中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“雙碳”背景下，我國(guó)大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為能源發(fā)展的主旋律之一。目前，交通領(lǐng)域加氫站氫氣保供和成本問題越來越突出，制約著氫能真正走向大眾生活。本文分析討論不同形式分布式制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀和氫能供應(yīng)前景，論證氫基衍生物轉(zhuǎn)化技術(shù)與分布式制氫相結(jié)合的一體化模式對(duì)我國(guó)加快構(gòu)建安全穩(wěn)定氫能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的積極意義。
氫能作為先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域的重要方向，是當(dāng)今國(guó)際能源科技與產(chǎn)業(yè)開發(fā)的熱點(diǎn)之一。我國(guó)十分重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2022年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了我國(guó)首個(gè)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021~2035年）》，明確了氫的能源屬性是未來國(guó)家能源體系的組成部分，要充分發(fā)揮氫能清潔低碳優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)交通、工業(yè)等用能終端和高耗能、高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。同時(shí)，明確氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。
由于作為利用終端的氫燃料電池具有清潔、高效、靈活的特點(diǎn)，氫能正逐步演變?yōu)楫?dāng)今社會(huì)重要的能源供給形式之一。特別是在交通動(dòng)力電動(dòng)化過程中，重型汽車、輪船等交通工具電動(dòng)化技術(shù)障礙較大，需要一種新的能源替代石油產(chǎn)品。氫能正是這種被期待的二次能源，其使用過程沒有二氧化碳排放，生成的水可以進(jìn)入地球的水循環(huán)系統(tǒng)。近些年許多加氫站出現(xiàn)在城市里，車輛加氫越來越便捷。數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，我國(guó)已建成加氫站428座，在運(yùn)營(yíng)加氫站274座。在全球已建成的千余座加氫站中，我國(guó)占比排名第一，其中中國(guó)石化建成加氫站128座。
加氫站供應(yīng)的氫氣主要依靠長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，并且裝卸載時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)輸效率低、成本高，綜合能效不理想，使得加氫站的氫氣保供與價(jià)格問題越來越突出，成為制約整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，分布式站內(nèi)制氫就地供氫的方式越來越受到關(guān)注。中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院科研團(tuán)隊(duì)深度分析市場(chǎng)現(xiàn)有氫氣供應(yīng)方式的局限性和主要矛盾，深入探討分布式制氫技術(shù)從開發(fā)到應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r，展望分布式制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景，并對(duì)我國(guó)分布式制氫技術(shù)的發(fā)展提出建議。
氫能市場(chǎng)供給端現(xiàn)狀分析
氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制、儲(chǔ)、輸、用，氫源供應(yīng)是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。
氫氣制取在石化行業(yè)非常普遍，制氫技術(shù)包括化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫等多種路線。為了支撐氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前加氫站的氫氣多來源于石化行業(yè)的工業(yè)氫氣，經(jīng)分離提純后即可滿足氫燃料電池使用要求（GB/T-32744-2018）。所以，現(xiàn)有加氫站普遍采用“工廠氫提純+高壓長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸+加氫站”的模式。這種模式可以節(jié)省產(chǎn)業(yè)起步投資成本，加快產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。
