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发展氢能对石化企业的战略意义
文章来源自:能源情​报
2019-03-05 17:51:57 阅读:1551
摘要加油站转换成加氢站经计算,在FCEV保有量达到一定规模下是能盈利的。

当代石油石化国家对于新能源汽车的发展投入了巨大的政策和资金支持,国际能源网根据财政部及工信部公布的国家财政补贴数据及国补地补比例,测算在2009–2017年的9年间,中央财政和地方财政总计为新能源汽车补贴了大约1600亿元。  

在逐步调低纯电动汽车补贴的同时,并未调低燃料电池汽车的补贴力度。2016年12月19日国务院印发的“十三五”国家战略性新兴产业发展规划中明确提出“完善动力电池研发体系;开展燃料电池、全固态锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池等领域新技术研究开发;到2020年,实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。”2018年1月,科技部部长万钢提出氢燃料电池研发投入将超50亿元。2月11日中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟成立。  

氢燃料电池汽车(以下简称FCEV)是国家未来新能源汽车的重要选项,是提高能源自给率、保障国家能源安全的重要手段,是降低机动车污染、提高城市空气质量的重要路径。目前发展FCEV存在制造成本过高和缺乏加氢基础设施两大难题,从美国能源部、世界氢能理事会、德国联邦运输和数字基础设施部、丰田公司公布的资料分析,这两个问题的解决都是可期的。  

1.FCEV的制造成本会大幅下降,2025年可与混合动力车价格相当  

1838年,德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班提出了燃料电池的原理。1966年1月,通用汽车研发出了世界上第一辆FCEVElectrovan,仅有5kW的输出功率,但却能提供113km/h的最高时速,原料是液氢和液氧,充满氢燃料后的单次续航能力可达193km。20世纪90年代初,基于质子交换膜燃料电池高速进步,各种以其为动力的电动汽车相继问世。  

1994年,奔驰燃料电池样车NECAR1问世,质功率21kg/kW;1996年,奔驰推出NECAR2,质功率提升至6kg/kW;1997年,奔驰推出NECAR3,续航达到400km;2016年6月奔驰公布了世界首款插电式混合动力燃料电池车GLCF-cell。  

丰田汽车于1992年开始进行FCEV相关研发;1996年,搭载燃料电池和贮氢合金燃料罐的丰田FCEV实验车首次对外展示;2008年,丰田公司推出燃料电池车FCHV-adv,成本1亿日元以上,燃料电池能量密度1.4kW/L;2014年底,丰田推出世界首辆量产版燃料电池车Mirai,能量密度提高到3.1kW/L、0.5kg/kW,售价降为723.6万日元,不到2008年的5%。丰田为降低成本,采取了多方面的措施:①减少填充氢燃料的高压氢燃料罐的数量;②采用混合动力车用马达等低价位量产部件;③简化燃料电池组和高压氢燃料罐构造;④提高燃料电池组的输出密度以实现小型化和高性能化,从而削减材料费;⑤减少燃料电池组的铂催化剂用量;⑥研究出不使用加湿器也能加湿电解质的方法,去掉了燃料电池系统的加湿器等。  

麦肯锡咨询公司代表德国联邦运输和数字基础设施部对氢能和燃料电池技术国家创新计划NIP(2006–2016)进行了项目评估。总结中提到,2016年氢燃料电池的成本相比2006年下降60%~80%,同期日本企业成本下降了85%。质子交换膜燃料电池的寿命相比2011年延长了1倍,达到25000小时,业界领先的日本产品达到70000小时。  

从20世纪90年代初各车企介入FCEV的研发,不到30年的时间取得了长足的进步,而且这种进步的速度并没有慢下来的迹象。但相比电动汽车1830年推出世界首辆电动车,1895–1905年的10年间电动汽车的销量一度占据了30%~50%的市场份额的发展史,氢燃料汽车还很幼小、发展还不成熟,技术进步及规模化生产都存在使成本下降的巨大空间。  

