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在10月26日舉辦的“2021中日韓氫能產(chǎn)業(yè)高峰論壇”上，江蘇國富氫能技術(shù)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(chǎn)業(yè)解決方案”的演講。他從液氫產(chǎn)業(yè)前景、低能耗液氫開發(fā)、長距離液氫儲(chǔ)運(yùn)方法和產(chǎn)業(yè)解決方案四個(gè)方面進(jìn)行了講解。
江蘇國富氫能技術(shù)裝備股份有限公司戰(zhàn)略總監(jiān)魏蔚
一、雙碳目標(biāo)下中國液氫產(chǎn)業(yè)前景廣闊
作為能源消費(fèi)大國，我國石油、天然氣高度依賴進(jìn)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(rèn)為是未來社會(huì)的“終極能源”，歐美發(fā)達(dá)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(chǎn)業(yè)。2021年9月22日，中共中央國務(wù)院發(fā)布《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》，提出非化石能源消費(fèi)比重2030年達(dá)到25％左右，2060年達(dá)到80％以上，要深度調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系，加快推進(jìn)低碳交通運(yùn)輸體系建設(shè)。魏蔚認(rèn)為，在雙碳目標(biāo)下，中國液氮產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，主要體現(xiàn)為以下三方面：
2030實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰給制氫產(chǎn)業(yè)帶來了機(jī)遇。要實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰需要減少10億噸標(biāo)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(biāo)煤。其余的1億噸標(biāo)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(dá)到3.5萬噸/天，需要電解槽裝機(jī)規(guī)模40GW。光伏實(shí)際發(fā)電量只有理論發(fā)電量的70%，上網(wǎng)率只有90%，而采用PEM制氫技術(shù)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(yù)計(jì)可降到0.1元/KWh，制氫成本降至1.45元/kg，極具競(jìng)爭(zhēng)力。
綠氫固碳減排給液氫產(chǎn)業(yè)帶來了市場(chǎng)機(jī)遇。要實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰需要的1000萬噸綠氫，如果有15%是液氫運(yùn)輸，則一天要生產(chǎn)出4500噸液氫，需要30噸的液氫工廠，150座左右。氫能產(chǎn)業(yè)鏈跟天然氣產(chǎn)業(yè)鏈非常相似，包括它的生產(chǎn)運(yùn)輸和終端應(yīng)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(chǎn)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(fèi)，其中接近30%是液化天然氣消費(fèi)。那么我國液氫未來10年成熟之后，市場(chǎng)上將有15%以上的液氫消費(fèi)。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(dá)到的，而這些綠氫會(huì)有80%用在能源、石油、化工和鋼鐵領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)能源和工業(yè)的重要減排，大概只有20%左右會(huì)用在交通領(lǐng)域。
中國燃料電池汽車及加氫站數(shù)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(duì)外運(yùn)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(jì)建成146座加氫站，其中136座已投入運(yùn)營，待運(yùn)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(shù)路線圖2.0》，到2030年燃料電池汽車將達(dá)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(chǎng)，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(chǔ)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(shù)
如何開發(fā)大規(guī)模的低能耗液氫技術(shù)呢？魏蔚認(rèn)為，借鑒美、歐、日、澳等國液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，我們應(yīng)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(huì)大幅下降，同時(shí)規(guī)模擴(kuò)大也會(huì)帶來技術(shù)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(guān)鍵因素。對(duì)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(huì)超過每公斤20度電，而當(dāng)液氫工廠的規(guī)模增加到50噸/天時(shí)，能耗就可降到每公斤8~9度電。若規(guī)模擴(kuò)大到每天150噸/天時(shí)，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(yùn)行成本，總成本會(huì)隨著規(guī)模的上升而逐漸下降。
