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石化企业发展氢能面临四大问题

更新时间:2019-07-03 08:32

  

  程一步 

  在石化行业中,氢气既是石油炼制和石油化工的副产品,又是石油炼制和石油化工加氢工艺过程的重要原料。随着我国原油资源日趋重质化、劣质化,产品加工深度和无害化要求不断提高,以及化工向下游的精细化发展进步,氢气原料的作用愈显重要,吨原油加工氢耗呈上升趋势。

  利用石化资源和技术支持氢能生产与供应

  石化行业氢气主要来自装置副产和制氢设施。副产氢气主要有重整副产氢、乙烯裂解副产氢等,此外,加氢装置的低压分离气、焦化干气等炼油厂富氢气体,采用PSA吸附等提浓技术可提浓氢气。制氢设施主要有天然气或炼厂干气作为原料的甲烷蒸汽转化制氢。近年来,煤制氢工艺由于氢气成本较低也建设较多。炼油厂主要氢气来源见表1。

  初步测算,2017年我国石化行业共加工原油约5.68亿吨,消耗氢气约900万吨,其中重整副产氢约占40%,其余为天然气制氢、乙烯副产氢、煤制氢及其他。

  石化企业在支持氢能生产与供应上有以下几方面优势。

  首先,具有制氢、用氢经验及分布广泛的氢源优势。石化行业具有数百万吨级制氢能力,企业分布在国内各地且均具备制氢能力和经验,可以为未来氢能利用提供氢源。

  其次,具备利用加油站改造为加氢站优势。2018年我国已有超过10万座加油站,其中,中国石化、中国石油两大集团的加油站分别为3.06万座、2.14万座,分别占比29%、20%;民营加油站约5万座,占比47%;中国海油、中化、中外合资等其他加油站合计约4200座,约占4%。加油站约有一半为石化企业所有,未来可利用这些加油站改造为加氢站,可节约大量站用土地征地费用。

  再次,具有强大的专业研发实力优势。国有石化企业拥有数量众多、科研实力雄厚的研究单位,在制氢、氢储运、储能技术和材料等研发上具有优势。

  石化企业发展氢能业务面临四大问题

  根据全国氢能标准化技术委员会《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》(2016)研究结论,我国近期、中期、长期氢能产业发展目标如下:

  近期:2020年,可用于氢能利用的氢气产能规模达到720亿立方米/年(648万吨/年),其中可再生能源制氢示范项目和工业副产含氢气体回收氢气产能规模达到10亿~15亿立方米/年;基本建成与美国、日本等发达国家同等完善水平的标准规范体系;在京津冀、长三角、珠三角、武汉等氢能与燃料电池产业发达地区*实现氢能汽车及加氢站的规模化推广应用,建成小规模的氢基础设施网络,加氢站总数达100座以上;固定式燃料发电达到20万千瓦,燃料电池运输车辆达到1万辆;在京津冀、长三角等地区,示范应用用户侧热电联供(CHP)氢利用系统。氢能产值目标3000亿元。

  中期:2030年,可用于氢能利用的氢气产能规模达到1000亿立方米/年(900万吨/年),其中清洁和低碳制氢产能规模达到200亿立方米/年;驰放气等工业副产含氢气体回收利用效率大幅提高,产能规模达到100亿立方米/年;累计建成3000千米以上氢气长距离输送管道;扩大加氢站的覆盖面,重点构建沿高速公路的加氢站点,连接重点区域,如形成京沪广氢能高速公路,燃料电池车辆保有量达到200万辆,加氢站总数达1000座以上,初步形成与燃料电池车辆保有量相匹配的供氢网络;在京、沪、广等重点区域推广氢能轨道交通;固定式燃料电池发电规模达到10000万千瓦,其中分布式发电规模达到5000万千瓦。氢能产值目标10000亿元。

  长期:2050年,加氢站服务区域覆盖全国氢能产业发达地区,参照加油站分布状况及要求,完成高速公路加氢站布局;燃料电池车辆保有量达到1000万辆。氢能产值目标40000亿元。

