Informe de diseño del proyecto de la cadena industrial de energía del hidrógeno
El hidrógeno es una fuente de energía secundaria con muchos métodos de preparación y bajas limitaciones de recursos. Con una pila de combustible, el hidrógeno se puede convertir directamente en electricidad y agua mediante reacciones electroquímicas sin emisiones contaminantes. En comparación con los combustibles fósiles como la gasolina, el diésel y el gas natural, su eficiencia de conversión no está limitada por el ciclo de Carnot y su eficiencia de generación de energía supera el 50%. Es una fuente de energía altamente eficiente y sin contaminación.
La energía del hidrógeno es un medio para la conversión entre múltiples fuentes de energía, como electricidad, calor y combustibles líquidos. Es la única forma de lograr una optimización colaborativa entre las redes energéticas en el futuro previsible. En la actualidad, el sistema energético se compone principalmente de la red eléctrica, la red de calefacción y la red de oleoductos y gasoductos. Con la ayuda de la tecnología de pilas de combustible, la energía del hidrógeno se puede convertir entre diferentes redes energéticas. La energía renovable y los combustibles fósiles se pueden convertir en energía eléctrica y, al mismo tiempo, se puede generar energía térmica mediante reacciones inversas para reemplazar los combustibles fósiles. almacenar energía, realizando la comunicación entre diferentes redes de energía. Optimización colaborativa.
A medida que la tasa de penetración de la energía renovable sea cada vez mayor, la demanda de reducción de picos estacionales e incluso anuales también aumentará día a día. El papel del almacenamiento de energía en el futuro sistema energético seguirá apareciendo. pero el almacenamiento de energía electroquímica y el almacenamiento de energía térmica son difíciles de satisfacer la demanda de almacenamiento de energía de gran capacidad a largo plazo. La energía del hidrógeno puede lograr un almacenamiento a gran escala y a largo plazo de energía eléctrica o térmica de manera más económica, y puede convertirse en una forma importante de resolver los problemas del abandono del viento, la luz y el agua y garantizar el funcionamiento seguro y estable de una alta proporción. sistemas de energía renovable en el futuro.
La energía del hidrógeno tiene una variedad de modelos de aplicación, que pueden ayudar a lograr una baja carbonización en los principales campos de aplicaciones finales, como la industria, la construcción y el transporte, incluido su uso como vehículo de pila de combustible en el campo del transporte. y como medio de almacenamiento de energía para apoyar la integración y generación de energía renovable a gran escala para la generación distribuida o calor y energía combinados para proporcionar electricidad y calor a los edificios, proporcionando directamente energía limpia o materias primas a la industria.
Japón, Corea del Sur, Estados Unidos, Alemania y Francia han formulado planes y rutas estratégicas para el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno a nivel nacional, como la estrategia básica de energía del hidrógeno de Japón, Estados Unidos. 'Hoja de ruta económica de energía de hidrógeno y la estrategia de hidrógeno verde del acuerdo de la Unión Europea, hoja de ruta de desarrollo económico del hidrógeno de Corea del Sur, etc. y continuar apoyando la investigación y el desarrollo de pilas de combustible de hidrógeno y promover la demostración piloto y las aplicaciones en múltiples campos de las pilas de combustible de hidrógeno. Según el "Informe de estudio sobre las tendencias futuras de desarrollo de la energía del hidrógeno" publicado por la Federación Internacional de Energía del Hidrógeno, para 2050, los vehículos con pilas de combustible de hidrógeno representarán el 20,25% de los vehículos de motor mundiales, crearán un valor de mercado de 2,5 billones de dólares estadounidenses y suponen alrededor del 18% de las necesidades energéticas del mundo.
"Hecho en China 2025", "Plan de acción de innovación y revolución tecnológica energética (2016-2030)", "Esquema de la estrategia nacional de desarrollo impulsado por la innovación", "13.° Plan quinquenal de desarrollo estratégico nacional de industrias emergentes" ", El "13.º Plan Quinquenal Nacional de Innovación en Ciencia y Tecnología" enumera la energía del hidrógeno y las pilas de combustible como tareas importantes como tecnologías disruptivas e industrias estratégicas emergentes que lideran el cambio industrial.
