魏蔚:燃料电池汽车大规模运营的基础保障——液氢全产业链解决方案

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燃料电池汽车大规模运营的基础保障

——液氢全产业链解决方案

图:氢云新能源研究院院长魏蔚

提起液氢,是基于燃料电池汽车是未来的发展趋势,现阶段大量投资人、技术专家都看好燃料汽车的未来。随着新能源汽车发展,未来燃料电池汽车也将类似于电动汽车——达到百万量级规模。在此大规模运营阶段,它的基础保障条件势必不同于今日的局面。因此,我将与大家分享:从我国燃料电池汽车发展的预测情况来看液氢产业链有哪些优势,目前全球液氢的发展现状,以及我国要做怎样的液氢基础设施建设才能保障燃料电池车辆大规模运营。

一、我国燃料电池汽车发展的预测

我国燃料电池汽车发展的规模预测,从三个方面递进来看:全球的汽车保有量预测、我国新能源汽车发展趋势以及在我国新能源汽车规划下对燃料电池汽车最初步的预测。

首先,众所周知,全球的汽车保有量已突破亿辆级,市场广阔,其中乘用车和商用车的占比约为3:1。而发达国家在燃料电池汽车产业发展规划方面,已走在我们前列,他们的发展现状对我国未来燃料电池汽车产业发展极具参考意义。欧盟、日本和美国是燃料电池汽车发展最快的区域,将在2020年-2025年率先进入到百万辆级。分享部分国家的“氢能”战略和国策理念:欧盟提出在2020年氢燃料家用车的比例达到5%(已跨入百万辆级),同时其他氢燃料交通工具(比如商用车)达到2%,而到2040年进一步达30%以上;美国提出在2020年燃料电池汽车产能达20万台/年,2025年达30万台/年;日本提出在2025年燃料电池车辆达20万辆,同时加氢站实现320座(目前已有100座)。而上述的欧盟、美国和日本液氢民用产业基础已有多年积累经验,对比来看我国的发展程度。

新能源汽车的发展路线规划于2012年提出,我国纯电动汽车在短短的几年已发展到一百万辆级。燃料电池的产业发展路线和相关规划晚于纯电动汽车的政策发布,但同样会历经由补贴支持带动行业发展的过程,相关补贴和政策才刚刚开始。

而我国的规划里面在2020年达到1万辆,在2030年达到200万辆。大部分燃料电池产业研究者对燃料电池汽车数量会很快突破国家所规划的数值呈乐观态度,因为新能源汽车目前的存量已经达到了一个百万量级的级别(乘用车:商用车为7:3)。通俗地说:锂电是用来替代汽油车的,而燃料电池未来是用来替代柴油车的,所以燃料电池汽车在商用车领域里面会有更好的一个表现。而商用车不同于乘用车,其闲置成本太高,一旦购置后往往需要最长时间长度运营,它对燃料的需求是连续不断的。因此,我们在进行车辆保有量预测时,认为在2017—2022年燃料电池汽车还是基本以商用车为主导(占比70%以上),是基于对燃料电池车辆的技术路线和市场需求的一个看法。我们预计到2020年燃料电池商用车的保有量会达到3.6万辆左右,主要是分布在有政策、有经济实力、有环保需求的区域——华南、华东和京津冀地区。预计到2025年燃料电池的乘用车还会在万量级,但同时商用车保有量可能已达20万辆左右。也就是说在2020年之前,燃料电池车辆以商用车为主流,而商用车如果要确保每天平均续航历程200公里,日加氢量在8公斤左右。乘用车的加氢需求量很小,可暂时忽略。仅仅考虑商用车加氢量,2020年我国的日加氢量将达270吨/天,2025年将达到1700吨/天。从产量来看,我国是一个氢气大国,大量的工业副产氢也好,煤制氢、化工制氢、天然气重整制氢甚至可再生能源电解水制氢,每年氢气产能约2600万吨。氢源不是问题,真正的难点是氢气的运输,即如何将分散在各地的氢气配送到加氢站,或者是集中在燃料电池欠发达地区的氢气运送到需要氢气燃料的发达地区。因此如何保证氢气的供应,提高储运的效率,是燃料电池车辆这个行业规模化发展的一个重大瓶颈。