目前,FCEV成本最高的是燃料电池和储氢罐,据测算燃料电池占整车成本超过50%,储氢罐占14%。以国内企业主要向美国杜邦公司采购的Nafion质子交换膜为例,每平方米质子交换膜成本约为400美元以上,一般每辆FCEV需要20平方米以上,光质子交换膜成本就需要5万元。十年前1kW燃料电池要负载至少0.8~1gPt,一辆车就要100gPt,仅贵金属的费用就要2万元。储氢罐成本最高的碳纤维过去要几十万元1吨。  

据DOE预测,通过规模化生产及技术改进,燃料电池的成本2020年能达到40美元/kW,最终能达到30美元/kW。即使在2016年的技术水平下,当生产规模扩大到50万台,燃料电池的成本也能达到53美元/kW的水平(当生产规模为1000台时,成本为215美元/kW)。  

DOE把FCEV系统各项拆分后,根据规模化生产和技术进步分别预测了其成本下降的空间:  

1)通过规模化生产,当燃料电池生产系统从1000套/年扩大到50万套/年,系统成本下降可达75%以上。  

燃料电池堆成本下降82%,其中双极板成本下降62%,质子交换膜成本下降93%,催化剂成本下降60%,气体扩散层成本下降95%。辅助部件成本下降60%,其中空气环路成本下降50%,加湿和水环路成本下降92%,高温冷却环路成本下降31%,燃气环路成本下降31%,传感器成本下降74%。  

2)通过规模化生产,当产量达到50万套/年,储氢系统成本降幅超过50%。  

3)通过技术进步,催化剂Pt用量由十年前0.8~1.0g/kW降低到0.3~0.5g/kW(丰田Mirai已经达到0.17g/kW),近期目标是0.1g/kW,长期达到内燃机尾气净化器用量水平(<0.05g/kW)。  

从目前的科研进展情况看,研究人员在研究用Pd替代Pt,Pd3Fe/C、Pd-Ti/C等钯基催化剂表现出了良好的性能,其他非贵金属替代研究也取得相应进展。碳纤维通过大丝束、快速氧化等手段有望使成本降低到8万元/吨以下。  

从以上因素分析,FCEV成本下降是可期的。丰田预估2020年其燃料电池系统(包含储氢罐)成本从2015年的50000美元降到13000~17000美元,到2025年燃料电池系统与混合动力系统实现平价。  

2.当FCEV拥有量达到一定规模后,使用成本会与电动车持平  

FCEV的使用成本即氢气的价格,目前的加氢站的氢气价格普遍偏高,经调研国内某加氢站氢气价格为56元/kg,其中制氢+运输成本为33元/kg,加氢成本22元/kg。目前日本的加氢站的氢气售价为1000日元/kg,约合人民币57元/kg。因目前的加氢车辆过少,氢气运输车辆及加氢站的设备摊销成本过高,致使在氢气价格如此高的情况下加氢站还处于亏损经营状态。  

2.1氢气的制造成本  

煤制氢在煤价为160~1000元/t时,氢气的成本为6.7~13元/kg;天然气制氢在天然气价格为1.5~3.5元/Nm3时,氢气成本为8.9~19.5元/kg;电解水制氢在电价为0.6元/kW·h时,氢气成本为33~44.5元/kg;而用谷电制氢时,氢气的成本可下降到20元/kg。  

工业的副产氢气如钢厂企业、氯碱工业,及可再生能源发电电解水制氢,成本也在11~16元/kg。天然气和氢气都可以通过煤来制取,张玉卓院士比较过煤制天然气-内燃机技术路线和煤制氢-燃料电池技术路线,WTW综合能效分别为9.56%,24.67%。同样是煤制气-气通过管道传输-汽车背气瓶,煤制氢-燃料电池路线综合能效优势明显,同时拥有环保优势。  