技術(shù)路線和工藝流程優(yōu)化帶來能耗降低。隨著規(guī)模的擴(kuò)大，氫液化的技術(shù)路線和工藝流程都會(huì)相應(yīng)帶來優(yōu)化。隨著氫液化規(guī)模的擴(kuò)大，采用基于氫膨脹制冷的改進(jìn)型Claude循環(huán)系統(tǒng)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(chǎn)氫冷能利用來液化可大幅降低氫液化能耗。數(shù)據(jù)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(dāng)規(guī)模擴(kuò)大至50噸/天時(shí)，采用氨膨脹預(yù)冷和MRC預(yù)冷比LN2預(yù)冷循環(huán)的能耗低，當(dāng)規(guī)模擴(kuò)大至100噸/天時(shí)能耗降低更顯著。
美、歐、日、澳等國液氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)借鑒。美國、歐洲、日本、澳大利亞等國家，液氫產(chǎn)業(yè)已經(jīng)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(chǎn)市場(chǎng)，其液氫出廠價(jià)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(zhuǎn)型為液氫出口大國。而今年10月14號(hào)，美國知名的納斯達(dá)克上市公司，全球領(lǐng)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(chǔ)運(yùn)技術(shù)，已建成超百座的液氫加氫站，日消耗液氫40噸，服務(wù)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(shè)4座液氫工廠，每天生產(chǎn)液氫200噸，到2025年底建成6座液氫工廠，生產(chǎn)每天液氫500噸。到2025年底，將在美國各地建設(shè)13座風(fēng)能和太陽能工廠，以支持大規(guī)模綠氫的生產(chǎn)和綠氫的液化。為達(dá)成這一目標(biāo)，PLUG POWER收購了一家領(lǐng)先的低溫液化技術(shù)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(duì)標(biāo)和發(fā)展的對(duì)象。借鑒中國液化天然氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)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?yàn)楣S多、規(guī)模小，產(chǎn)能很少超過百萬噸，而澳大利亞的液化天然氣產(chǎn)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?cè)谝夯烊粴猱a(chǎn)業(yè)鏈所走的彎路不要再走了。
因此，未來中國的液氫產(chǎn)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(jīng)濟(jì)性之后，2GW的光伏裝機(jī)就可以支持一個(gè)百噸級(jí)的綠氫制氫和液化工廠。隨著海上風(fēng)電和液化平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的海上液氫工廠。那么在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的綠氫生產(chǎn)之后，如何實(shí)現(xiàn)長距離的綠氫液化和儲(chǔ)運(yùn)呢？
三、實(shí)現(xiàn)長距離綠氫液化和儲(chǔ)運(yùn)
魏蔚認(rèn)為，發(fā)展海上風(fēng)電制氫和液氫罐箱多式聯(lián)運(yùn)是實(shí)現(xiàn)長距離綠氫液化和儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵。
我國大規(guī)?？稍偕茉粗茪?，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(zhuǎn)移路徑是高壓槽罐拖車、液氫公路鐵路運(yùn)輸及氫氣管網(wǎng)。西北的光伏風(fēng)電和沿海的海上風(fēng)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(yùn)輸?shù)揭簹鋬?chǔ)氫型加氫站或汽化站，或者通過氫氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)氫進(jìn)萬家。液氫既可以在終端進(jìn)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(jīng)濟(jì)性的邏輯在于，一是液氫工廠的能耗是隨著規(guī)模的擴(kuò)大而不斷大幅度降低的。二是把氫氣液化是最高密度的儲(chǔ)氫和最高效的運(yùn)輸方式。液氫罐箱車單次運(yùn)輸2.5-3噸，是20MPa長管拖車的6-8倍，且運(yùn)輸車的自重降低30%左右，因此液氫的百公里運(yùn)輸費(fèi)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(zhì)，可以全產(chǎn)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(fèi)更低。到了下游終端使用時(shí)可節(jié)省在加氫站使用時(shí)的電費(fèi)，相當(dāng)于比氣態(tài)氫攜帶了更多廉價(jià)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(shì)明顯。此外，液氫能實(shí)現(xiàn)對(duì)加氫速度的提升，對(duì)安全性的提升，對(duì)70MPaIV型瓶的保護(hù)，這一點(diǎn)也是非常重要的。