二、低温液氢产业链的比较优势分析

氢气的运输要着重强调低温液氢产业链。因为基于氢气特殊的性质,它的分子量密度最小,在高压下密度也有限。而目前现已知的技术把它低温化、液化是提高密度的最有效、最直接和最成熟的手段。事实上在氢气的储运领域有很多的技术,但是否能实现商业化及其适合的应用场景是有区分的。我们以日本作为对比:日本是一个能源匮乏大国,氢气进口量一直占据全球首位,并且通常采用运输船大规模从澳大利亚进口氢气。目前有两种进口的方式:一种是低温液氢船,还有一种就是常温常压化学吸附储氢。化学吸附即把氢气和甲苯形成苯环己烷氢化物的形式,以船运方式运输到日本,然后用油罐卡车送到化工厂里脱氢、净化后,以高压氢的形式配送到加氢站。而船运进口来的低温液氢到了码头之后,直接用运输车配送到加氢站。在日本的加氢站现阶段普遍都是以高压氢的方式加入到燃料电池车辆里面去。但是,全球尚未有人把吸附储氢产业化用于加氢站和燃料电池汽车,样车有但是没有批量化。吸附储氢这种方式有它的特殊用途和应用,比如在军用领域、大规模的海上运输和陆地运输等应用场景。

液氢与其他的储运方式相比,具有较大的技术与经济优势:第一,全产业链能耗低。每公斤氢气液化的能耗大约在10-13度电,当运输距离超过200公里时,液氢相比高压氢所节省的运费可以抵消掉液化工厂消耗的电费。第二,低成本扩容的产业优势。由于液氢储存密度大,所需要的储罐是最小的。当加氢站最初开始建设的时候,因为车辆比较少,它的日加氢量可能只有100公斤或200公斤。但是随着氢燃料电池车规模按量级增长,日加氢量可能达到上千公斤。新建一个加氢站涉及到土地的征用、流程的审批、设备的建造、安装调试、安评、环评等,耗时可能1-2年。因此布局基础设施建设最好的做法是先在相应的站点布局,前期先做小规模的示范性的加氢站,随着车辆的爆发,业务量的增长,在原有站点的基础上,迅速的扩容扩大规模,而高压储氢很难做到日千公斤的加氢量。因此低成本扩容是液氢加氢站的一个非常好的优势。第三,液氢质量有保障,满足超纯氢用户需求。由于液氢液化的温度非常低(零下253度),所有的杂质在液氢温度下都是以固体颗粒的形式存在的,杂质很容易分离,对于超纯氢用户以液氢作为供氢方式有它天然的技术优势。第四,液氢可以为燃料电池车辆提供多种燃料方式,比如常压液氢、常温高压气氢以及深冷高压气氢等燃料。而高压加氢站只能提供高压氢气。未来在我国车辆商用化发展的市场,液氢和深冷高压的用途可能会比高压氢更加普遍。类似于现在的液化天然气在商用车辆燃料中的应用,它在天然气燃料市场中能占据约四分之一到三分之一的份额,而液氢由于其密度特点会占据更高比例。

将高压储运和液氢储运产业链比较来看,具较大差异。第一,在储运效率方面,我们将40英尺的液氢罐箱与同尺寸的高压长管拖车进行比较:在自重上前者为15吨,后者为26吨;前者液氢有效装载量是2.5吨,后者为0.3吨左右(扣除不能排放出去的气体)。在此自重和装载量的比例下,使得液氢运输成本不到高压氢成本的1/8,且距离越远,成本差距越大。第二,在对外销售时,液氢比高压氢销售计量更精确。买卖氢气的用户都希望氢气产品在对外销售时能计量准确。现阶段氢气交易量少,计量误差矛盾还未凸显。在日交易量达到数百吨甚至上千吨时,销售氢气的企业将对计量的精准性非常敏感。液氢可以采用称重法计量销售,误差在1%以内;而高压氢目前只能用差压法,至少有约 3%的误差。第三,即前面提到的低成本扩容优势。由200公斤/天扩容到2000公斤/天,液氢加氢站只需要增加液氢泵、汽化器、蓄能器等辅助设施,而不需要新增储氢装置。并且建设同规模的液氢储氢加氢站相比高压储氢加氢站,总投资至少低15%—20%。