Desde este año, las políticas nacionales se han vuelto más sesgadas. El 22 de junio, la Administración Nacional de Energía emitió los "Dictamenes Orientadores sobre el Trabajo Energético en 2020" para promover el desarrollo de la industria energética del hidrógeno desde la perspectiva de la reforma y la innovación y promover la industrialización de nuevas tecnologías. El documento señala que formularemos e implementaremos un plan de desarrollo para la industria de la energía del hidrógeno, abordaremos tecnologías y equipos clave y promoveremos activamente demostraciones de aplicaciones.
La primera ley energética de China vuelve a buscar opiniones. Entre ellos, la energía del hidrógeno figura como fuente de energía. Esta es la primera vez que mi país confirma legalmente que la energía del hidrógeno es una fuente de energía.
En la actualidad, más de 20 provincias de mi país han publicado planes de desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno. En el delta del río Yangtze, el delta del río Perla, Beijing-Tianjin-Hebei y otras regiones, la energía del hidrógeno ha formado algunas aplicaciones de demostración a pequeña escala. En algunos lugares se ha formado una cadena industrial completa de preparación, almacenamiento y transporte, llenado de pilas de combustible y aplicaciones posteriores.
Entre ellos, la provincia de Shandong es el primer plan de energía de hidrógeno a medio y largo plazo a nivel provincial, y la estrategia Shandong 3677 es crear un cinturón económico de hidrógeno. El "Plan de desarrollo a mediano y largo plazo de la industria de la energía del hidrógeno de la provincia de Shandong (2020-2030)" emitido por la Oficina General del Gobierno Provincial utiliza 2019 como año base y el período de planificación es 2020-2030. Medio ambiente, requisitos generales, vías de desarrollo y espacio. Hay seis partes: diseño, tareas clave de desarrollo, medidas de salvaguardia y evaluación del impacto ambiental. El 26 de marzo se publicó el "Plan de acción para la construcción del parque industrial de inversión internacional de Jiqingyan (2020-2025)". Palabras como vehículos de nueva energía y energía del hidrógeno aparecen con frecuencia, haciéndose eco del plan provincial de energía del hidrógeno de la provincia de Shandong. Con la planificación se elevarán dos tierras altas, el “Valle del Hidrógeno de China” en Jinan y la “Isla Oriental del Hidrógeno” en Qingdao. La Oficina del Gobierno Popular Municipal de Weifang emitió las "Medidas municipales de Weifang para promover la construcción y operación de estaciones de servicio de hidrógeno". Este método es aplicable para otorgar subsidios a empresas dedicadas a la construcción de estaciones de hidrogenación y a la hidrogenación en esta ciudad, con entre 5 y 6 millones de RMB cada una para la capacidad de hidrogenación inmediata y el período de finalización.
En 2019, la dependencia petrolera de mi país del extranjero superó el 70% por primera vez, mientras que la dependencia exterior del gas natural llegó al 45%. Desde el estallido de la guerra comercial entre China y Estados Unidos en 2018, los posibles riesgos para la seguridad energética causados por la alta dependencia de las importaciones extranjeras de petróleo y gas han atraído cada vez más la atención de los responsables políticos y de todos los sectores de la sociedad. La epidemia de COVID-19 ha expuesto aún más los peligros y riesgos ocultos de la globalización de la cadena industrial durante la situación de emergencia, ha profundizado aún más la tendencia antiglobalización y ha elevado el estado de la seguridad energética a un nuevo nivel político.
El cambio climático global es uno de los desafíos más complejos que enfrenta la humanidad en el siglo XXI. Una de las medidas para mitigar el cambio climático es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero provocadas por el hombre.
China es el segundo mayor emisor de carbono después de Estados Unidos y se ha comprometido a esforzarse por lograr la neutralidad de carbono para 2060 y alcanzar el pico de emisiones de dióxido de carbono en 2030. En el camino hacia la neutralidad de carbono, el hidrógeno es una forma indispensable de energía secundaria.