但這種模式天生就有很多弊端，首先是運(yùn)氫效率低，目前的高壓氣體鋼瓶氫氣壓力為20兆帕，一輛高壓長(zhǎng)管拖車可以裝載氫氣約400公斤，而長(zhǎng)管拖車自重約40噸，且為了運(yùn)輸安全，氫氣不能完全卸出，卸氫率一般為70%~80%，運(yùn)輸效率不高；其次是不能滿足未來規(guī)?；\(yùn)氫的要求，氫氣高壓長(zhǎng)管拖車屬于監(jiān)管車輛，不能上高速，如果一座日加氫1000公斤的加氫站運(yùn)營(yíng)，每天至少需要3輛車充裝，操作頻繁且受限；再次就是運(yùn)輸成本高，特別是城市周邊沒有可供的工業(yè)氫氣源，長(zhǎng)距離運(yùn)輸讓成本雪上加霜。
隨著氫能終端市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，加氫站的氫氣供給保障和成本問題越來越突出，嚴(yán)重制約了氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。如果能夠在加氫站現(xiàn)場(chǎng)制取氫氣，將會(huì)讓目前棘手的氫源問題迎刃而解。技術(shù)人員嘗試將化工廠的制氫裝備搬到加氫站，卻發(fā)現(xiàn)這些成熟的制氫技術(shù)沒有辦法滿足加氫站占地少、安全可靠、智能化等諸多要求，而且不同的加氫站能夠選取的制氫原料差別很大，因此新一代的分布式制氫技術(shù)被開發(fā)出來并逐步應(yīng)用。
分布式制氫技術(shù)
傳統(tǒng)制氫技術(shù)包括煤制氫、石油制氫、天然氣制氫、醇類制氫、水電解制氫等。由于分布式制氫要滿足原料易得、設(shè)備可以集成化、排污少的要求，因此天然氣制氫、甲醇制氫、氨分解制氫、水電解制氫成為優(yōu)選路線?？v觀我國(guó)綠色低碳能源發(fā)展現(xiàn)狀，綠色天然氣、綠色甲醇、綠氨和綠電都是綠色能源載體，也符合我國(guó)發(fā)展氫能的初衷。
分布式天然氣制氫
利用天然氣可以便利地制取氫氣，很多石化企業(yè)都有應(yīng)用，而城市也有便利的天然氣管網(wǎng)，這為加氫站實(shí)現(xiàn)分布式天然氣制氫奠定了基礎(chǔ)。分布式天然氣制氫是以天然氣為原料，通過一系列化學(xué)反應(yīng)得到氫氣，包括天然氣凈化、重整反應(yīng)、變換反應(yīng)、氫氣提純等過程，其中，天然氣重整反應(yīng)需要在850攝氏度下完成，因此重整反應(yīng)器的小型化和智能化是整個(gè)技術(shù)的核心之一。
另外，高性能的重整催化劑和變換催化劑都需要滿足分布式制氫高度集成的新要求。分布式制氫不能像在工廠那樣具有非常完整的公用工程條件和寬闊的場(chǎng)地，因此需要采用大量的過程強(qiáng)化技術(shù)和流程優(yōu)化技術(shù)來減少占地和提高制氫效率。國(guó)內(nèi)典型示范案例為廣東佛山南莊制氫加氫一體站，采用了分布式天然氣制氫技術(shù)，包括小型重整轉(zhuǎn)化爐等裝備。
分布式甲醇制氫
甲醇制氫是化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的制氫技術(shù)之一。甲醇是大宗化工原料，來源豐富、成本低，常溫常壓下是液體，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。我國(guó)是全球最大的甲醇生產(chǎn)國(guó)，擁有全球甲醇產(chǎn)能的60%，因此，采用甲醇制氫具有非常便利的條件，特別是國(guó)內(nèi)綠色甲醇項(xiàng)目大量上馬，為加氫站使用綠色甲醇制取綠氫提供了支撐。甲醇制氫是以甲醇和水為原料，在催化劑的作用下生成氫氣的過程，工業(yè)甲醇制氫多采用燃燒爐加熱的方式，流程上更為簡(jiǎn)單，但這種明火供熱模式不能在寸土寸金的加氫站實(shí)施，因此分布式甲醇制氫多采用“甲醇重整+催化氧化”的方式。
甲醇制氫的過程主要包括甲醇重整、催化氧化和氫氣提純等。甲醇制氫條件溫和，制氫系統(tǒng)內(nèi)最高溫度約250攝氏度，產(chǎn)品氫氣壓力為1.5~2.5兆帕，采用催化氧化的供能方式在解決解吸氣排放的同時(shí)保證了系統(tǒng)供能的本質(zhì)安全。因此，甲醇重整催化劑、催化氧化催化劑和系統(tǒng)集成技術(shù)是分布式甲醇制氫的核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)典型示范案例為遼寧大連盛港綜合加能站，為國(guó)內(nèi)首座商業(yè)運(yùn)營(yíng)的制氫加氫一體站，采用中國(guó)石化自有技術(shù)，每天可產(chǎn)出1000公斤能滿足燃料電池氫氣標(biāo)準(zhǔn)的高純度氫氣。
分布式氨分解制氫