我们直观以数据比较两者高压储运和液氢储运产业链差异。第一,运费方面。以几何容积为40英尺罐箱为例,在90%的有效装载率下容积为36立方米,装载液氢的量大约在2.5吨,大约是27500标方。而长管拖车装载气体,额定工作压力为20Mpa,真实满载时压力只有18Mpa,尤其夏天受温度影响严重;往外排放时残余50bar,即5Mpa左右压力时氢气无法排除。在此条件下比较两者运输的单位标方运费,在200公里运距的时候每单位标方的氢气(液氢运输)运费不到0.1元,而高压氢为0.84元,前者为后者八分之一。对于高压氢,超过300公里时单位标方氢气运费已高于一块钱,这已经超出了现有企业的成本承受能力。因此,高压氢不适用于长距离运输。从技术和商业角度,液氢运输距离到2000公里以上没有问题。第二,销售计量方面。液氢在工业上作为一种工业气体销售,可以采用称重法,用常见的50吨地磅,其计量误差可以控制在20公斤以内,对于2.5吨的液氢来说计量误差不超过1%,工业上是允许的。但高压氢只有300多公斤,只能采用差压法,即满载的时候氢气的压力和卸车之后氢气的压力的差值,同时考虑温度、压缩因子等的影响,用复杂的计算公式来进行修正,误差在3%左右。此外还有压力表的计量精度、温度测试误差的问题,每300多公斤就要计量一次,一天销售10吨,它计量的次数会是液氢计量次数的6-8倍,还有一个多次计量的累计误差存在,因此规模化销售时气体企业更希望用液氢的方式计量。第三,低成本扩容案例。我曾经分别于2014年、2016去美国同一座加氢站,即plug power建造的液氢加氢站实地考察。plug power是目前全球内部液氢加氢站最多的公司,它在美国为物流企业的叉车建造超过60座液氢储氢加氢站。在建设初期,它的日加氢量只有两三百公斤。到了2016年,这个加氢站因为附近的沃尔马仓储中心燃料电池叉车的增加,日加氢量增加到600公斤。此时,它并未改造液氢储氢容器,只是增加了一组储氢瓶和一个高压汽化器。如果再继续扩大规模,它可以再增加一个液氢泵,这些都属于辅助设备,对整个加氢站的占地面积没有影响。同时,对设备投资来讲,它仅仅增加了20-30%的投资,可使得加氢站的日加氢能力扩大3-5倍,投资收益显而易见。

三、全球液氢工厂建设和产业链规划

全球的液氢产业链到底发展到了一个什么样的规模,我们可以根据发达国家现在的情况,来反思一下我国要做到什么样的程度才能匹配我们的燃料电池车辆的发展。全球目前已经有数10座液氢工厂,总液氢的日产能470吨,其中加拿大和美国两个国家占了全球液氢产品总量的85%以上。美国有15座以上的液氢工厂,液氢日产能达300吨以上,居于全球首位。欧洲20多吨的液氢日产量,4座液氢工厂。亚洲有16座,主要分布在日本、韩国等,我国的液氢工厂比较少。从应用来看,以全球最大的液氢国——美国为例,美国有1/3的液氢,也就是一天有100吨以上用于石油化工电子行业,不到20%用于航空航天领域,有超过10%是用于燃料电池车辆的。plug power每天采购液氢的量已达到25-30吨以上。未来用于燃料电池车辆的液氢比例可能会超50%。

从全球液氢储氢型加氢站的分布来看,目前主要集中在美国、欧洲和日本。看液氢一定要看plug power这个非常特殊的企业,它建的60座液氢加氢站,这个数据在全球 对外运营加氢站的统计数据里面是看不到的。但是它这些加氢站实实在在存在,而且占据了目前美国液氢销售相当重的一个比例,该公司70%左右的营收来自于买卖液氢业务。而日本现在建的加氢站绝大多数都是液氢储氢加氢站。目前日本燃料电池车辆运营并不理想,加氢站门可罗雀,而液氢如果不及时加出去会汽化变成氢气排放。因此,日本顶着加氢能力不足,大量的氢气汽化,氢气损耗这样的压力,靠着政府的补贴,还在这样重点布局和批量化建设液氢加氢站点。我们知道日本是寸土寸金的,建设一个加氢站不易,它这一个站将来面对的车辆肯定不是现在每天几十辆这样一个状况,而是成百甚至数百辆。所以说日本规划液氢加氢站的目的就是为了等待未来燃料电池车辆的爆发。

