有一點化學知識基礎的同學們都應該知道,氫是化學元素周期表里面分子量最小的元素,氫氣(H?)也是我們已知的物質世界里,密度最小的氣體了,在1標準大氣壓和0℃,氫氣的密度為0.089g/L。常溫常壓下,氫氣是無色透明、無臭無味且難溶于水但極易燃燒的一種氣體。在一個標準大氣壓下,溫度-252.87 ℃時,氫氣可轉變成無色的液體(可以看到液氫制取是件多么難的事兒了);-259.1 ℃時,變成雪狀固體。常溫下,氫氣的性質很穩定,不容易跟其它物質發生化學反應。但當條件改變時(如點燃、加熱、使用催化劑等),情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性(這也是氫燃料電池電化學反應的基礎)。當空氣中的體積分數為4%-75%時,或占18.3%至59%易引爆。因為氫氣比空氣輕,所以氫氣的火焰傾向于快速上升(我們一般稱之為“逃逸性”),故其造成的危害小于碳氫化合物燃燒的危害。
就這么一種我們還算熟悉的氣體,實際上在自然界沒有原生存在的,所以業內一般都稱之為二次能源,因為它需要去制取制造才能生成。下面我們就來展開說明氫氣的具體來源以及這個專業分工上的一些相關主流企業。
一、第一種來源也就是現狀業界俗稱的灰氫和藍氫
化石燃料制氫(煤制氫)和化工工業副產氫(焦爐氣副產氫、氯堿副產、PDH及丙烷脫氫副產等)。煤化工制氫(簡稱CTG),細化為兩種方式,一種是煤焦化;另一種是煤氣化。
1.簡單工藝說明:
1.1、煤焦化制氫:是指煤在隔絕空氣條件下,在900-1000℃制取焦炭,副產品為焦爐煤氣。焦爐煤氣組成中含氫氣55%-60%(體積分數)、甲烷23%~27%、一氧化碳6%~8%等。煤氣化制氫:煤的氣化是指煤在高溫常壓或加壓下,與氣化劑反應轉化成氣體產物。氣化劑為水蒸氣或氧氣(空氣),氣體產物中含有氫氣等組分,其含量隨不同氣化方法而異。比如大型固定床式工業煤氣化裝置魯奇爐,所制得煤氣組成為氫氣37%~39%(體積分數)、一氧化碳17%~18%、二氧化碳32%、甲烷8%~10%。簡單工藝流程如下:
煤氣化制氫流程示意
1.2、化工工業副產氫主要包括氯堿副產、丙烷(PDH)脫氫,苯乙烯脫氫副產等,純度相對較高。限于篇幅,不具體展開。
1.3、甲醇重整或者天然氣制氫。這部分也可以簡單粗暴歸類于第一大類里面畢竟現狀國內甲醇幾乎都是來源于煤化工或者石化副產。(補充說明,我之前有篇關于“液態陽光”的,里面特別說明了,甲醇的另一種來源,可以用來捕捉二氧化碳,可以作為儲運氫氣的載體,大家有興趣可以去了解)
以上制取的氫氣都無法直接使用在氫燃料電池上,需要進一步的提純。目前一般都采用變壓吸附法(PSA)。
2.化石能源氫氣成本說明:約為0.7~1.6元/Nm3,折算成每公斤約8~18元/公斤(為出廠價,不包含運輸等費用,不是應用終端價)。灰氫相對不提倡,因為碳排放較多,和當下碳中和,碳捕捉以及碳達峰這些環保問題相悖。藍氫因為在制取過程中考慮了碳捕捉和碳排放的問題,相對環保性能好。在未來的5年內,該部分的氫氣來源也絕對是支撐氫能源、氫燃料這條路繼續走下去的絕對主力,在可再生能源制氫成本沒有完全降下來之前,而且這些氫氣作為副產利用也不乏是一個權益之計。(補充說明:不少副產氫不是直接燃燒就是直接排空了)
3.產業鏈相關企業梳理:(是不是上市的企業大家更感興趣?)
