氨載氫技術經濟性分析

液氨做為一種含氫質量分數為17.6% 的富氫物質, 是氫能的理想載體. 從目前氫氣存儲和運輸的瓶頸問題出發,設計了以液氨為儲氫和輸氫載體的供氫方案。

氫能源以其可再生性和良好的環境效應成為未來最具發展潛力的能源載體. 高效、安全經濟的氫氣儲存和輸運是目前製約氫能技術發展的瓶頸問題之一. 目前高壓儲氫是世界上最常用的氫氣儲存方式,但由於氫氣的密度很小, 所需儲氫壓力很高, 安全性差, 儲氫效率很低, 而且需要消耗額外的能量, 同時對儲氫材料材質也有十分苛刻的技術要求, 如在3.5×107 Pa, 298 K 的條件下, 每壓縮1 kg 的氫需要消耗2.2 kW h 的電量, 而質量儲氫效率僅為3%左右, 儲氫成本大約為每公斤40 ~ 500 美元[1] ;Odgen 等通過案例研究認為, 管道高壓輸氫成本為12~ 40 美元 GJ- 1 , 液氫槽車運輸成本也為12~ 40美元 GJ- 1 [2] . 顯然, 氫氣的運輸經濟性和安全問題影響到供氣站的建設, 成為發展和推廣燃料電池汽車的瓶頸. 氨作為一種含氫質量分數達到17. 6% 的富氫物質, 在常溫加壓( 0. 86 MPa) 或常壓低溫( 240K)下很容易轉化為液態, 其對應的能量密度分別為134. 0 kJ L- 1 和143. 5 kJ L- 1 (同等條件下氫氣的能量密度為84. 0 kJ L- 1 ), 便於儲存(低壓儲罐或者鋼瓶) 和運輸, 因此是氫氣的理想載體.

由於氨裂解製氫工藝技術成熟, 製取的氫氣純度達到99.99%, 可滿足質子交換膜燃料電池汽車( PEMFC)係統的要求, 因而集成氨載氫與氨分解製氫技術是一條潛在的供氫途徑, 可以為將來加氫站和燃料電池分散電站提供氫源。

根據上述分析, 本文設計了一條以液氨為儲能載體的輸運方案, 分析比較了該輸送方案與天然氣重整製氫、水電解製氫、甲醇重整製氫3 種輸送路線的經濟性, 探討了該方式的技術可行性, 期望為能源政策製定者在氫源供應體係選擇上提供一種理想的解決途徑。

1 氨載氫供應方案設計

液氨做為重要的農業基礎產品和化工原料, 已有近百年的曆史, 生產技術成熟. 氨的存儲運輸既可通過傳統的公路低壓槽車、水路罐船駁船等輸送方式實現中小規模短距離運輸, 也可以經由鐵路罐車甚至現有的管網輸送, 可見氨的供應網絡齊全, 基礎設施建設也非常完備, 因此氨載氫技術在理論上具有可行性. 設計的以液氨為儲能載體, 在加氫站製氫供氫的方案見圖1。

與上述氨載氫供氫方案相比較, 天然氣重整製氫供氫、水電解製氫和甲醇重整製氫供氫路線見圖2. 此3 條路線均采用氣態氫氣高壓拖車運輸. 拖車運輸係統由拖車車頭、整車托盤和十幾根長管形管狀儲存容器組成, 由於4 條路線用戶終端相同, 均為燃料電池汽車或公交車提供加注服務, 因此本文在供氫路線經濟性分析部分不考慮氫氣加注階段設備投資引起的供氫成本變化。

需要說明的是, 雖然氨載氫輸送模式的運輸階段成本顯著低於其他3 條路線, 但該供氫路線需要額外的站內氨裂解製氫設備的投資成本, 因而需要從總成本投資和單位供氫成本角度定量分析各路線的經濟性.

2 供應路線經濟性分析

2. 1 基本假設條件

由於加氫站的規模需要由氫氣需求量確定, 因此假設上述4 種路徑的加氫站供氫規模取100~ 500kg d-1 。

液氨采用低壓槽車運輸的方式為加氫站提供氫源( 站內) , 站外製取的氫氣采用高壓管束拖車運輸的方式, 運輸階段主要假設條件見表1[3] 。

依據加氫站供氫規模, 站內站外製氫、儲氫主要設備的成本見表2[ 4- 6] . 假設各設備的折舊年限均為10 年, 殘值取5%, 設備的折舊費用包含在年運行成本中。

天然氣重整效率、甲醇重整效率、水電解效率和氨分解效率分別取70% , 75%, 70% 和90%[7] . 原料
、燃料價格和電力價格見表3.

高壓氣態氫運輸和氨載體運輸階段主要設備成本和操作壓力見表4[3] . 另外, 假定加氫站雇員人數為10, 年薪均為6 萬元.

2. 2 經濟性分析

為了比較的直觀性, 本文選用單位質量氫氣的供應成本做為經濟性評價的指標. 由於用戶終端相同, 因此不考慮加注階段設備投資折算到氫氣供應上的成本. 運輸模式采用"點對點"情景方式, 即液氨(氫氣) 的生產地和加氫站分屬兩地, 加氫站的供氫規模為500 kgd- 1 . 不考慮土地租金費用、土建保險等費用, 供氫方案一次性投資總成本