2019年氢能资源及制氢技术分析报告

2019DODODDDODODDOD摘要：本研究从氢能资源、技术成熟度等角度，分析了化石燃料制氢、工业副产氢、可再生能源制氢等多种制氢方式的氢能供应潜力。通过比较各种制氢方式的资源储备和技术情况，认为选择氢气产物纯度较高的焦炉煤气、氯碱工业副产氢路线，在现阶段已经可以满足下游燃料电池汽车运营的氢气需求；在未来氢能产业链进一步发展完善的前提下，利用太阳能、风能等可再生能源制氢有望成为终极解决方案。关键词：化石燃料工业副产氢可再生能源一工业用氢供需现状分析从全球来看，目前的制氢原料96%来源于传统能源的化学重整（48%来自天然气重整，3O%来自石油化工产品重整」8%来自焦炉煤气），4%来源于电解水（见图1）。图1全球工业用氢来源制氢方法种类繁多，但目前是以化石能源制氢为主。2015年全国共消耗1800万吨氢气，其中煤基制氢（包括煤气化、焦化、煤化工副产氢等）产量约为1200万吨，天然气及石油基制氢约360万吨，电解水制氢约为8万吨，氯碱副产氢约95万吨（见图2）。氢气的应用领域很广，目前用氢量最大的是石油化工行业。2015年，我国消耗的全部800万吨氢气中，约55%用于合成氨，27%用于制甲醇，10%用于石油炼制，6%用于煤制油；其他如电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细化工和有机合成、航空航天工业等领域也有应用，但占总用氢量的比例较低。煤基制氢

66.67%图2我国工业用氢来源二化石燃料制氢现状分析从资源储量上看，我国是相对富煤的国家，煤炭预测资源量约为59万亿吨，探明储量13万亿吨，制氢潜力巨大。煤制氢技术主要包括煤的焦化制氢和煤气化制氢两种，目前以煤气化制氢为主。国内煤制氢产业发展成熟，仅国家能源集团一家企业的煤制氢能力已经达到45亿m3/年。但是，煤制氢最大的缺点是在生产过程中会产生大量CO2不利于环境保护和温室气体排放的控制。如何有效发展co2的捕集和存贮技术将是煤制氢产业未来发展需要解决的关键问题；天然气重整制氢（SMR）是目前各国应用广泛的制氢技术，经过9多年的工艺改进，已发展为成熟的制氢工艺。从资源上看，截至20年礁，全国累计探明天然气地质储量1.朝亿m3,剩余技术可采储量544万亿m3,剩余经济可采储量393万亿m3,储采比39，发展天然气重整制氢具备基础条件。三工业副产氢的现状及潜力分析氯碱厂、焦化厂和钢铁厂的尾气中富含氢，这部分氢气被称为工业副产氢，可通过变压吸附技术制取高纯度氢气进而实现循环利用。目前，大部分工业副产氢经纯化处理后均能满足各行业的需要。（一）氯碱工业副产氢工业上常见的烧碱工艺是电解食盐水，在这个过程中会同时产生氢气。根据氯碱平衡表，烧碱与氢气的产量配比为40：1,也就是说，每生产1吨烧碱，副产约27Wm氢气。根据我国2003201年烧碱产量，下文估算了副产氢的产量，如图3所示。另据统计，我国氯碱企业的氢气放空率高达30660%以201年为例，我国烧碱产量达到328万吨，副产氢约89亿Nm推算全国氢气放空量至少为27亿NmO仅考虑这部分副产氢，理论上就可满足152万辆燃料电池乘用车的使用需求。（二）焦炉煤气副产氢焦炉煤气是煤焦化过程中得到的可燃气体，焦炉煤气中氢的含产量T一画产量加图3全国烧碱产量及副产氢量估计量在5饶以上，每1吨焦炭可提取约42颔m3焦炉气，而变压吸附技术可以从焦炉气中提取高纯度氢气，通常每1m3的焦炉煤气可制取约04由3的氢气。这种制氢路径的成本相对较低，只相当于电解水制氢成本的2窿〜3%。根据我国焦炭产量，估算我国副产氢的产量，如图4所示。以20单为例，副产氢约为841亿Nm3,合75万吨。我国是世界第一大焦炭生产国。分区域来看，华北地区是我国目前最大的焦炭生产区，20年焦炭产量为1651用吨，占同期全国产量的3.%；华东地区焦炭产量为95.万吨，占总量的2B%；西北地区焦炭产量为6996吨，占总量的13%（见图5）。分省份来看，我国焦炭主产区为山西、河北、山东、陕西、河南、内蒙古、江苏和辽宁等省份，焦炭年产量均在2000万吨以上，副产氢量超过00亿N∏3,合543万吨。