國家能源集團(包含神華集團):國家能源集團在氫能源產業有著得天獨厚的優勢,目前煤化工板塊年產超過400萬噸氫氣,已具備能供應4000萬輛燃料電池乘用車的制氫能力,世界排名第一。(點評,可怕的天文數字,一下子覺得秒殺所有企業!)補充說明:《中國氫能源以及燃料電池白皮書》指出2030年碳達峰的情境下,我國氫氣需求量將達3715萬噸。
中國石化:中國石化氫氣年產量在200~300萬噸,目前中國石化的氫能來源,包括制氫裝置產氫、煉油重整副產氫和乙烯生產副產氫。(點評:這只是三桶油其中的一桶;中石油的氫能布局相對滯后一些,最近才有規劃;中海油也在積極參與)
華昌化工:華昌化工是江蘇華昌(集團)有限公司的核心企業,始建于1970年,1999年改制,2004年整體變更為股份有限公司。公司所在地江蘇省張家港市氫源豐富,在氫氣制取方面,每年可生產氫氣達20萬噸。
東華能源:東華能源股份有限公司(簡稱“東華能源”)成立于1996年,自成立以來一直專注于烷烴資源的進口、銷售和深加工。東華能源可利用丙烷脫氫、乙烷裂解來產生氫氣,目前已成為綠色能源的供應商,東華能源的2套66萬噸/年的丙烷脫氫裝置每年可產氫6萬噸。
美錦能源:山西美錦能源股份有限公司(“美錦能源”)成立于1992年,公司主要從事煤炭、焦化生產和銷售,擁有儲量豐富的煤炭和煤層氣資源,具備“煤-焦-氣-化”一體化的完整產業鏈,是全國最大的獨立商品焦生產基地之一。公司一年僅副產氫氣就可以達到5.9萬噸。
金能科技:金能科技是一家資源綜合利用型、經濟循環式的綜合性化工企業,公司每年可副產氫氣4.1萬噸。
衛星石化:浙江衛星石化股份有限公司是國內最大、全球前五大丙烯酸制造商,目前全資子公司浙江衛星能源已建成年產90萬噸丙烷脫氫制丙烯裝置,可副產氫氣3萬噸/年,用于氫燃料電池車的氫能源需求。
巨正源股份:深圳巨正源股份有限公司,成立于1999年,是廣東省廣物控股集團有限公司(廣東最大的省屬國有企業之一)的控股企業,一期項目每年可產氫氣2.8萬噸。
鴻達興業:鴻達興業股份有限公司,是我國氯堿行業的龍頭企業之一,目前擁有100萬噸氯堿產能,副產氫氣可達2.5萬噸/年。
濱化股份:濱化集團股份有限公司,濱化股份有氯堿裝置副產氫氣資源優勢,目前公司副產氫氣1.7萬噸/年。
山西鵬飛集團:鵬灣氫港氫能產業園計劃總投資200億元,設計規模為年產20萬噸氫氣,總體規劃為制氫及儲運、氫氣儲運。氫能應用三大功能板塊。第一期2萬噸/年項目已經簽訂施工合同。該項目共分三期建設,全部投產后可實現產值100億元,年均利稅總額150億元。同時,將引進美國、德國、日本先進的氫能技術,打造制氫、儲氫、運氫、氫能應用等全產業鏈氫能產業。
小結說明:1)每輛小型轎車年耗氫約1噸;每輛中型車年耗氫約5噸;大型車年耗氫約6.5噸。就是粗略的量化概算,別太較真哈!
2)這些股市上大家常見的企業在擁有的氫氣資源量連大國企的零頭都夠不著,如何結合自身的布局,資源就地利用非常重要。不然這點兒產量真的只能是概念了。
3)還有很多比如浙能集團、浙江嘉化、山能集團(兗礦集團)等等都有布局就不展開了。
二、第二種來源:電解水制氫,制取過程是一個完全脫碳的過程,也就是業界所稱的綠氫。
主要是基于棄電或者是可再生能源發電制氫。這也是我們把氫氣作為第三次能源革命、終極能源的最終方案。最終實現不了可再生能源的制氫,氫燃料這條路就會困難重重。
1.電解水制氫淺述:
1.1堿性條件:陰極:4H2O+4e-=2H2↑ +4OH- 、陽極:4OH--4e-=2H2O+O2↑、總反應式:2H2O=2H2↑+ O2↑(堿性電解水方式,國內技術較成熟)
1.2酸性條件:陽極:2H2O-4e-=O2↑ +4H+、陰極:4H++4e-=2H2↑、總反應式:2H2O=2H2↑+ O2↑(聚合物電解水方式,常見的PEM水解制氫,目前國內也算取得一定成果,但實際批量應用不多,成本居高不下。這種方式電解水制取的氫氣基本不需要提純就可以給氫燃料電池直接使用)
1.3高溫固體氧化物電解水制氫:陰極反應:H2O+2e-→H2+O2- 、陽極反應:O2-→2e-+1/2O2 、總反應:H2O→H2+1/2O2
特別說明:水解制氫的具體工藝路線以及相關設備在之前的文章里面有專職闡述過,或者以后再單獨開篇說明,這里就不再贅述了。
2.可再生能源制氫的成本分析:
成本主要是基于電解水的電價,按照當下平均工業電價0.616元/KW.h計算40~50元/公斤;基于0.3元/KW.h計算,約在21~31元/公斤之間。(不同的水解氫方式電解效率有差異)。寶豐能源最近宣布價格約為15元/公斤。(以上均為出廠價不含儲運環節)
3.可再生能源制氫產業鏈上相關企業梳理。
隆基股份:西安隆基硅材料股份有限公司(簡稱“隆基股份”)成立于2000年,是全球最大的太陽能單晶硅棒和硅片制造商。2021年3月31日隆基通過全資子公司隆基綠能創投與上海朱雀投資,合資成立西安隆基氫能科技有限公司進軍氫能源產業鏈。
大唐集團:中國大唐集團有限公司,由中央直接管理的國有獨資公司。2020年8月,由其子公司云岡熱電公司作為項目具體承擔單位開展的6MW光伏就地制氫科技示范項目落戶山西省大同市。作為大唐集團重大科技創新的重要依托與可再生能源大規模制氫方面的重要研究平臺,該項目正在有序推進中。
陽光電源:陽光電源股份有限公司是一家專注于太陽能、風能、儲能、電動汽車等新能源電源設備的研發、生產、銷售和服務的國家重點高新技術企業。陽光電源與中國科學院大連化學物理研究所制氫產業化戰略合作協議共同成立“PEM電解制氫技術聯合實驗室”。在山西建立10MW再生能源電解水制氫示范項目,同時宣布和大連化物所團隊合作的自主研發的國內首套PEM水解制氫設備研發成功投入應用。該項目成為東北第一個風電制氫項目。
億利潔能:億利潔能是億利集團控股企業。億利集團精準聚焦沙漠光氫新能源與生態康養“雙主業”,并持續創新發展新材料、新熱力、生態科技服務業務。沙漠新能源復制推廣庫布其“生態光能科技服務”光伏治沙成功模式,以氫儲能,以光治沙,以農促產,打造千萬千瓦級“光農氫”一體化綜合體。?2021年2月份,億利潔能母公司億利資源集團與京能集團簽訂戰略合作協議,雙方將在光伏制氫等新產業開展深度合作。
寶豐能源:寧夏寶豐能源集團有限公司,簡稱寶豐能源。是寧夏寧東能源化工基地骨干企業之一。2020年4月,該公司的“太陽能電解水制氫儲能及綜合應用示范項目”在寧夏寧東基地開工建設。2021年4月18日寶豐能源披露了一則擬對外投資設立子公司的公告。擬以自有資金10億元在寧夏寧東設立全資子公司,通過太陽能發電制取綠氫用于化工生產,合計年產氫氣1.6億標方/年(合1.4萬噸/年),副產氧氣0.8億標方/年。2021年4月20日,寶豐能源宣布:該項目部分建成并投入試生產,綜合成本可以控制在1.34元/標方(每公斤約合15元人民幣),所產氫氣已進入寶豐能源烯烴生產系統。
晶科科技:山東金晶科技股份有限公司,簡稱晶科科技。公司位于山東淄博。目前,金晶集團主要從事純堿、玻璃及其衍生物的開發、生產、制造和經營。擁有山東金晶科技股份有限公司、青島金晶玻璃股份有限公司、滕州金晶玻璃股份有限公司、寧夏金晶科技股份有限公司、山東海天生化股份有限公司等9家子公司。2020年與空氣產品公司(AirProducts)簽署了戰略合作協議,雙方在光伏新能源領域展開合作,將“制氫”與“綠電”結合;在國內,公司努力推進可再生能源制氫項目落地實施。
補充說明:1)國內有兩家水解制氫的設備制造公司和一家科研機構(大連化物所)不得不提。蘇州競立制氫設備有限公司,和比利時John Cockerill集團于2018年合資成立考克利爾競立(蘇州)氫能科技有限公司(Cockerill Jingli Hydrogen,簡稱CJH);天津大陸制氫設備有限公司值得愛好者關注!
2)除以上企業外,我們了解到的還有很多風光水發電企業也在低調的布局著電解水制氫。
小結說明:由于可再生能源制氫相對來說在技術層面要求較高,且起步較晚(因為可再生能源發電裝機量還在上升階段)故目前的這些項目基本處于戰略規劃、項目建設、或者試運行階段。短期內都不會給公司帶來實際盈利。預計至少要到三年以后這部分才會有一定的市場規模。根據某機構預測,在2030年可再生能源制氫有機會降到15元/公斤以下。
結語:我們梳理了我們未來終極能源氫氣的具體來源方式以及主要參與企業,有些企業是專業分工,有些企業是全產業鏈布局。我的前面一些文章已經扒拉了一些相關企業,大家有興趣可以去翻閱。我沒法給大家具體的炒股建議,但是可以給大家提供足夠的企業信息,個中利害自由尊辨,還有疑問也可留言討論。
后續逐步展開氫氣儲運環節的技術知識和主要參與企業梳理,敬請關注!
原文始發于微信公眾號(氫眼所見):誰在制造自然界最輕的氣體?