  从表2可以看出,未来氢能源产业链市场规模较大,石化企业可以利用自身优势,在氢能产业链中占有部分市场。

  石化企业发展氢能业务面临四大问题。

  首先,介入氢燃料电池和加氢站业务较晚,不掌握先发优势,缺乏相关技术支撑。由于过去长期从事传统石油化工业务,石化企业介入氢燃料电池和加氢站业务较晚,不具备先发优势。目前还未形成有优势的关键技术,缺乏技术支撑。如对石化企业而言,目前在可再生能源发电、电解水制氢、混输氢、加氢站运营建设等方面尚缺乏经验。

  其次,产业链发展面临的风险较高。目前氢能产业处于导入期,产业尚不具备经济性,需要依靠国家和地方的补贴。全产业链流程较长,上中下游发展不均衡。如终端应用技术开发进程影响上游资源供应,提供氢气和加氢服务的石化企业难以把握。产业链发展面临的风险较高。

  再次,国外专业公司觊觎国内市场。目前,国际上大的气体公司如美国Air Products公司、法国Air Liquide公司、德国Linde公司、日本岩谷公司等,都对氢能基础设施建设非常重视。据不完全统计,截至2018年底,全球加氢站数目达到369座,其中Air Products 公司、Air Liquide公司和Linde公司建设的加氢站占全球加氢站总量的60%左右,是当前氢能基础设施建设的主力军。这些国外专业公司将是未来石化企业在制氢、输氢、加氢业务方面的强劲竞争对手。

  *后,国内同行竞争。根据初步研究,目前我国年产氢气超过2000万吨,其中约50%用于生产合成氨和甲醇。我国当前煤化工工业具有强大的制氢基础,制氢富余量较大,这些企业均有可能与石化行业供氢业务形成竞争关系。如国家能源集团(原神华集团)已经建成的80台煤气化炉,若用来为燃料电池车辆供应氢气,则每年可生产氢气400万吨,可以为4000万辆车提供动力。国家能源集团已制定氢能产业规划,根据其规划,国家能源集团拟把氢能产业打造成支撑其建成世界*清洁能源企业的重要板块。为了推进其氢能发展战略落地,国家能源集团正在着力探索建立氢气从制取到应用的全产业链,参与产业投资和技术研发,其产业投资拟包括氢能的制备、氢能储存和运输,加氢、供氢设施;技术研发拟包括制氢技术、储运氢技术、燃料电池技术等。

  利用自身优势发展氢能业务

  目前新能源汽车的发展很快,对石化行业的影响日趋明显。根据有关研究,如果按照规划2020年新能源汽车保有量达到500万辆计算,预计将替代汽油435万吨,汽油替代率为2.9%;2025年将替代7.4%的汽油;2050年后新能源汽车保有量突破1亿辆时,将替代27.6%的汽油,届时整个成品油的替代率也将上升到14.2%,必将严重影响传统交通油品生产和销售。石化企业要密切跟踪新能源汽车的发展动态,特别是关键技术的突破,超前谋划石油产业链的转型与调整,应该积极渗透、适时介入新能源汽车产业链,尤其是氢能产业链。

  国家《能源技术革命创新行动计划(2016–2030年)》中已对氢能与燃料电池技术创新提出了要求:①研究基于可再生能源及先进核能的制氢技术、新一代煤催化气化制氢和甲烷重整/部分氧化制氢技术、分布式制氢技术、氢气纯化技术,开发氢气储运的关键材料及技术设备,实现大规模、低成本氢气的制取、存储、运输、应用一体化,以及加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用。②研究氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)技术、甲醇/空气聚合物电解质膜燃料电池(MFC)技术,解决新能源动力电源的重大需求,并实现PEMFC电动汽车及MFC增程式电动汽车的示范运行和推广应用。③研究燃料电池分布式发电技术,实现示范应用并推广。石化企业可发挥主业依托优势,重点开展相关工作。