Aunque la energía del hidrógeno tiene amplias perspectivas de desarrollo, también enfrenta problemas como una base industrial débil, altos costos de equipos y combustible, y disputas de seguridad. En la actualidad, la tecnología de producción de hidrógeno de mi país es relativamente madura y tiene una cierta base industrial. La producción nacional de hidrógeno a partir de energía fósil y el hidrógeno como subproducto industrial han alcanzado una escala considerable, y la tecnología de producción de hidrógeno en agua por electrólisis alcalina está madura. Sin embargo, en términos de tecnología de almacenamiento y transporte de hidrógeno y tecnología de aplicación de terminales de pilas de combustible, todavía existe una gran brecha en comparación con el nivel avanzado internacional.
Por ejemplo, en términos de almacenamiento y transporte, lograr un almacenamiento y transporte a gran escala y de bajo costo de la energía del hidrógeno sigue siendo un problema al que se enfrenta China e incluso el mundo. El hidrógeno gaseoso a alta presión, como método principal de almacenamiento y transporte de energía del hidrógeno en el país y en el extranjero, todavía tiene problemas como la baja densidad de almacenamiento de hidrógeno y los altos costos de almacenamiento y transporte.
El hidrógeno es una fuente de energía secundaria y debe producirse a partir de otras fuentes de energía mediante determinados métodos. En la actualidad, incluye principalmente los siguientes métodos:
Los alcanos del gas natural se someten a una serie de reacciones químicas en el reformador bajo presión y temperatura adecuadas para generar gas reformado que contiene monóxido de carbono e hidrógeno. Después de que el gas reformado pasa a través del dispositivo PSA equipado con varios adsorbentes bajo control automático, la torre de adsorción adsorbe impurezas como monóxido de carbono y dióxido de carbono para obtener hidrógeno.
Existen dos métodos principales para producir gas que contiene hidrógeno a partir de carbón: uno es la coquización del carbón y el otro es la gasificación del carbón. La coquización se refiere a la producción de coque a partir de carbón a una temperatura de 90 a 1000 grados Celsius en condiciones aisladas del aire, y el subproducto es el gas de horno de coque. La composición del gas de horno de coque contiene aproximadamente entre un 55 y un 60 % de hidrógeno. La gasificación del carbón se refiere a la reacción del carbón con agentes gasificantes a alta temperatura, presión normal o presión, y se convierte en productos gaseosos, compuestos principalmente de hidrógeno y monóxido de carbono, que se pueden obtener después de la conversión.
Por lo general, el hidrógeno no se produce directamente a partir del petróleo, sino a partir de productos resultantes del craqueo primario del petróleo, como la nafta, el petróleo pesado, el coque de petróleo y el gas seco de refinería. Los principales procesos para la producción de hidrógeno a partir de nafta incluyen la conversión por desulfuración de nafta, el cambio de CO y el PSA, que son muy similares a la producción de hidrógeno a partir de gas natural. La producción de hidrógeno a partir de petróleo pesado reacciona con el vapor de agua y el oxígeno bajo una determinada presión para generar productos gaseosos que contienen hidrógeno; la producción de hidrógeno a partir de coque de petróleo y la producción de hidrógeno a partir de carbón son muy similares y ambas se desarrollan sobre la base de la producción de hidrógeno a partir de carbón. La producción de hidrógeno con gas seco en refinerías implica principalmente el reformado con vapor de hidrocarburos ligeros y la separación por adsorción por cambio de presión, que es muy similar a la producción de hidrógeno con gas natural.
La industria cloro-álcalina utiliza salmuera electrolizada para producir cloro y sosa cáustica. El ánodo de la celda electrolítica produce cloro, el cátodo produce hidrógeno y cerca del cátodo se produce soda cáustica. El hidrógeno ingresa a la torre de desoxigenación para eliminar el oxígeno y luego las impurezas como N2, H2, CO2 y H2O se eliminan mediante adsorción por cambio de presión, obteniendo así hidrógeno de alta pureza.
La producción de hidrógeno mediante reformado con vapor de metanol se utiliza ampliamente debido a su alto rendimiento de hidrógeno, utilización razonable de energía, control de proceso simple y operación industrial conveniente. Bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, el metanol y el vapor de agua experimentan una reacción de craqueo de metanol y una reacción de desplazamiento de monóxido de carbono bajo la acción de un catalizador para generar hidrógeno y dióxido de carbono. El H2 y el CO2 generados por la reacción de reformado se separan mediante adsorción por cambio de presión (PSA). ) para obtener hidrógeno de alta pureza.