海上風(fēng)電發(fā)展和海上綠氫的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)是最近幾年的重要發(fā)展趨勢(shì)。海面平坦風(fēng)速大，年工作小時(shí)數(shù)長，土地費(fèi)用低，沿海地區(qū)棄電率低。2020年底中國海上風(fēng)電裝機(jī)9GW，總量全球第二，增速全球第一。近海風(fēng)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(yuǎn)海就只能通過氫氣的低溫液化，或者與氮?dú)?、空氣合成液氨，通過液氫船或罐式集裝箱進(jìn)行聯(lián)運(yùn)。像中船集團(tuán)、三峽能源等企業(yè)已開始海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目示范，而全球知名的海上風(fēng)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(fēng)電單機(jī)裝機(jī)已經(jīng)突破10兆瓦。
液氫船配送到陸地各地的運(yùn)輸方式，中間需要經(jīng)過多次液氫轉(zhuǎn)注環(huán)節(jié)，每多一次轉(zhuǎn)注，就多一次空氣進(jìn)入液氫系統(tǒng)形成固體顆粒物的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)每次轉(zhuǎn)注都需要浪費(fèi)一定量的氫氣進(jìn)行吹掃。只有在液氫進(jìn)入超大規(guī)模應(yīng)用，液氫船運(yùn)輸才具備經(jīng)濟(jì)性。
液氫罐箱多式聯(lián)運(yùn)，不僅可以海上運(yùn)輸和公路運(yùn)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(shí)現(xiàn)了液氫從生產(chǎn)工廠直接到用戶，最多可以減少三次轉(zhuǎn)注。開發(fā)液氫罐箱多式聯(lián)運(yùn)，比液氫運(yùn)輸船和液氫海上接收站技術(shù)容易解決。
液氫罐箱比液氫罐車的公路運(yùn)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(hù)，因此在公路運(yùn)輸時(shí)，即使出現(xiàn)追尾、碰撞翻車等交通事故，液氫罐箱仍能在框架的保護(hù)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(hù)，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(duì)于液氮產(chǎn)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(lián)運(yùn)，可以加快液氫應(yīng)用推廣，同時(shí)推動(dòng)海上風(fēng)電制綠氫液化長距離儲(chǔ)運(yùn)的快速產(chǎn)業(yè)化。2021年10月24日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《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》中指出，要大力發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)。
四、國富氫能綠氫全產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈裝備解決方案的提供商，不僅在加氫站成套設(shè)備和車載供氫系統(tǒng)領(lǐng)域，已經(jīng)在國內(nèi)具有較高的市場(chǎng)占有率，為中國提供了60多座加氫站的成套設(shè)備和4500多輛燃料電池汽車的供電系統(tǒng)，同時(shí)還在8~30噸的氫液化裝置、液氫儲(chǔ)運(yùn)容器、液氫罐箱，及500KW電解槽和電解水制氫裝置這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上全產(chǎn)業(yè)鏈布局。
公司自主設(shè)計(jì)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(diào)試，具備生產(chǎn)液氫的硬性條件，而多式聯(lián)運(yùn)的ISO液氫罐式集裝箱，已完成建造并進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)，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(chǔ)存和不排放維持時(shí)間。
為支持山東省“氫進(jìn)萬家”項(xiàng)目和發(fā)展山東的氫能產(chǎn)業(yè)，今年5月國富氫能與合作伙伴聯(lián)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(chǎn)干冰的氫能一體化項(xiàng)目。其中一期規(guī)劃液氫產(chǎn)能10噸/天，在2022年達(dá)產(chǎn)二期，產(chǎn)能30噸/天，項(xiàng)目建設(shè)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(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營服務(wù)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(yīng)商。
