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燃料電池車市場潛力大 談?wù)剼錃庵圃旒夹g(shù)和加氫設(shè)施建設(shè)

據(jù)日經(jīng)BP綠色技術(shù)研究所預(yù)測,隨著燃料電池汽車(FCV)的技術(shù)提升及迅速普及,氫氣為能源基礎(chǔ)的全球市場規(guī)模2020年將達(dá)到1000億美元,2030年接近4000億美元,2050年接近16000億美元。氫氣的制備技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不僅具備龐大的市場潛力,同時對FCV的綜合效率及排放具有巨大影響。下文將對氫氣制備及加氫站現(xiàn)狀做詳細(xì)介紹。

圖1 2015-2020年氫氣能源市場預(yù)測

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數(shù)據(jù)源:日經(jīng)BP綠色技術(shù)研究所

1.氫氣制備

氫氣獲取源可分為三類。第一是工業(yè)副產(chǎn)物,即燒堿(NaOH)、鋼鐵及石油制煉產(chǎn)生的副產(chǎn)物。第二是通過化石燃料改質(zhì)及電解水直接生產(chǎn)氫氣。第三類是碘硫反應(yīng)(IS)及光觸媒等未來技術(shù)。各類氫氣制備的特性見表1。

表1各類制氫方式特性

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工業(yè)副產(chǎn)物取氫為主要來源,技術(shù)成熟,但純度低、環(huán)保性差,受產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模及技術(shù)升級的影響大。焦炭水蒸氣還原以及石油精煉過程中的石腦油等有機(jī)物分解均會產(chǎn)生氫氣,但普遍含有碳癢化物、水及碳?xì)溆袡C(jī)物等雜質(zhì),需要進(jìn)行變壓吸附提純。

氫氣作為燃燒源,通常作為熱燃料進(jìn)行二次利用,所以提取氫氣需要補(bǔ)充其它熱源,CO2排放在0.9-1.3kg/Nm3H2。此外,氫氣的獲取與工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量直接相關(guān),同時隨著氣體擴(kuò)散電極食鹽電解技術(shù)、氫氣還原制鋼鐵技術(shù)的應(yīng)用及石油產(chǎn)品替代,未來工業(yè)副產(chǎn)物作為氫氣的主要供給源將不穩(wěn)定。

天然氣等化石燃料改質(zhì)制取氫氣進(jìn)入規(guī)?;瘧?yīng)用初期,氫氣純度高,但需降低成本及提升制取效率。天然氣(甲烷:CH4)與H2O在鎳、鈷等復(fù)合金屬催化進(jìn)行熱反應(yīng),可以獲取氫氣,氫氣純度達(dá)到95%-97%,CO2排放1.0-1.1kg/ Nm3H2。

雖然美國、日本等已經(jīng)實現(xiàn)一定規(guī)模的天然氣重整制氫的實用生產(chǎn),但是在大規(guī)模應(yīng)用方向依然面臨催化劑成本、轉(zhuǎn)化效率以及設(shè)備投入等問題。此外,利用沼氣中的CH4進(jìn)行重整改質(zhì)將是發(fā)展降低成本及排放的方向之一。

電解水制氫,方法簡單設(shè)備投入低,但能耗大,導(dǎo)致成本及排放高。電解堿性溶液獲取氫氣的純度較高,并產(chǎn)生氧氣,對于FCV匹配度高,而且技術(shù)成熟,設(shè)備投入較低,但1m3氫氣耗電5-6kWh,CO2排放高達(dá)1.8kg/ Nm3H2。利用太陽能及風(fēng)能的富余電能進(jìn)行電解是未來發(fā)展方向。

光觸媒及IS技術(shù)制取氫氣,目前處于試驗階段。光觸媒是直接利用光照中的紫外區(qū)獲取能量分解水制取氫氣及氧氣,轉(zhuǎn)化效率僅為0.3-1%,預(yù)計2020年將達(dá)到10%,光觸媒材料的開發(fā)是目前的關(guān)鍵。IS反應(yīng)利用氫碘酸及硫酸的分解反應(yīng)進(jìn)行循環(huán)反應(yīng)在600-900oC高溫下制取氫氣,除去反應(yīng)流程及設(shè)備裝置設(shè)計的問題,熱源的獲取也是難題之一。目前,與太陽能發(fā)熱結(jié)合的方法正在開發(fā)。

各類制氫的成本比見圖2。工業(yè)副產(chǎn)物的成本最低,而電解水成本為石油精煉取氫成本的4.2倍。化石燃料改質(zhì)目前為2.2倍左右,隨著規(guī)?;耐七M(jìn),成本有望進(jìn)一步收縮。

圖2 各類制氫方式成本對比

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數(shù)據(jù)源:根據(jù)日本NEDO發(fā)布資料整理

2.加氫設(shè)施

隨著FCV的普及,各國強(qiáng)化加氫設(shè)施的建設(shè),表2為主要國家加氫站建設(shè)計劃。日本作為FCV技術(shù)及產(chǎn)品全球領(lǐng)導(dǎo)國,2015年規(guī)劃建設(shè)100個,2030年規(guī)劃建設(shè)5000個加氫站。截止2015年7月,日本投建加氫站為81個,其中運(yùn)營的加氫站為23個,與規(guī)劃目標(biāo)有一定差距,主要原因是成本問題。

表2 各國加氫站建設(shè)計劃

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加氫站建設(shè)成本高。日本供氣量300Nm3/h加氫站的建設(shè)成本為5-6億日元,約為500-600萬美元,歐洲約為250-300萬美元,并且不包括原料、人工及運(yùn)輸儲存及土地固定資產(chǎn)投入。加氫站的建設(shè)成本為普通汽油站的5-6倍。

加氫站設(shè)備投入占比大。如圖3所示,加氫站建設(shè)費用中,儲壓器、冷卻機(jī)、管道及氣液輸出設(shè)備的占比高達(dá)63%。首先,加氫站的建設(shè)必須解決以上設(shè)備的專用制造及成本問題。此外,隨著FCV的發(fā)展,未來在加氫設(shè)備中蘊(yùn)藏巨大市場空間。

圖3 加氫站建設(shè)成本占比

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備注:日本NEDO發(fā)布資料整理

氫氣制備技術(shù)在國外已經(jīng)趨于成熟,特別是天然氣等化石燃料的水蒸汽重整改質(zhì)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段,但在更大規(guī)模應(yīng)用方面,依然需要提高效率及優(yōu)化成本。加氫站建設(shè)目前面臨的主要問題設(shè)備投入大,但隨著FCV的大量普及,在設(shè)備供應(yīng)方面將帶來巨大市場。

智電汽車是一個汽車科技自媒體,一群汽車博士為社會更早普及高科技汽車吶喊。本文作者邵博士曾留學(xué)于東京工業(yè)大學(xué)新能源汽車方向,是智電汽車聯(lián)合創(chuàng)始人,現(xiàn)國內(nèi)大學(xué)任教。


來源:第一電動網(wǎng)

作者:智電汽車

本文地址:http://www.medic-health.cn/kol/43559

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