光伏發(fā)電制氫技術(shù)

陳 偉,江龍躍，王德和

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,上海 200063)

2021年9月22日發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中提出“到2030年，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型取得顯著成效。單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。積極發(fā)展非化石能源。實(shí)施可再生能源替代行動，大力發(fā)展太陽能等能源消費(fèi)比重。堅(jiān)持集中式與分布式并舉，優(yōu)先推動太陽能就地就近開發(fā)利用。統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展。”[1]

天津市工業(yè)和信息化局發(fā)布關(guān)于落實(shí)燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價市場化改革有關(guān)事項(xiàng)的通知，要求自2021年10月15日起，2021年度后續(xù)增量月度和月內(nèi)燃煤機(jī)組市場化交易平段電價在“基準(zhǔn)價±20%”范圍內(nèi)形成，高耗能企業(yè)市場交易電價不受上浮20%限制。全部10 kV及以上工商業(yè)用戶均應(yīng)參與電力市場化交易，其價格按電網(wǎng)企業(yè)代理其他用戶購電價格的1.5倍執(zhí)行。天津電價上浮不是個例，為落實(shí)發(fā)改委要求，近期江蘇、浙江、山東、廣西等多地均上調(diào)了上網(wǎng)電價，部分地區(qū)電價頂格上浮(上下浮動范圍不超過20%)，內(nèi)蒙古地區(qū)市場交易電價甚至上浮80%，浙江對高耗能用戶征收懲罰性電費(fèi)最高0.35元。

據(jù)報(bào)道2018年，中國氫氣產(chǎn)量約2 100萬t，按能源管理換算熱值占終端能源總量的份額為2.7%，預(yù)計(jì)到2050年氫能在中國能源體系中的占比約為10% 以上，氫能將成為中國能源體系的重要組成部分。由此可見采用新能源、低碳方式制氫已刻不容緩。

1 幾種制氫工藝介紹

1.1 常規(guī)水電解制氫

常規(guī)水電解制氫是以純水為主要原料，將配比為30% KOH水溶液充至電解槽內(nèi)，在電解槽內(nèi)直流電的作用下，電解小室的陰、陽極板上發(fā)生放電反應(yīng)，將水電解成氫氣和氧氣。電解生成的氫氣和氧氣經(jīng)制氫框架分離堿液后氫氣純度可達(dá)99.8%，氧氣純度可達(dá)99.3%，然后氫氣再進(jìn)一步經(jīng)純化裝置處理，處理后產(chǎn)品氣純度可達(dá)99.999 5%以上。水電解制氫工藝流程如圖1所示。

水電解制氫工藝成熟，制得的氫氣純度高，而且對制氫原料無過多要求，只要水電條件滿足即可制氫，其在電力資源充沛、對氫氣純度要求高、其他工藝制氫原料缺乏、安監(jiān)環(huán)保要求高的企業(yè)有廣泛的應(yīng)用。其制氫成本主要為電耗，每生產(chǎn)1 Nm3純氫，電耗約5 kW·h，原料水約1 kg。

1.2 氨分解制氫

氨分解制氫是以液氨為主要原料，首先將原料液氨蒸發(fā)氣化為氨氣，然后將氨氣送至分解爐內(nèi)，在爐內(nèi)高溫觸媒床層中氨氣被分解為氮?dú)浠旌蠚猓?5% H2和25% N2,分解后的氣體中含有少量的殘余氨和水，分解氣再經(jīng)凈化裝置吸附凈化后得到氮?dú)浠旌蠚狻?/p>

氨分解制氫工藝流程簡圖，如圖2所示。

氨分解制氫也是一種成熟的制氫工藝，其一般用于液氨原材料供應(yīng)充沛地區(qū)，對氫氣純度要求不高、產(chǎn)品氮?dú)浠旌蠚獠恍柙俅畏蛛x即可直接使用的企業(yè)。制氫成本主要源于原料液氨的消耗及電耗，每生產(chǎn)1 Nm3純氫，需消耗約0.51 kg液氨，電耗約0.9 kW·h。

1.3 天然氣制氫(甲烷裂解制氫)

天然氣制氫是以甲烷為主要原料，采用天然氣蒸汽重整工藝制取氫氣。工藝流程為天然氣經(jīng)壓縮預(yù)熱后進(jìn)入脫硫槽將硫化物脫除至0.1×10-6以下，脫硫后的天然氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，在高溫下與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，并在催化劑的作用下生成H2、CO、CO2的混合氣體(其中還含有未反應(yīng)的CH4和水蒸氣)，混合氣經(jīng)過熱量回收后進(jìn)入變換爐，將CO與水蒸氣變換為H2和CO2，最后通過變壓吸附裝置將雜質(zhì)氣體吸附，獲得99.9%～99.999%的純氫氣。