现有天然气资源,利用成熟的天然气管网+鱼雷车配送到相应的加气站,不用新建转化装置,CNG车平均效率为18.9%,与甲烷制氢-燃料电池路线总效率相差不大。CNG车比普通燃油车成本增加不多,CNG的售价稍低于汽油售价就具有市场竞争力,不需要将天然气转换成氢气,既有较大的盈利空间,同时较高的天然气价格将使氢气的成本过高。在未禁售内燃机车时,可不考虑用天然气制氢供FCEV使用。除部分副产氢气以外,未来FCEV大部分氢气还是需要通过煤制氢供给,辅助少量弃电制氢。氢气的制造成本控制在13元/kg左右。  

2.2氢气的运输成本  

目前,成熟的氢气运输方式有鱼雷车运输压缩氢气、液氢运输和管道输氢。衣宝廉院士测算用鱼雷车运氢,在200千米以内,每天运输10吨氢,包括压缩,存储设备的折旧费用,每千克氢的运费仅2.02元。但鱼雷车不适用于长距离、大规模运输。  

制造液氢投资大、能耗高,FCEV不需要使用99.9999%纯度的氢气,加氢站需气化装置,并把常压氢气压缩到70MPa,优点是液氢适合长距离运输,并且运输量大,加氢站液氢存储量大。但整体经济、能耗指标都不太合算。  

管道输氢初始投资高,但输量大、后期能耗低、运行费用低,管输氢价格比照管输天然气价格。天然气管输价格国家发改委2017年9月重新核准后在0.12~0.45元/千立方米·千米,氢气密度为0.089kg/m3,氢气的管输价格为(1.3~4.8)×10-3元/千克·千米。未来大规模普及FCEV车,最合理的氢气运输方式是管网+鱼雷车运氢相结合的模式,成本应低于3元/kg。  

2.3氢气的加注成本  

加氢站的建设成本1000~1500万元,主要成本为压缩机及碳纤维储氢罐,不含土地费用。加油站的建设成本中设备、建筑费用约200万元,最主要的费用是土地,而土地的费用目前1000万~1亿元。相比土地的价格,设备费用的差距对收益影响较低,最主要影响收益的因素是车流量。  

如果车流量相同,加油站吨油毛利200~400元,每辆车加油按50L计,即一辆车赚取8~16元利润。一辆FCEV可储氢5kg,则需要每千克氢气赚取1.6~3.2元利润即可与加油站的收益持平。考虑初期FCEV车流量较低,加氢站负荷率较低,初期需要较高毛利率弥补投资折旧,保障加氢站利润率。  

按上述计算,以煤制氢为例,在FCEV车拥有量达到一定程度,氢气的价格为13+3+12=28元/kg,即可以保证生产、运输、销售环节都有合理的利润。目前丰田Mirai百千米耗氢0.8kg,百千米运行费用为22.4元。  

纯电动车百千米运行费用为21.4元左右。以特斯拉ModelS85D和比亚迪e6为例。ModelS85D在充满了85kW·h的电量后,最高行驶里程可达434km,百千米耗电19.6kW·h。新款比亚迪e6充满82kW·h的电量后,最高续航里程达到400km,百千米耗电20.5kW·h。在充电费用方面,截至2015年8月,我国已有17个省市出台了电动汽车充电服务费标准,充电服务费在0.65~2.36元/kW·h不等,取平均值为1.07元/kW·h,约合百千米运行费用为21.4元。如果电动汽车在家充电,电费为0.5元/kW·h,百千米运行费用为10元。当FCEV保有量达到一定规模,有配套的氢气输送管线,加氢站客流量与普通加油站持平,FCEV的使用成本可与纯电动车基本持平。  

3.FCEV的购车成本及使用成本具备大规模推广的可能  

汽油车百千米油耗按7L计算,百千米运行费用约为50元。按2025年丰田FCEV估算价格,比普通车型贵3000~4000美元,氢气售价按28元/kg计算,家用FCEV大约要行驶12~16万千米可赚回差价。普通家用客户存在一定疑虑,但对于动辄行驶几十万千米、百千米油耗高的出租车、公交车、商用车辆、载重货车、高负荷工程车等商用车辆,低廉的使用成本将很快弥补车价的价差,即使没有政府的各种鼓励政策也具备快速市场推广的可能。与上述用途燃油车相比,FCEV除经济优势外还具备环保、行驶噪音小、舒适度高等优势。  

