā)展山東的氫能產業(yè)，今年5月國富氫能與合作伙伴聯合成立了齊魯氫能發(fā)展有限公司，規(guī)劃了液氫高壓氫以及副產干冰的氫能一體化項目。其中一期規(guī)劃液氫產能10噸/天，在2022年達產二期，產能30噸/天，項目建設期2021年-2023年。未來，齊魯氫能的發(fā)展定位是打造液氫工程設計、建造和運營服務能力，成為山東省液氫龍頭企業(yè)和中國首家最有影響力的液氫化工程綜合解決方案供應商。