這種技術(shù)較為成熟，大規(guī)模制氫成本低，在國內(nèi)外合成氨制氫工藝中有廣泛應(yīng)用。天然氣制氫主要生產(chǎn)成本源于天然氣，每生產(chǎn)1 Nm3純氫，需消耗約0.52 Nm3天然氣(包括原料天然氣和燃料天然氣，其中天然氣中甲烷含量按95%體積分?jǐn)?shù)計(jì))，鍋爐給水約1.7 kg，電耗約0.2 kW·h。

1.4 甲醇裂解制氫

甲醇裂解制氫是將甲醇和脫鹽水按規(guī)定比例(350∶300)混和，經(jīng)過濾器和計(jì)量泵加壓送入系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱、汽化過熱至反應(yīng)溫度，在反應(yīng)溫度220～280 ℃和一定壓力下，在專用催化劑上催化轉(zhuǎn)化為主要含氫和二氧化碳的轉(zhuǎn)化氣，轉(zhuǎn)化氣經(jīng)冷卻、冷凝后其組成為：73%～74% H2、23%～24.5% CO2、0～1% CO、其余為甲醇和飽和水，為獲得純氫還需設(shè)置變壓吸附裝置，經(jīng)其分離可得到99%～99.999%純度的氫氣。

甲醇裂解制氫工藝比較成熟，其主要生產(chǎn)成本源于原料甲醇的消耗。每生產(chǎn)1 Nm3純氫，需消耗約0.65 kg甲醇，脫鹽水0.38 kg，燃料甲醇0.15～0.18 Nm3，電耗約0.1～0.15 kW·h。

1.5 光伏發(fā)電制氫

光伏發(fā)電制氫原理與常規(guī)水電解制氫一致，不過將電力來源由傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉垂夥l(fā)電。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

氫氣是浮法玻璃企業(yè)使用的錫槽保護(hù)氣之一，每個工廠建設(shè)時都需對不同制氫工藝做出選擇?，F(xiàn)以一條規(guī)模為1 000 t/d普通浮法玻璃生產(chǎn)線正常運(yùn)行所需氫氣量80～160 Nm3/h，事故氫氣量為220 Nm3/h為例，設(shè)計(jì)選用正常氫氣產(chǎn)量為160 Nm3/h的制氫系統(tǒng)，對以上五種制氫工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見表1。

表1 五種制氫工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較表

2.1 常規(guī)水電解制氫工藝

常規(guī)水電解制氫整套系統(tǒng)建設(shè)周期短、設(shè)備操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，可做到全流程自動控制、站房無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控。但制氫成本高，電費(fèi)占整個水電解制氫生產(chǎn)費(fèi)用的 80%左右，屬于高能耗。電力來源于市電，對電網(wǎng)輸配造成負(fù)擔(dān)。國內(nèi)工商業(yè)及大工業(yè)電價上漲并采取浮動電價是未來趨勢，加大了常規(guī)水電解制氫成本。

2.2 氨分解制氫工藝

氨分解制氫設(shè)備投資低、建設(shè)周期短、占地面積小、裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠。但目前國內(nèi)多數(shù)地區(qū)趨勢是液氨供應(yīng)源越來越少，從而導(dǎo)致原料氨價格上漲，且運(yùn)輸距離長，采購成本加大。例如目前洛陽地區(qū)液氨到廠價已達(dá)4 600 元/t，需從延安地區(qū)采購液氨。再者當(dāng)前國內(nèi)安監(jiān)、環(huán)保方面政策要求趨嚴(yán)，各地又有自行的地方規(guī)范，個別省份已不能建設(shè)帶有液氨存儲的氨分解制氫工藝，較以往大大增加了建設(shè)難度。國家現(xiàn)行規(guī)范對儲存原料液氨的罐區(qū)與周邊廠房有較大凈距要求，整個系統(tǒng)占地面積大。

2.3 天然氣制氫工藝

天然氣制氫雖然適用范圍廣，但是投資成本高、建設(shè)周期長、占地面積大、原料利用率低，工藝復(fù)雜，操作難度高，其催化劑5年左右就需要更換。在玻璃企業(yè)使用方面，目前還較少，根據(jù)玻璃用氫不能中斷的特點(diǎn)，在用一套天然氣制氫的同時，還需另用一套水電解制氫或氨分解工藝作為備用，這樣一來更增大了初次投資。但其根本性的缺點(diǎn)有以下兩個方面。

首先，目前國內(nèi)每年都會發(fā)生天然氣荒，且是一個長期趨勢。國內(nèi)企業(yè)在燃料使用方面已經(jīng)不能單單以天然氣作為保障，還需備用液化天然氣氣化站、備用燃料油作為補(bǔ)充。市場上天然氣價格也是節(jié)節(jié)走高，所以天然氣制氫原料成本會越來越高，極端情況可能會出現(xiàn)無氣可用。