但需要注意的是，焦炉煤气是炼焦过程中的副产物，除含有大图4我国焦炭产量与对应副产氢量21.30%图5分区域焦炭产量量氢气、甲烷外，还有苯族化合物、萘、有机硫、无机硫、氮氧化合物、氨、焦油等其他微量组分，这些组分我们通常称为杂质。以宝钢集团焦炉煤气为例，其主要成分详见表1和表2。表1焦炉煤气主要体积组成百分比单位：%组成含量组成含量H2523〜5.56Co22CH42.71〜354CH2.8Co7.5nmo20.1N 2 49HO饱和表2焦炉煤气中杂质含量平均值（标况）单位：mg∕m3杂质含量平均值杂质含量平均值HS<200有机硫<200焦油<50萘<200HCN<150NH3<100含苯）轻油份<2000吸收油雾<20〜300（三）氢气纯化技术目前，大部分的工业副产氢和富氢工业尾气经纯化处理后就能满足行业需要。氢气的纯化方法主要有五种，分别为低温分离法、膜分离法、催化反应法、金属氧化物法和变压吸附法。变压吸附法是将多种来源含氢气体中的杂质取出，经过提纯，氢纯度可达9.%以上。变压吸附法也是目前主要的氢能提纯技术，提纯氢气的纯度高，技术也比较成熟。PSA适用于多种氢源的净化提纯，既适用于煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢、石油裂解制氢等化石燃料制氢的净化提纯，也适用于从合成氨厂的变换气、驰放气、甲醇生产驰放气、石油精炼气、焦煤炉气、三氯氢硅合成炉气、多晶硅还原尾气和多种富氢混合气(气的质量百分比大于2%,压力大于O.MR)等工业生产过程含氢排放气中提纯氢。该工艺的原理为：多种含氢(HJ混合气体进入变压吸附装置吸附塔后，利用吸附床内吸附剂对混合气体中各组分的吸附能力随压力发生改变而呈现差异，加压时吸附原料气中的杂质，不易吸附的组分——氢从吸附床出口端作为产品输出，减压时吸附的杂质组分脱附解吸，同时吸附剂获得再生。一般采用至少四个吸附床循环操作，以实现产品氢连续输出。该工艺可以实现氢气纯度达到9%〜9.9%3(V),可以满足氢燃料电池技术的应用。宝钢已投产的焦炉煤气变压吸附制氢工艺中，产品氢气纯度≥9999%(,能够满足氢燃料电池的使用需求。在焦炉煤气PSA制氢方面已有很多工业实践。国内大型PSA制氢以四川天一科技股份有限公司、上海华西化工科技有限公司、四川亚联高科技股份有限公司和四川天采科技有限公司、成都华西化工科技股份有限公司、成都天立化工科技有限公司等企业为主。随着氢气的应用领域越来越广，PSA制氢装置规模将向小型化和大型化两端突破，每小时产氢1〜1觥3的微小型装置和每小时产氢超过4万m3的大型装置成为发展趋势。近几年来，较大型制氢装置主要有河南首创化工有限公司3万Nm3/h焦炉煤气PSA制氢装置、青海盐湖集团7万Nm≡∕h焦炉煤气PSA制氢装置、黑龙江建龙化工46万Nm3/h焦炉煤气PSA制氢装置等，其他已建焦炉煤气PSA制氢装置产氢规模多在3OCNm3/h以下。（四）副产氢支撑燃料电池汽车发展潜力分析按照表3中的参数假定目前仅氯碱副产氢就可以支撑52万辆乘用车或4万辆公交车的运行，而氯碱工业和焦炉煤气共计可支撑4952万辆乘用车或14万辆燃料电池公交车的运行。表3燃料电池乘用车与公交车百公里氢耗与年均行驶里程车型百公里氢耗（kg∕10电）k年均行驶里程（kn）乘用车10玮田、本田、现代三款平均）15000公交车1B660000四可再生能源制氢的现状及潜力分析（一）“弃风”电解水制氢潜力分析前几年，我国“弃风”现象比较严重。20142016年，部分地区“弃风”现象还呈增加趋势。201年，全国累计弃风电量9亿kWh,弃风率5睨2016年全年各主要省份弃风量及弃风率如表4所示。表4我国各主要省份弃风量单位：kWh,%省份弃风率弃风量甘肃43104新疆38137续表省份弃风率弃风量吉林3029内蒙古21124黑龙江1920辽宁1319宁夏1319河北922山西914陕西72云南46按照电解水制氢能耗48Wh/Nm3计算，我国20年的弃风资源制氢能力为105亿Nm3。（二）“弃光”电解水制氢潜力分析20年6全国太阳能累计装机容量774万2WW,位居全球第一，占国内全部发电装机容量的47%。