从液氢在终端燃料罐领域的应用来看,目前车载供氢系统有多个技术路线。虽然现在更多的是35Mpa的高压系统,70Mpa的高压系统在乘用车也会越来越广泛。我们不能忽略掉液氢以及深冷高压在车辆终端的应用。尤其是对于商用车辆,将来为了提高续航里程,增大储氢密度和储氢量,液氢储氢和深冷高压会越来越多的应用在车辆终端上。液氢储氢适合超大功率储氢商用车辆,而且一旦加注了之后就会持续使用,这也契合商用车特点。因此,在乘用车领域终端想推广液氢是不可能的,因为加了氢之后如果不用,液氢会气化排放产生损失和危险。而商用车没有这个问题,燃料加进之后马上就去用掉。商用车采用液氢储氢,一方面提高了储氢的效率,同时还规避了排放风险。所以对于重型卡车,大型公交车辆等,将来液氢非常适合,类似于车辆液化天然气的应用。当然,商业化的船舶、列车轻轨等也非常适合液氢储氢。液氢因为分子量小常压下密度低的特点,所以还存在一个其他工业气体所不具备的特性——深冷高压超临界状态,它具有比70Mpa更低的压力,而同时又具有比常压的液氢更高的密度。所以说深冷高压储氢是一种提高安全性、提升续航里程的重要措施。宝马相关的样车已经生产出来,长城汽车也在走这个技术路线。将来的乘用车要想达到700公里甚至1000公里以上的续航历程,70Mpa达到这个技术相对来讲更难一些。而对于深冷高压储氢这种方式来讲,乘用车突破1000公里的续航里程是指日可待的。不仅是乘用车,包括一些城际客车这些对续航里程要求比较高的车辆,都更适合使用深冷高压气氢。但是如果没有液氢,深冷高压状态是达不到的,即先要有液氢才会有更高密度的深冷高压储氢方式。所以说这也是液氢产业链要突破要推广要建设的一个原因。它还关系到未来乘用车续航里程的发展。

四、我国液氢工厂建设和产业链规划

那我国现在液氢工厂建设到底到了一个什么样的程度?事实上,我国现在液氢工厂的建设少的可怜。若没有相应的液氢产业链和相应的基础设施建设起来,单靠现在的高压加氢站,燃料电池车辆是发展不起来的。就像充电桩制约了锂电动车的发展一样,氢燃料是制约燃料电池车辆发展的重要因素。说是加氢站是太简单了,应该说是液氢制约了燃料电池车辆的发展。

目前我国液氢日生产能力约5吨,而且全部是用在航天火箭发射及相关的实验研究。因为只有军方在用、规模小,所以它的投资和价格是高得离谱。就像海南文昌2.5吨/天的液氢工厂,其项目总投资超过了3亿元。军方做国家战略是可以不计成本的,但对于民用产业领域,成本控制是非常关键的。从全球的发展以及从我国50年航天事业的发展来看,液氢标准技术和安全管理都不是障碍。关键是如何把它商业化并进行成本控制。

我国也有相关的标准和规范,并且特别指定。比如说,在国标50016《建筑设计防火规范》里面特别说明:在设置液氢储罐的时,它的安全间距可以比液化石油气储罐的防火间距减少25%的。言下之意,液氢的储存至少是比液化石油气的储存安全得多。液化石油气的储罐遍地都是,则液氢完全可以很安全的储存在我们的周围。

