氨载氢技术经济性分析

液氨做为一种含氢质量分数为17.6% 的富氢物质, 是氢能的理想载体. 从目前氢气存储和运输的瓶颈问题出发,设计了以液氨为储氢和输氢载体的供氢方案。

氢能源以其可再生性和良好的环境效应成为未来最具发展潜力的能源载体. 高效、安全经济的氢气储存和输运是目前制约氢能技术发展的瓶颈问题之一. 目前高压储氢是世界上最常用的氢气储存方式,但由于氢气的密度很小, 所需储氢压力很高, 安全性差, 储氢效率很低, 而且需要消耗额外的能量, 同时对储氢材料材质也有十分苛刻的技术要求, 如在3.5×107 Pa, 298 K 的条件下, 每压缩1 kg 的氢需要消耗2.2 kW h 的电量, 而质量储氢效率仅为3%左右, 储氢成本大约为每公斤40 ~ 500 美元[1] ;Odgen 等通过案例研究认为, 管道高压输氢成本为12~ 40 美元 GJ- 1 , 液氢槽车运输成本也为12~ 40美元 GJ- 1 [2] . 显然, 氢气的运输经济性和安全问题影响到供气站的建设, 成为发展和推广燃料电池汽车的瓶颈. 氨作为一种含氢质量分数达到17. 6% 的富氢物质, 在常温加压( 0. 86 MPa) 或常压低温( 240K)下很容易转化为液态, 其对应的能量密度分别为134. 0 kJ L- 1 和143. 5 kJ L- 1 (同等条件下氢气的能量密度为84. 0 kJ L- 1 ), 便于储存(低压储罐或者钢瓶) 和运输, 因此是氢气的理想载体.

由于氨裂解制氢工艺技术成熟, 制取的氢气纯度达到99.99%, 可满足质子交换膜燃料电池汽车( PEMFC)系统的要求, 因而集成氨载氢与氨分解制氢技术是一条潜在的供氢途径, 可以为将来加氢站和燃料电池分散电站提供氢源。

根据上述分析, 本文设计了一条以液氨为储能载体的输运方案, 分析比较了该输送方案与天然气重整制氢、水电解制氢、甲醇重整制氢3 种输送路线的经济性, 探讨了该方式的技术可行性, 期望为能源政策制定者在氢源供应体系选择上提供一种理想的解决途径。

1 氨载氢供应方案设计

液氨做为重要的农业基础产品和化工原料, 已有近百年的历史, 生产技术成熟. 氨的存储运输既可通过传统的公路低压槽车、水路罐船驳船等输送方式实现中小规模短距离运输, 也可以经由铁路罐车甚至现有的管网输送, 可见氨的供应网络齐全, 基础设施建设也非常完备, 因此氨载氢技术在理论上具有可行性. 设计的以液氨为储能载体, 在加氢站制氢供氢的方案见图1。

与上述氨载氢供氢方案相比较, 天然气重整制氢供氢、水电解制氢和甲醇重整制氢供氢路线见图2. 此3 条路线均采用气态氢气高压拖车运输. 拖车运输系统由拖车车头、整车托盘和十几根长管形管状储存容器组成, 由于4 条路线用户终端相同, 均为燃料电池汽车或公交车提供加注服务, 因此本文在供氢路线经济性分析部分不考虑氢气加注阶段设备投资引起的供氢成本变化。

需要说明的是, 虽然氨载氢输送模式的运输阶段成本显著低于其他3 条路线, 但该供氢路线需要额外的站内氨裂解制氢设备的投资成本, 因而需要从总成本投资和单位供氢成本角度定量分析各路线的经济性.

2 供应路线经济性分析

2. 1 基本假设条件

由于加氢站的规模需要由氢气需求量确定, 因此假设上述4 种路径的加氢站供氢规模取100~ 500kg d-1 。

液氨采用低压槽车运输的方式为加氢站提供氢源( 站内) , 站外制取的氢气采用高压管束拖车运输的方式, 运输阶段主要假设条件见表1[3] 。

依据加氢站供氢规模, 站内站外制氢、储氢主要设备的成本见表2[ 4- 6] . 假设各设备的折旧年限均为10 年, 残值取5%, 设备的折旧费用包含在年运行成本中。

天然气重整效率、甲醇重整效率、水电解效率和氨分解效率分别取70% , 75%, 70% 和90%[7] . 原料、燃料价格和电力价格见表3.

高压气态氢运输和氨载体运输阶段主要设备成本和操作压力见表4[3] . 另外, 假定加氢站雇员人数为10, 年薪均为6 万元.

2. 2 经济性分析

为了比较的直观性, 本文选用单位质量氢气的供应成本做为经济性评价的指标. 由于用户终端相同, 因此不考虑加注阶段设备投资折算到氢气供应上的成本. 运输模式采用"点对点"情景方式, 即液氨(氢气) 的生产地和加氢站分属两地, 加氢站的供氢规模为500 kgd- 1 . 不考虑土地租金费用、土建保险等费用, 供氢方案一次性投资总成本