发电总量前十的省份及发电量如表5所示。表5全国太阳能发电前十省份及发电量单位：万kWh省份发电量新疆934甘肃686青海682内蒙古638续表不过，虽然装机量增长迅速，但是“弃光”问题依然存在。20年6全国累计弃光电量为7亿Mh,较上年增加了8窿。尤其是西部地区“弃光”现象尤为突出，陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆等西北五省份弃光电量为7a2乙kWh,占全国“弃光”总量的9.%。按照20年全国“弃光”数量计算，通过电解水制氢的潜力为1a亿Nm3。（三）“弃水”电解水制氢潜力分析截至20年6底，我国水电装机容量332乙kW,位居世界第一，占国内全部发电装机容量的22%。全国十大水电省份是：四川72万6kW、云南60万6kW、湖北36万3kW、贵州2089万kW、广西16万3断、湖南15M3kW、广东14万0驯、福建13万4驯、青海11万2kW、浙江115万4kWo从地理因素考虑，我国水能资源分布不均，呈现“西部多东部少”的特点。西南地区的四川、云南作为水能资源大省，2016年水电发电量占全国总发电量的89%,在我国发电领域占据着不容忽视的地位，但与此同时，两省弃水量正持续攀升。根据国家“十二五”期间公布的统计数据，四川省和云南省弃水量分别达到30亿Mh和41亿kWh。而据20年初步统计，两省弃水量之和更是达到了惊人的50亿kWh左右，这一数字相当于整个北京全年用电总量的5%。西南地区弃水问题在“十三五”期间将愈演愈烈已成为业内人士的普遍共识。按照2016年四川、云南的弃水量计算，通过电解水制氢的潜力为104亿Nm3,足够支撑595万辆燃料电池乘用车或4万辆燃料电池公交车运行。（四）“弃核”电解水制氢潜力分析按发电能力计算，全国核电机组2016年全年可发电2428亿度，但在实际生产中，由于存在各种限制因素，实际仅完成计划电量1829亿度，参与市场交易消纳37亿度，总计损失电量62亿度，弃核率达19%相当于近7台核电机组全年停运。与其他发电方式有所不同的是，核电机组需要定期更换燃料以维持设备正常运行，而核燃料中最重要的原材料之一天然铀属于国家战略资源，出现减载和停备等情况可能使核燃料未经充分利用就遭到废弃，这不但浪费了宝贵资源，而且使废料处理的难度和成本增加。因此，核电消纳也面临很大压力。按照2016年弃核量计算，通过电解水制氢的潜力为96亿Nm（五）生物质制氢潜力分析我国生物质产量丰富。据统计，全国每年约有相当于46亿吨标准煤供热潜力的农作物秸秆、农产品加工剩余物、林业剩余物、能源作物及生活垃圾与有机废弃物等生物质可作为能源利用。然而，我国生物质能总体仍处于发展初期，这部分资源未来实现有效利用的空间十分广阔。（六）电解水制氢技术及产业化情况电解槽技术主要有碱性水电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物水电解槽。电解水制氢是通过输入电能将水分解为氢气和氧气的过程。电解过程的关键设备之一是电解槽，其组成主要分为三部分，分别是电解池内的电解质、隔膜以及沉浸在电解液中成对的电极。电解槽的发展过程是电极和隔膜材料的改善，以及电槽结构改进的过程。在目前的电解水制氢装置中主要采用碱性水电解槽、质子交换膜（PEM）电解槽和固体氧化物（SoE）电解槽，不同电解水技术对比如表6所示。表6不同电解水技术对比参数碱性水电解PEM^SOE⅛解设备制氢能力（Nm3∕h1000400实验室阶段效率（%）5异657K798390成本元）558075097F04700寿命（h）6000900000 2003600000 <1000技术成熟度成熟早期市场导入研发碱性水电解制氢装置目前已经大批量生产。目前，我国电解水装置的安装总量在15卜。0套Q电解水制氢产量约9亿m/年，碱性电解水技术占绝对主导地位。目前，国内碱性电解水设备的单台产能最大可达1QQ3Q/ɪh,电解水设备制造厂家主要有中国船舶重工集团公司第七一八研究所、天津市大陆制氢设备有限公司及苏州竞力制氢设备有限公司等。在PEM电