从富瑞氢能液氢工厂控制成本的方法来分析,这是我国最早开始液氢工厂商业化和市场化的企业。要想做这一领域肯定是要有先导的企业考虑如何把它的成本降下来。基于我们团队对液氢这个领域10年以上的研究,从2008年开始核心团队就和我国航天系统合作跟液氢相关的项目,在前面的这些液氢储运的基础上,研究全球氢的液化情况,通过技术比较和经济性分析之后,从前年开始引进了俄罗斯的工艺包和俄罗斯的膨胀机。军用的液氢工厂规模都非常小,但如果说扩大规模,规模效益会使得液氢工厂的经济性非常好。目前我们做下来,6吨/天可以实现市场化的盈利,30吨/天的规模就可以达到高水平的收益。如果到了100吨/天这样一个规模,液氢的投资收益相当可观。而在进行降低成本的时候,选择氢源是很关键的。我们也分析过美国18吨/天以上的液氢工厂的氢气的来源。就两个来源:一个是天然气重整;另一个是工业副产氢。美国天然气的价格是非常便宜的,所以天然气重整制氢这方面的优势我们没法比,但是工业副产氢我国是有优势的。所以说以这些工业副产氢PSA净化后作为液化的氢源是可以降低成本的。同时像有些化工领域,比如丙烷脱氢制丙烯产生的副氢,工艺过程中还有相当多的冷能可以利用,通过冷能利用技术可以降低液化的能耗。理论上来讲,如果说小规模的液氢工厂,氢液化每公斤的能耗在13度电,但通过冷能回收,通过优化流程可以降到每公斤的能耗10度电以下。氢的液化过程单独靠自身是液化不了的,必须要进行深度的预冷。在一般的流程当中是要用液氮来进行预冷的,虽然液化工厂消耗的液氮的量比较大,但是自身上空分厂来生产液氮是不合适的。国内已经有非常成熟的液氮物流的供应链。通过国内成熟的供应链采购液氮,来减少液化装置的投资,是降低液氢工厂投资的一个重要因素。可以通过这些方法来降低成本来获得廉价的液氢。

这是一个6.5吨的富瑞氢能的液氢工厂示范项目。基于氢气每标方1.2元的价格和0.6元/度电的测算,可以实现配套12座500公斤/天的加氢站来降低成本。这个示范项目我们预计初步的选址在湖北的枝江,预计2019年的6月会建成投产。在这个示范项目之后,后续我们会做100吨/天的液氢工厂。因为这个规模是跟目前美国的规模是非常相似的。这个规模包括了每3座每天30吨的液化工厂,可以支持180座500公斤/天的加氢站,在500公里的一个运输半径里面,实现全产业链的非常好的投资回报率。规划未来五年在我国建设3个每天100吨的液氢工厂基地,可以支持300座1000公斤的液氢加氢站,每个加氢站可以配套150辆商用车,能够支持45000辆的商用车的商业化运营。

这是目前我国适合建设液氢工厂的氢源和它所处的位置。适合建设氢液化工厂的氢源,包括丙烷脱氢项目,包括氯碱工业副产氢,核电站的富余核电制氢等等。能够建设液氢工厂的位置主要也是集中在江苏、浙江、福建、广东、陕西、湖北、山东、陕西、重庆等地。这也是我国长三角、珠三角、京津冀发达地区和氢燃料电池车辆的发展地区。在它的运输半径里面, 500公里的运输半径已经可以覆盖我国的华东、华南和华中地区。这是我们在液氢储运方面所做的工作,液氢的储罐和液氢的罐箱已不是问题。

这是目前富瑞氢能所能够做到的高压加氢站和液氢加氢站的一个投资运营的比较。在建站总投资上,如果说是一天1000公斤的加氢站,在含土建、安装、土地审批之后的总投资在1300万左右,其中在设备投资将近1000万。而设备的功耗包括了压缩机的功耗以及快速加氢之前要对氢气进行的预冷,还有另外单独耗功,总功耗在220千瓦左右,配制3台加氢机每天可以加入150辆的商用车。而对于液氢加氢站来讲,达到每天1000公斤的加氢量建设总投资的1100万,设备的投资只要700万左右。而设备的功耗,因为液氢泵本身比氢气压缩机功耗要低,液体增压比气体增压耗功要小,同时液氢的冷能可以回收,来对加注前的高压氢气进行降温,所以说液氢加氢站的能耗只有高压加氢站的一半,总投资降低25%,能耗降低50%。而安全间距液氢比高压氢的安全间距要小的,所以说占地面积还可以节省15%。从这个分析上来看,我们最终得出的结论就是,液氢才是燃料电池汽车大规模运营的终极保障。

编辑:Tang

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