La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es un método sencillo de producción de hidrógeno. La corriente continua pasa a través de una celda electrolítica alcalina (ALK) llena de electrolitos, y las moléculas de agua sufren una reacción electroquímica en los electrodos y se descomponen en hidrógeno y oxígeno. Los electrolizadores PEM también se pueden utilizar para electrolizar directamente agua pura para producir hidrógeno. De esta manera, se pueden utilizar fuentes de energía limpias como la fotovoltaica, la energía eólica y la hidroeléctrica para electrolizar el agua y producir hidrógeno.
(1) Principios y características de las turbinas eólicas: Las turbinas eólicas logran una captura óptima de energía a bajas velocidades del viento controlando la velocidad de rotación del rotor a altas velocidades del viento, la velocidad y la potencia de la turbina eólica son; mantuvo estable. Por lo tanto, antes de la velocidad nominal del viento (en la mayoría de las condiciones operativas), la potencia activa de la turbina eólica ha estado fluctuando con los cambios en la fuerza del viento, lo que se manifiesta como fluctuaciones en la generación de energía en segundos. Además, la turbina eólica es una fuente de corriente, es decir, la turbina eólica siempre sigue la frecuencia de CA de 50 Hz de la red eléctrica y entrega energía a la red a través de corriente. Sin el mantenimiento de la tensión de la red, es difícil que los aerogeneradores actuales generen electricidad de forma independiente.
(2) Generación de energía fotovoltaica: Las células fotovoltaicas convierten la energía solar en energía eléctrica. Por un lado, el inversor fotovoltaico rastrea el punto de potencia óptimo de las células fotovoltaicas a través del control; por otro lado, rastrea la frecuencia de CA de 50 Hz de la red como fuente de corriente y entrega energía a la red a través del modo actual. Debido a que la luz del sol no cambia mucho de un minuto a otro, las fluctuaciones son menores que las del viento. Pero la generación de energía fotovoltaica es intermitente día y noche.
La generación de energía fotovoltaica para producir hidrógeno utiliza principalmente la corriente continua generada por el sistema de generación de energía fotovoltaica para proporcionar energía de producción de hidrógeno directamente a la estación de producción de hidrógeno. Hay tres rutas técnicas principales.
Producción de hidrógeno en electrolizador alcalino. El electrolizador tiene una estructura simple, es adecuado para la producción de hidrógeno a gran escala, es barato y tiene una eficiencia baja de aproximadamente el 70% al 80%. El equipo principal incluye fuente de alimentación, cátodo y ánodo, diafragma, electrolito y caja del tanque electrolítico. El electrolito suele ser una solución de hidróxido de sodio y existen dos tipos principales de celdas electrolíticas: unipolares y bipolares.
El electrolizador de membrana de intercambio de protones (electrolizador PEM) produce hidrógeno. La eficiencia es mayor que la de los electrolizadores alcalinos y utiliza principalmente tecnología de intercambio iónico. La celda electrolítica está compuesta principalmente por una membrana polimérica y electrodos de ánodo y cátodo. Debido a la alta conductividad de protones, la corriente operativa de la celda electrolítica se puede aumentar considerablemente, mejorando así la eficiencia de la electrólisis.
Producción de hidrógeno mediante electrolizador de óxido sólido. Puede funcionar a altas temperaturas y la energía térmica puede sustituir parte de la energía eléctrica, con alta eficiencia y bajo coste.
El electrolizador de óxido sólido es el equipo más eficiente entre los tres electrolizadores. El calor residual después de la reacción se puede recuperar junto con la turbina de vapor y el sistema de refrigeración para aumentar la eficiencia hasta en un 90%.
La vía técnica para la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua ha madurado, pero el factor clave que aún no se ha promocionado ampliamente es el precio de la electricidad. En la actualidad, el coste de producción de hidrógeno a partir de electricidad industrial es demasiado alto y la competitividad del mercado es escasa.