分布式氨分解制氫是以液氨原料生成氫氣和氮?dú)獾倪^程，分布式氨分解制氫具有用戶終端無碳排放的優(yōu)勢(shì)，可再生氫氣與氮?dú)獾慕Y(jié)合使氨成為零碳排放的氫能載體，且制氫能耗僅為電解水制氫的1/3，被視作解決氫能運(yùn)輸存儲(chǔ)難題的新路徑。分布式氨分解制氫主要包括氨分解爐和兩級(jí)氫氣提純。通過開發(fā)高效、低溫、長(zhǎng)壽命氨分解催化劑和高效氫氮分離技術(shù)，可大幅降低制氫能耗。國(guó)內(nèi)典型示范案例為中國(guó)石化廣西南寧振興制氫加氫一體站，采用中國(guó)石化自有技術(shù)，每天能產(chǎn)出500公斤99.999%高純度氫氣，可滿足40多輛氫燃料車用氫需求。
分布式水電解制氫
水電解制氫很早就用于小型制氫場(chǎng)景，由于我國(guó)低碳能源廣泛且快速發(fā)展，水電解制氫迎來發(fā)展高潮。根據(jù)使用電解質(zhì)的不同，電解水方式分為堿性水電解（ALK）、質(zhì)子交換膜電解（PEM）、固體氧化物電解（SOEC）、堿性陰離子交換膜電解（AEM），其中SOEC和AEM目前處于探索階段。堿性水電解制氫和質(zhì)子交換膜電解水制氫是目前分布式電解水制氫的主要方式，電耗成本占電解水制氫成本的75％~85％，主要包括電源、電解槽和氫氣提純等單元。質(zhì)子交換膜電解水制氫與堿性水電解制氫相比，能耗更低、設(shè)備結(jié)構(gòu)更緊湊，且啟停靈活，更適用于離網(wǎng)制氫，但目前投資較高。
分布式制氫技術(shù)展望
隨著我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，氫氣需求加大，氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)、使用之間的矛盾越來越突出，對(duì)新的供氫模式的需求越發(fā)迫切。采用在加氫站分布式制氫的方式，可解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本過高、基礎(chǔ)設(shè)施缺乏等問題，是近中期最現(xiàn)實(shí)的氫源解決方案之一。國(guó)外已開展了多種技術(shù)形式的示范，如法國(guó)后丹加氫站、日本大川加氫站和美國(guó)圣塔莫尼卡加氫站等均采用站內(nèi)制氫的方式提供氫氣，供氫網(wǎng)絡(luò)靈活可靠。
國(guó)內(nèi)分布式制氫技術(shù)受技術(shù)規(guī)范、審批流程等因素影響發(fā)展相對(duì)緩慢，但隨著廣東佛山、四川成都、遼寧大連、山東淄博、湖北武漢、內(nèi)蒙古鄂爾多斯等地紛紛出臺(tái)相應(yīng)的政策支持分布式制氫項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展和需求迎來新契機(jī)。制氫路線的選擇主要取決于原料資源的獲取度和成本，未來分布式氫載體制氫與燃料電池聯(lián)用將很有可能在不間斷電源、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)及分散電站等氫能應(yīng)用領(lǐng)域獲得更廣闊的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
典型案例
廣東佛山南莊制氫加氫一體站
廣東佛山南莊制氫加氫一體站是集天然氣制氫、光伏發(fā)電耦合電解水制氫、加氫、加氣、充電等功能于一體的綜合能源供應(yīng)站，屬于站內(nèi)制氫-加氫母站。該站率先采用橇裝式天然氣制氫裝備，可生產(chǎn)純度99.999%的氫氣。站內(nèi)天然氣制氫能力為500標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，電解水制氫能力為50標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，日制氫加氫能力達(dá)到1100公斤，可滿足公交車100輛次或物流車150輛次的加氫需求。
遼寧大連盛港綜合加能站
遼寧大連盛港綜合加能站是我國(guó)首個(gè)分布式甲醇制氫示范項(xiàng)目，每日可產(chǎn)出1000公斤99.999%高純度氫氣。示范項(xiàng)目采用中國(guó)石化自主研發(fā)的分布式甲醇制氫系統(tǒng)，包含甲醇重整、催化氧化、過程強(qiáng)化、系統(tǒng)集成等多項(xiàng)自主創(chuàng)新成果。在滿足加氫站安全和運(yùn)營(yíng)控制要求的前提下，每標(biāo)準(zhǔn)立方米燃料電池級(jí)氫氣的甲醇消耗可低至0.67公斤，與國(guó)內(nèi)同類運(yùn)行裝置相比能耗更低、甲醇消耗更少，經(jīng)濟(jì)效益更顯著。
廣西南寧振興制氫加氫一體站
廣西南寧振興制氫加氫一體站采用制、儲(chǔ)、加、運(yùn)一體化全產(chǎn)業(yè)鏈模式。液態(tài)氨到站卸入儲(chǔ)氨罐，送至制氫艙后，通過自主研發(fā)的氨分解-氫氣純化一體化工藝，分解出氫氣和氮?dú)?，再?jīng)過壓縮和分離提純，氫氣從制氫艙產(chǎn)出，可通過管束車運(yùn)送到周邊場(chǎng)站或直接加入車內(nèi)。該站具有實(shí)時(shí)信息采集、云端監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警等智能控制功能。制氫裝置占地面積僅80平方米，每天可產(chǎn)500公斤99.999%高純度氫氣，目前可滿足南寧、柳州、北海等地車用氫氣需求。