  第一,开发新技术实现大规模、低成本、高效、低污染制氢。目前化石原料制氢技术成熟,在其他制氢技术尚不成熟阶段,可作为过渡性的制氢方式,但需重点解决投资成本高、污染严重和碳排放量大等问题。生物质制氢原料来源广泛,属于可再生能源,应用前景光明,但产氢速率慢和效率低是*大的局限。电解水制氢是制备高纯度氢气的*主要来源,尽管技术成熟、工艺简单,但由于采用直接电解方式,综合考虑发电效率,能量转化效率不具备竞争优势。光解水制氢利用取之不尽的太阳能,未来工业化应用潜力巨大,需要在光能利用效率和产氢速率等方面有所突破;如能充分利用可见光的能量进行水解制氢,将极大提升光能利用效率和产氢速率。高温热解水制氢原理简单,但实用性不强,高温设备、氢氧分离和分解效率都是目前的瓶颈。热化学循环水分解制氢可耦合核能、太阳能甚至是工业废热进行高效制氢,每一步反应条件温和,理论上不会排放任何污染物,若能在高温耐腐蚀材料等方面实现突破,将是*有希望实现工业化规模应用的技术方式。石化企业近期应开发低能耗、低排放化石原料制氢技术,如在煤资源、水资源和环境许可地区开展煤制氢的业务,为石化企业提供低成本氢源的同时,为附近氢设施提供氢气;中长期应开发可再生能源制氢技术,如可以利用现有的油气田作业区,发展可再生能源制氢、发电联产,实现可再生能源和低成本制氢的耦合。

  第二,建设运输、加油(气)/充电/加氢一体化运营网络。目前氢燃料汽车推广应用*大的障碍之一就是氢气运输困难和加氢站严重不足。石化企业可利用天然气管线、加油站和加气站网络遍布全国的优势,一方面可以利用现有天然气管网混输利用弃风、弃光等制取的氢气供应市场,另一方面可以依托现有加油站建立多功能加油、加气、充电、加氢站一体化站,既满足氢能发展需要,又可降低油品销售下降对石化企业带来的负面影响。

  第三,加强与氢能产业链相关的汽车轻量化等领域新材料开发。轻量化是新能源汽车发展的必然要求和方向,合成树脂基材料开发与应用技术的创新是汽车轻量化的关键所在,包括新型高强度、低密度轻质材料的开发和轻质零件的制备等,石化企业可在未来汽车轻量化等领域新材料的发展中开发高性能合成树脂材料有所作为。如开发新型储能技术、电池材料,加强碳纤维、工程塑料、复合材料等高强度、低成本汽车轻量化材料开发,加强汽车制造用高端化学品(材料)开发,例如密封材料、轮胎材料、车身外部与内饰材料、窗玻璃材料、大灯材料、发动机周边材料及涂料等。

  第四,加强氢能利用领域科研基础研究。石化企业应加强与氢能应用相关的基础研究工作。如新材料领域应加强极性单体共聚技术、碳纤维复合材料技术、石墨烯改性技术、聚烯烃弹性体、发泡聚烯烃、特种合成橡胶、特种工程塑料等的研究,发展基于分子调控的高性能合成材料工艺,在未来材料发展中占得先机。氢燃料电池领域着重关注储能技术和燃料电池的研究,特别是氢燃料电池,争取在质子交换膜、储氢材料等关键技术上取得突破,实现产业化。氢能相关标准领域积极参与氢能相关标准的制定,把握技术发展方向,掌握市场竞争的主动权。

  第五,加强与日本、美国、德国等发达国家氢能利用方面的合作。目前日本在燃料电池各主要技术领域处于*的*地位,而且技术*为全面。美国在燃料电池技术方面具有较强的研究实力,从专利技术来看,美国的专利数量排名第二(美国*在燃料电池技术进行了研究并成功应用,但是近年来其专利数量被日本超越)。从燃料电池专利申请数量来看,德国排名第三。我国相关技术还有较大差距。石化企业可选择与日本、美国、德国等*企业深入交流合作,借鉴国外的燃料电池和氢能技术发展经验,推动氢能技术产业化进程,确保技术竞争力。(作者单位:经研院)

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