FCEV车相较纯电动车同样更适用于高频度、长里程和重负荷等工作场景。用2030年的成本估算,例如,一个拥有30kW·h的电池(2016年尼桑leaf的电池大小)的英博动力总成,将比具有类似储存能力的FCEV便宜约35%。然而随着容量的增加,FCEV会变得更便宜,因为氢的储存成本比电的要小的多。在约55kW·h的情况下,2种动力系统的成本是一样的,相当于300千米的范围。除此之外,FCEV的价格可能要低于纯电动车。当续航里程达到1000千米时,FCEV的成本要低55%。卡车具有长运距和高负载的需求,FCEV具有更大的优势。  

由法液空、奥迪、宝马、奔驰、通用、本田、现代、岩谷、川崎重工、Shell、挪威石油、林德、道达尔、丰田等18家企业组成HydrogenCouncil(氢能理事会)出版的《HydrogenScalingup》中预测,到2030年,在美国加州、德国、日本和韩国销售的每12辆汽车中,就有1辆可能由氢驱动,超过35万辆氢卡车可以运输货物。  

燃料电池叉车方面PlugPower公司已与亚马逊达成协议,为亚马逊已有的仓储网络提供PlugPower燃料电池和氢气技术。亚马逊将在选定的仓储中心开始使用GenKey技术为其工业设备(例如叉车)供电,这一举措将提供更快的充电时间,降低成本并且提高亚马逊仓储中心的效率。本次商业协议的金额将有望达到约7000万美元。此外,亚马逊将收购其23%的股权。据美国能源部2016年5月统计显示,2008年美国氢燃料电池叉车数量在500辆左右,到了2016年美国26个州的氢燃料电池叉车数量已经超过了11000辆,年复合增速高达56%。如今沃尔玛、宝洁和可口可乐等大零售商都有采购应用氢燃料电池叉车。  

4.发展氢能对石化企业的战略意义  

1)石化企业的炼化企业转型成制氢厂+化工厂可实现存量资产的最大价值利用  

1个千万吨炼油百万吨乙烯的炼化一体企业,炼油工艺装置大概只占总投资的30%。可以假设在电动车成主体的时代,化工装置还会正常运转,航煤继续生产,但部分炼油及剩余配套装置的负荷都将下降,如何发挥其他剩余资产包括制氢、空分、储运、给排水、消防、环保设施、供电、热工、码头、土地的价值尤为关键,这些资产占总投资的45%。相比电动车带来的影响,转产氢气后,能有效利用这些资产,挖掘存量资产的价值。  

2)原油及成品油管道资产在氢能时代可为石化企业带来竞争优势  

石化企业拥有大量的成品油管道和原油管道,应研究这些管道输送氢气的技术可行性。这些管道把炼厂和消费端紧密地联系在一起,可最大限度地降低配送成本,也是石化企业在氢能领域形成竞争优势的优质资产。  

3)石化企业拥有的数万座加油站在氢能时代将成为战略资源,能够维系石化企业在石油时代就形成的车用燃料主要供应商地位  

加氢站的建设与加油站同样有安全距离的要求,在城市土地资源紧缺的情况下,新的加氢站建设必须依托现有加油站。加油站转换成加氢站经上述计算,在FCEV保有量达到一定规模下是能盈利的。充分发挥这些存量加油站土地资源价值是石化企业实现可持续发展的必然选择,转换成加氢站就是一种可供选择的路径。  

FCEV对氢气的质量要求苛刻,比汽油还要苛刻的多,我们有理由相信消费者对石化企业品牌的信赖到氢能时代不但不会变弱,而会加强。石化企业在氢能时代同样会扮演石油时代车用燃料主要供应商的角色,实现石化企业的可持续发展。  

4)我国现有7.5亿吨炼油能力、4万多千米原油成品油管道、10万座加油站,这些资产累计起来价值3万亿元。如何用好这些巨量存量资产,不要造成社会财富浪费既是石化企业层面应该考虑的事情,也是国家层面应该考虑的事情。  


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