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大规模电解水制氢系统——天津市大陆制氢设备有限公司总工程许卫

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2021/6/4 19:55:47 我要投稿

北极星氢能网讯:“2019年我们国家的氢气产量是3300万吨,来源不同,可能数据有不一致的地方。3300万吨里面,煤制氢占了主要部分,水电解氢占了1%。”天津市大陆制氢设备有限公司总工程许卫在可再生能源制绿氢技术、装备与案例大会上发言。

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许卫:大家上午好,我汇报的题目是大规模电解水制氢系统。为了实现巴黎协定的目标,多个国家都设定了碳排的目标。我们国家承诺2060年前实现碳中和。

中国的产业界也意识到脱碳的必要性。在国家的支持下,包括电力、化工、钢铁等行业的公司都开展了低碳的试点项目。氢可以连接各种能源和工业应用,在能源转型中发挥重要作用。氢被认为是纽带,可以增加电力系统与建筑、工业、交通运输部门之间的产业互联,从而增强低碳能源系统的灵活性。

2019年我们国家的氢气产量是3300万吨,来源不同,可能数据有不一致的地方。3300万吨里面,煤制氢占了主要部分,水电解氢占了1%。根据REA2019年的报告,我们国家氢气的成本来看,如果不考虑CCUS,碳的普及利用的话,煤制氢的成本大概是1美元1公斤氢气,天然气大概2美元,这解释了为什么我们国家是这样的氢气结构。氢气价格最低,所以绝大部分的氢都来源于煤。

这个表格在前面好几位专家都有引用。现在谈论比较多的是三种电解槽技术,包括了碱性槽、PEM槽、固体氧化物电解槽,SOEC电解槽操作温度在650~1000度,温度比较高,所以技术上还有挑战。另外,它的投资成本也比较高,这种技术还没有商业化。碱性槽和PEM槽比起来,碱性槽使用效率、寿命上有优势,PEM槽在操作压力、负载范围、占地具有优势。因为PEM槽本身有更宽的负载范围,所以它具有更好的灵活性,但是它的问题是现在是在成本上。按照IEA的数据,按照投资成本下限来看,今天PEM槽的成本是碱性槽的2倍,十年以后大概是1.5倍,从长期看这两种技术的成本是持平的。考虑到成本和可靠性等因素,大规模制氢仍会在一段时间内是以碱性电解槽为主。电解产生的氢气,氢气的产量和直流电流成正比,大概50度电产生一公斤氢气,一公斤氢气含33.3千瓦的能量。

这是典型的水电解系统的组成,它包括了五部分。第一部分是水电解槽,它是整个系统的核心部分,使氢气氧气产生。第二部分是附属设备,包括气液处理系统和补水系统,补水系统是补充电解消耗的原料水。控制系统是控制整个电解过程中的温度、压力、液位、流量等重要参数,保证系统安全。整流系统包括整流变压器和整流柜,把交流电变成直流电。当用户需要更高纯度的氢气的时候,需要纯化系统。

电解系统的PFD系统的输入包括了水、电、气三部分,水是去离子水和冷却水,去离子水用于电解的原料水,冷却水用于冷却系统,电是高压电,气包括了压缩空气和氮气,压缩空气主要用于启动仪表控制,氮气用于开停车过程中的系统的置换。系统输出包括了气和水两部分,气就是产品的氢气、氧气,水是冷却水的灰水。

大陆公司在2014年生产出来每小时产氢量200立方米的电解槽,2018年生产出来了一千立方米的电解槽。更大的电解设备会降低投资和运行成本,更有利于水电解设备的大规模应用。一台一千立方米的设备成本大概是2台500立方米成本的70~75%。

一千立方米的设备采用了新型的复合电极、非石棉隔膜、优化槽体结构,操作压力16公斤,系统在40分钟内可以从常温停车状态达到额定运行状态。我们给用户提供的4400立方米22MW建筑面积是1600平米,平均下来1MW建筑面积不到80平米。

碱性系统在当初设计的时候并不要求它有更好的灵活性,但是从操作记录来看,当负荷变化的时候,系统是秒级的反应,对温度、液位、压力参数没有大的影响。电解装置是在效率和产氢量有很大的关系,随着产量的增加,效率是逐步降低的。产量从20%增加到100%的时候,效率可以从95%降低到80%,当然这个数据是根据我们国家的标准来做的,国外的标准对这个定义不一样。

这是我们给西北的用户做的现有的光伏电站耦合一千立方米电解槽氢气成本的核算。右上角是光伏电站的发电的曲线,12条线代表了一年12个月中一天的平均发电量,它可以做到2.5元一度电,算下来的氢气成本不到20块钱一公斤氢气。在氢气成本组成里面,电费占了72%,水电解所消耗的水这部分,原料水这部分不足2%。所以要降低氢气的成本也是要降低电费,设备折旧部分占了10%。氢气成本里面没有考虑氧气回收的,当然氧气的价格包括氢气的价格,都是由供求关系决定的。我们两年以前做过调研,有的地方高纯氧的价格和氢的价格持平,如果在成本核算里面,如果考虑氧气回收的话,折算到氢气的成本能下降三分之一。

根据Hydrogen的核算,在五年内,低成本太阳能和风电制氢平准化成本将与蓝氢相当,绿颜色和蓝颜色是太阳能和风能的成本。个人认为,绿氢大规模推广的瓶颈主要就是成本问题,如果经济性能够解决了,别的问题解决起来相对就容易了。

昨天专家也有提到,在今年2月份的时候国际氢能委员会发布的报告里面提到了全球宣布了200多个涉氢项目。超过半数项目在欧洲,两百多个项目里面有17个是GW级的制氢项目,也主要集中在欧洲和澳大利亚。

我们也参与其中,是我们给欧洲一个用户做240兆瓦模块化制氢工厂的效果图。这个工厂包括了2个120兆瓦的模块车间,每个车间包括了12台附属设备框架,每个框架对应着2台一千立方米的电解槽,这一个框架实际上相当于是10兆瓦,12台框架是120兆瓦。它的下游对应着6套四千立方米的制氢纯化装置,整个建筑面积大概在六千平米左右。斜上方是另外一个模块化车间,整个是240兆瓦。

介绍一下大陆公司,大陆公司成立于1994年,主要生产水电解制氢设备和气体纯化设备,有70名员工,超过400套设备在全球30多个国家使用。我们比较自豪的一点是,我们参加了氢能方面9个国家标准的编制工作,其中压力型水电解制氢系统安全要求这个标准是我们主持起草的。另外,我们也参加了ISO22734水电解发生器的工作,ISO的标准我们是ISOTC197唯一的中国代表,2019年9月份正式实施。

我们的设备不仅在国内广泛使用,还出口到亚洲、非洲、欧洲、美洲,这是我们的电解槽世界,我的汇报到这里,谢谢大家!

(发言为北极星氢能网根据速记整理,未经本人审核)

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