其次，天然氣制氫其生成物中的二氧化碳等溫室氣體使之環(huán)保性降低，增加碳排放，因此通過此工藝制取的氫氣被稱為“藍(lán)氫”。雖然可以通過利用碳捕獲、利用與封存技術(shù)，把生產(chǎn)過程排放的二氧化碳進(jìn)行捕獲提純，再投入到新的生產(chǎn)過程中進(jìn)行循環(huán)再利用或封存，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的大規(guī)模捕集。但是現(xiàn)有技術(shù)捕集成本高，且目前來看社會總捕集與再利用完全不是一個體量。若打到地下做驅(qū)油和埋藏封存使用，驅(qū)油這個階段也是一部分二氧化碳進(jìn)到地里，還有一部分會跟著油出來，也不能做到完全的埋藏封存。

2.4 甲醇裂解制氫工藝

甲醇裂解制氫系統(tǒng)控制水平要求高，操作較氨分解制氫復(fù)雜。雖然制氣系統(tǒng)本身與氨分解制氫占地面積相當(dāng)，但因玻璃企業(yè)存在事故氫氣用量與正常用量相差較大的特點(diǎn)，如采用該方式必須設(shè)置多臺氫氣儲罐，在包括罐區(qū)面積后，其占地面積大于氨分解制氫工藝，并且甲醇儲罐區(qū)與生產(chǎn)裝置間防火距離要求較大，不利于節(jié)省用地。制氫量400 Nm3/h以下的同規(guī)模制氫系統(tǒng)，設(shè)備投資高于氨分解制氫。目前國內(nèi)玻璃企業(yè)使用甲醇裂解制氫工藝的很少，據(jù)筆者了解僅有一家企業(yè)曾使用，其原因：一是用氫規(guī)模化，公司園區(qū)內(nèi)幾條浮法線使用氫氣總量在500 Nm3/h以上；二是其集團(tuán)公司本身有聯(lián)堿分廠，有多余的甲醇副產(chǎn)品，因而屬于副產(chǎn)品再利用。因此對于氫氣用量較少的生產(chǎn)線，一般不建議應(yīng)用此工藝。

甲醇制氫生成物中的二氧化碳與上文中所述的天然氣制氫一樣，會增加碳排放，不利于碳中和目標(biāo)的執(zhí)行。

2.5 光伏發(fā)電制氫工藝

光伏發(fā)電和制氫可以很好的結(jié)合。以碲化鎘、銅銦鎵硒為代表的薄膜發(fā)電玻璃光伏建筑一體化(BIPV)，以晶硅發(fā)電為代表的屋頂電站都是當(dāng)今企業(yè)內(nèi)分布式光伏電站的主要發(fā)展方向。用氫企業(yè)配套相應(yīng)容量的氫氣儲氣罐，將制氫機(jī)組根據(jù)分布式光伏晝夜發(fā)電量的不同，實(shí)施峰谷運(yùn)行。白天發(fā)電量多時，制氫機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，將富余氫氣儲存起來；夜間發(fā)電量低時或不發(fā)電時，制氫機(jī)組最低負(fù)荷運(yùn)行或者不運(yùn)行，當(dāng)不運(yùn)行時采用保溫等手段以便于后續(xù)快速啟動，此時供氣主要來自儲氣罐。按此方式光伏發(fā)電制氫可以做到連續(xù)供氫，并使制氫成本大幅降低。不同用電價格對應(yīng)的制氫成本如表2。

表2 不同用電價格對應(yīng)的制氫成本

“2019年，我國光伏發(fā)電度電成本約0.29～0.80元/(kW·h)，平均度電成本約0.389元/(kW·h)，預(yù)計(jì)到2025年，我國光伏發(fā)電度電成本約0.22～0.462元/(kW·h)?！盵2]屆時將全面低于市電價格，降低水電解制氫成本，且光伏發(fā)電制氫成本低于2.5元/Nm3，也將等同或低于其他方式制氫成本。再者光伏發(fā)電是“綠電”，經(jīng)此制氫得到的是“綠氫”，完全符合碳中和的目標(biāo)，同時也滿足綠色工廠的評價體系和理念，讓用氫企業(yè)做到制氫環(huán)節(jié)零碳排放，整個工廠低碳排放。

3 結(jié) 論

綜上所述，筆者認(rèn)為常規(guī)水電解制氫、氨分解制氫、天然氣制氫、甲烷裂解制氫不是高能耗就是有碳排放的制氫方式。而光伏發(fā)電制氫供氣連續(xù)可靠性能夠保障，成本又不斷降低，且是零碳排放，因此必將是今后大規(guī)模采用的制氫工藝之一。