王耀辉:绿电制氢合成氨,涉及从新能源到电网,到电化学,到化工,都要非常懂,才能做好

能见App 2023年10月19日 3132

2023年10月16日-20日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。

10月18日上午,江苏希倍优氢能源科技有限公司副总经理王耀辉在“氢能与新能源产业高质量发展论坛”上发表了题目为《绿氢降本增效的解决方案,高效节能的电解槽》的主旨发言。

   以下为演讲全文: 

  大家好,我是苏州希倍优氢能源公司的王耀辉,主要负责商务和运营,我主要给大家介绍电解水制氢行业发展趋势。

    这个行业会是一个曲折前进的过程,这也是事物发展的客观规律,肯定是没问题的。我是这个行业非常坚定的支持者,但是这个行业发展肯定会有挫折和过程,希望大家一起努力解决这个问题。绿氢一些应用场景,今天简单罗列一些。

    第一、它和氨的合成。风光发电来做制氢,合成氨通过CCUS,和二氧化碳做尿素。国内现在申报了很多项目,特别在内蒙,很多做到氨,我比较建议往尿素上做,罐区存储基本上一周左右,你的销路不是很明朗,做成尿素可以用固态存储的方法,尿素比较好存储。

    第二、氧气。在工业领域里面氧气是非常重要的原材料,氧气成本蛮高的,一种是真空变压器,一种是深冷变压器,成本大概在4毛钱左右,副产氧能找到比较好的应用场景,对于整个项目来说也是一个收益。可以在电厂做副氧燃烧捕捉做二氧化碳,二氧化碳可以直接做尿素。

    宝丰有应用,主工艺是煤制甲醇,一个碳转换成一个甲醇,为什么还有二氧化碳排放?合成气的要求是1:2,所以氢不够,还要再加一个氢进去,这个氢怎么办?用一氧化碳加水。宝丰提出用新能源发电做成绿氢补进去,可以减少变换的负荷。这里面有一些问题,合成气比例定了,它有一定的柔性,但是绿氢不稳定会导致负荷发生一些变化,这也是问题,补的绿氢量不是100%,肯定有比例。

    第三、绿色甲醇工艺用二氧化碳捕集。循环流化床、固定炉这几种,气化工艺我了解赛迪有一个装置在运行。气化工艺问题在哪里?这种秸秆和生物制的来源是非常不一样的,所以气化炉如何吃掉不同的生物制来源是非常大的挑战。二氧化碳+氢做甲醇,在国外大概有3个公司在做催化剂,国内有2个。它的问题在于单程转化效率太低,大概在25%-30%,问题是成本,单程转化效率比较低所以整个成本比较高。甲醇做出来就可以做甲醛、烯烃。

    煤制天然气的过程,后面可以做天然气掺氢,宁夏保亭自己用天然气,自己有灰氢补进去,现在补大概补到了24%左右。它是做天然气掺氢燃烧,目前我和他们聊下来整个火焰温度和炉子里面的温差都蛮均匀的,通过调整炉口进气量可以和原来的工艺做到一样。因为氢气热值比天然气低,大概是三分之一,整个炉厂温度会发生一些变化。

    国内提得很火的绿氨,绿氨市场以天然气为主,只有中国以煤为主,主要生产在中国,其次在俄罗斯。液氨的价格在2021年有比较大的增加,俄乌战争导致天然气中断,所以价格非常高。

    国内市场2022年液氨产量7000万吨,2022年国内氨产量为6096万吨,大概有将近5000万吨的液氨没有在市场流通,为什么?化肥厂的液氨直接到尿素,所以不会在市场流通。这部分市场对于绿氨来说也是进不去的,因为他们自己有上下游消纳掉了。我们做出来的液氨要想消化,要从商品板块消纳我们的市场。商品氨在工业领域里面大概有1000万吨。

    合成氨价格趋势,2022年5月份价格非常高,5000多一吨,当时在国外大概8000多一吨。进出口这两年非常稳定,大概在23万吨左右,进口和出口差不多。为什么说去年价格这么高还是没有这么大的出口量?有钱赚大家肯定会赚。大部分都是做新能源的,也在规划这样的项目,在这个行业里面现在最核心的卡点在哪里?第一是市场,你要找到绿氨消纳市场。现在在一些国际公司,比如像杜邦,还有几个大的化工厂他们有绿氨的需求,但是要找到自己的消纳能够卖掉。

    第二,现在的卡点在哪里?港口。大家如果想做液氨一定要了解港口,一定要了解船。现在港口大概有4个:湛江港、宁波港、南京港、盐城港,大概这4个有液氨罐区,全年吞吐量大概在40多万吨。意味着每年这些港口如果不再建新的液氨罐区能够进出大概40多万吨,国内规划一个项目30万吨或者几十万吨,未来出口是很大的问题。如果想做液氨出口贸易,你可能要和一些港口做沟通,我知道国内现在已经有大项目开始布局液氨的港口了。

    合成氨下游应用市场。在工业里面是硝酸铵,最大的问题,在这几个工业领域里面它都没有绿色产品属性,比如己内酰胺,你的绿氨想卖给他,它没有绿色的属性,到最后客户很难买单。

我们和设计院一起来设计60万吨合成氨绿氨项目。看整个工艺路线,从新能源到制氢、合成氨。我把整个工艺路线分为两块,第一从新能源到电网,到制氢,这块是电网领域,属于电的领域。问题在哪里?现在有两种模式,第一种是离网的,第二种是并网的。

