修改稿--氢能经济、CO2减排和IGCC-9-17.ppt

氢能经济、CO2减排和 IGCC 倪维斗 张斌 李政 2003年4月 用更理性的思考来看待氢能经济 全世界的热点 氢燃烧仅产生水蒸汽并释放热量，这是其最吸引人的地方 主要推动力：燃料电池和CO2减排 日本NEDO—WENET 聚合物电解膜电解水技术、大规模氢气液化厂、500MW氢燃料燃气轮机等 德国80年代开始研究 燃料电池公共汽车、纽伦堡的燃料电池联产项目、飞机改造成液氢驱动等 美国DOE 为车辆找到一种替代燃料，以减少对进口石油的依赖程度 布什计划投资10亿美元建设零排放火力发电厂 国际能源署(IEA) 通过技术发展，推动建立基于氢能的可持续发展的清洁能源供应体系 …… 研究是必要的，但是应该更加理性 一些概念的澄清(1) 误解 氢气是“取之不尽、用之不竭”的、解决能源和环境问题的万能灵药、以氢气为燃料的燃料电池汽车很快就能普及，“氢能经济”时代就要来临…… 氢气燃烧就是水, 可以大大减少污染, 减少温室气体排放 氢气的利用可从根本上改善能源构成 氢气在燃料电池中高效利用, 可以节省大量能源 一些概念的澄清(2) 氢气不是一次能源(燃料), 自然界中不存在纯氢, 它只能从其它化学物质中分解、分离得到, 这个过程需要耗费大量能源 由于氢气密度为所有物质中最轻的, 单位重量体积最大, 所以氢气的运输和存储费用太贵, 而且从技术角度看非常复杂——尤其是燃料电池车辆的车载储存 氢气和电力一样, 只是一种能源载体 氢气的独特物性 氢气是所有能源载体中能量密度最低的 在环境状态下, 氢气的能量密度只有天然气的30%, 汽油的0.24% 氢的能量密度最大的状态是超低温(-253℃)时的液氢。氢气的液化是非常贵的, 而且能耗非常大( 10 kWh/kg H2) 即使是液氢, 能量密度也只有汽油的27% 氢气的独特物性 热值 氢气的低位热值只有高位热值的84.6% 冷凝烟气回收汽化潜热是很不容易的 可燃及爆炸极限范围很大 空气中可燃极限4~75 vol.%, 爆炸极限13~65 vol.% 一般在高压下进行处理、应用成本较高 储氢系统 容器重量很大, 成本较高：储存1kg超高压(400个大气压)氢气的高级复合材料罐重达65kg，高级金属氧化物和碳纳米管储氢的效果也不理想 目前氢气的应用 年产量超过5000亿立方米 大部分用于氨气生产和炼油行业等化工行业，而不是作为燃料使用 “就地生产、就地使用” 所以应用氢气时只考虑其制造成本 不考虑其能源利用效率，更不考虑储存、分配、车载和基础设施等作为燃料使用时的一系列问题 氢气作为燃料需要考虑的问题 首先必须考虑氢气的能量利用效率 制备、输运、存储、分配等过程耗费的能量 基础设施的建设 现有能源经济到氢能经济的转换将会影响到整个能源供应及配送系统 从整个系统的角度出发考虑 只有这样，才能和其它的方案作出合理、公正的比较 只有这些中间过程的能量消耗与被输送氢气的总能量相比足够小，而且成本有竞争力，实现全面利用氢气作为燃料的氢能经济才有意义 氢气的生产 化石燃料制氢是工业上的主要途径 目前全世界有99%的氢气是由化石燃料制造的 原料中的氢碳比是决定制氢成本的主要因素 天然气蒸汽重整: 能量效率75%~85%, $5.6/GJ H2 (10.3 RMB/kg H2) , 最便宜 煤气化制氢: 效率为60%~65%, $10.3/GJ H2(18.9 RMB/kg H2) 水电解制氢: 效率70~85%(热功当量, 若按发电效率40%算, 效率28~34%), 成本最高, $20.1/GJ H2 (36.8 RMB/kg H2) 目前的技术发展水平来看, 在相当长一段时期内, 化石燃料制氢将继续占统治地位 氢气的储存——压缩 压力 200~300 bar, 甚至800 bar 耗功 绝热压缩功,同等重量, CH4:He:H2 = 1:4:8 理想等温条件下, 压缩耗功大概是氢气HHV的5%(按热功当量计算) 目前先进的多级压缩设备：5级压缩、中间冷却, 每小时处理1吨氢气, 将氢气压缩到200 bar, 单位能耗是HHV的7.2%(若按发电效率40%来计算, 耗费能量占HHV的18%), 若是压缩到800bar, 耗能将超过10% 氢气的储存——液化 液化比压缩耗能更大 100 kg/hr氢气液化厂, 能耗大约为16.6 kWh (60 MJ)/kg H2, 小容量的氢气液化厂很不划算 虽然随着液化厂容量的增加, 单位能耗会降低, 但是其理论最小值仍为11.1 kWh (40 MJ)/kg H2 最大的氢气液化厂(10,000 kg/h), 单位能耗仍占HHV的30%左右(按热功当量计算)。如所用的电按照40%的发电效率, 耗费能量占HHV的75%。 氢气的储存——其它方式 金属氢化物 物理吸附方式 55~