离网存在的问题是什么?你要想做离网的,电网质量非常难稳定,第一是频率问题,中国是60赫兹。电解槽小了,一台两台还好,如果上50台、60台、80台,它有两个特性,第一容抗特性,第二阻抗特性,变态负荷容抗性表现非常明显,它对于整个电网的频率影响非常大。我们和设计院一些做电网的专家沟通,大概率拉不动这个频率,要崩掉,中国好像是5%,如果超过5%电网就崩掉了。你如何保证电网的稳定?这是最核心的,如果要保证这个投资是非常大的。

 第二电压,这么大的负荷变化电压也非常难稳定。

    第三电解槽的容抗特性和阻抗特性出来之后会产生斜坡,它对于风机来说影响非常大,这个斜坡刚好产生的电流方向和风机转的方向相反,会产生扭的力,有可能对风机造成致命的伤害。这是电网质量稳定的问题,是非常重要的事情,需要去考虑。

并网有大网络支撑,存在价格问题,宁夏全流量上网下网,这样电网比较稳定,对电解槽非常友好。但是要实现要交国网费,1.2毛左右一度电,整个预算下来又没法做了。

    上游是电的问题,从新能源到电解槽。我们看下游,从电解槽开始到纯化,到合成氨。起头是电化学问题,后面是化工问题。一台两台或者以前的小设备,当我做到了几万方的时候,电解槽系统从一个设备问题变成化工问题,其中存在几个问题。当电解槽稳定负荷运行下还好,但是变负荷的情况下氢氧两侧压力发生比较大的变化,一边产生两个氢,一边产生一个氧,压力的变化会导致氢氧互串。在低负荷下存在什么问题?产氢量少了,产氧量少了,根据我们的一些分析做了一些仿真和实测,杂质量不会变少的,杂质浓度升高。现在都在做大标方,如果负荷比较低,比如开了四分之一或者五分之一流速就会变小,在分离器里面分氧侧可能存在一些氢氧的分子问题。如果在某些局部的区域,特别上层可能气体杂质浓度会非常高。业主如果想把项目做好挑战非常大,你要从新能源到电网,到电化学,到化工都要非常懂,才能够把这个项目做好。

    这是我们做的甲醇项目,一个设计方案。这个也是我们和设计院来做的仿真,风电一周的出力曲线,8760(全年小时数)数据拉出来之后都差不多,只不过存在一些大发的月份和小发的月份。出力曲线我们没法改变,因为风机数在这里,已经定死了,但是电解槽深负荷和降负荷和这些曲线是不匹配的,那要怎么处理呢?把能量做转移,和电解槽进行匹配,让电解槽输入功率和整个电网输出功率能够匹配起来,让电解槽处于一个比较舒服的工作环境中。在化工领域里边记住,不要把我们的设备处于极限,一定不要,化工领域设备一定要处于比较舒服的工作环境,这个装置才能够运行的比较稳定。

    前面是安全的问题,第二解决能耗的问题。第一个途径做高性能隔膜,比如隔膜再薄,现在隔膜大概500,我知道有厂家在开发其他的一些隔膜,比如含氟的一些膜可以做到100,在行业里面叫做“零间距”,把隔膜做到很薄来降低小时电压,降低能耗。第二个高性能的电极涂层,隆基已经推出了4.1、4.0,把电极性能改变,用一些贵金属可以降低能耗,并且降低非常明显。第三个电解槽的结构形式,当你的电极做一些改变之后,流道设计也需要发生一些变化,比如原来用的是一正两负或者一正一负,现在开始在做中间零点位的结构,这种结构对于漏电电流是非常好的作用。第四个增加小时数,一分价钱一分货,你掏的钱多能耗自然低。

    介绍一下我们公司,苏州希倍优成立2013年,原来做海上风电业务,一个是海缆,另外是塔筒,2018年、2019年开始做氢能行业。现在有两个工厂,一个在苏州望亭,大概在4万平,另外在内蒙古,两个厂房一年做150台产量没有问题。

    这是我们的研发历程,从小一步一步往大做。2022年下线了1400标方的电解槽,展示了2000方的集装箱。这是西安现场的设备测试图,这个设备现在已经拿到了氢能领跑者行动评价证书认证,电耗4.37。

    这是我们运行的参数,现在是310,电流密度3000,计划下一代电解槽做到360片,电流做到6500,电流密度做到2500,能耗做到4.37。

    这是一个冷启动参数,去年有几个业主一直在要求,我觉得没有意义,为什么?一个槽子里面室外温度零下28度,室内温度大概两三度,放了18个小时,降到了40多度,其实不存在冷启动。如果风多光少,电解槽关机的时间,再加上屋做保暖,现在的方案已经开始在做保温,其实不存在冷启动的问题。

    用1000方的电解槽来做波动性测试,当我在负荷变化的时候气体杂质上升非常快,负荷降得越快杂质含量升得越高,这是一个趋势。深负荷还好,没什么问题,最难的是降负荷,负荷不能降得太快,负荷降的深度不能太深。根据实测数据,我们建议负荷变化在45%到110%对系统安全比较好,如果降得太深,氧中氢会超得比较多。

今天时间关系,如果有什么问题可以到展台交流,谢谢大家!

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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