La producción de hidrógeno con metanol requiere una baja inversión y es adecuada para una escala de producción de hidrógeno inferior a 2500 Nm3. Basado en el consumo de hidrógeno de 1 nm3 y el consumo de metanol de 0,72 kg, el precio del metanol se calcula en 2319 yuanes/tonelada. El costo de producir hidrógeno a partir de metanol se muestra en la siguiente tabla.
El coste de inversión unitario de la producción de hidrógeno a partir de gas natural es bajo y la economía es buena por encima de los 1.000 nm3. El consumo de hidrógeno es de 0,6 Nm3 sobre la base de 1 Nm3, y el precio del gas natural se calcula sobre la base de 1,82 yuanes/Nm3. El costo de producción de hidrógeno se muestra en la siguiente tabla:
Tabla de costos de producción de hidrógeno con gas natural
Tomando como ejemplo la producción de hidrógeno por electrólisis de agua a 1000 Nm3/h, la inversión total es de aproximadamente 140 000 yuan. Basado en el cálculo del consumo de energía de 5kWh de 1Nm3 de hidrógeno, el análisis de costos de producción de hidrógeno calculado con diferentes precios de electricidad es el siguiente:
Tabla de costos de producción de hidrógeno de generación de energía fotovoltaica
A partir de este análisis , solo se controla el precio de la electricidad de generación de energía fotovoltaica. Sólo cuando el costo de producción de hidrógeno es inferior a 0,3 yuanes/kWh puede ser competitivo. Según el precio de mercado actual, el costo de un sistema fotovoltaico de CC de 100 MW es el siguiente:
Costo del sistema fotovoltaico de CC
Tomando como ejemplo el área de recursos de primer nivel, el El número de horas de utilización de energía fotovoltaica en el primer año es de 1.700 horas, otros parámetros son: capacidad instalada de 100 MW, período de construcción de 1 año, índice de inversión de capital del 20 %, capital de trabajo de 10 yuanes/kW, período de préstamo de 10 años, reembolso del principal y de los intereses en partes iguales. cantidades. La tasa de valor residual es del 5%, la tasa de mantenimiento es del 0,5%, hay 5 personas, el salario medio anual de la mano de obra es de 70.000 yuanes, el 70% de los beneficios y otros, la tasa de seguro es del 0,23%, el costo del material es de 3 yuanes /kW, y otros gastos son 10 yuanes/kW. Calcule los precios de la electricidad con base en la tasa interna de retorno de todas las inversiones que alcancen el 8%, y analice y calcule los precios de la electricidad cuando los costos sean 230 millones, 200 millones, 65.438+0.8 mil millones y 65.438+0.6 mil millones. Después del cálculo, cuando la tasa interna de retorno de toda la inversión es del 8%, los precios de la electricidad bajo diferentes costos de construcción son los siguientes:
Cálculo retrospectivo de los precios de la electricidad bajo diferentes costos de proyecto
La generación de energía fotovoltaica y la producción de hidrógeno en áreas de recursos ya son económicamente viables, con costos más bajos que el gas natural y el metanol. A medida que el coste de la generación de energía fotovoltaica siga disminuyendo, se mejorará aún más la competitividad de la producción de hidrógeno a partir de la generación de energía fotovoltaica. Este artículo no considera el costo de transporte del hidrógeno. El suministro directo de energía de la generación de energía fotovoltaica debe estar cerca del lado de la demanda. Las áreas de recursos de primera categoría se concentran principalmente en la región noroeste. Los usuarios de hidrógeno son principalmente empresas químicas y de refinación, que consumen grandes cantidades de gas y requieren estaciones de producción de hidrógeno a mayor escala.
Los precios de los módulos fotovoltaicos están cayendo rápidamente. A medida que los precios sigan bajando, la generación de energía fotovoltaica y la producción de hidrógeno en algunas áreas de recursos de Clase II también se volverán competitivas. Este tipo de zona está relativamente cerca del centro de carga, tiene una economía desarrollada y tiene una gran demanda de hidrógeno. La generación de energía fotovoltaica para producir hidrógeno es simple y difícil de operar y mantener. La escala de producción de hidrógeno se puede modular según el sitio y las necesidades. Con el avance de la tecnología de pilas de combustible, la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables distribuidas para pilas de combustible también será una importante tendencia de desarrollo en el futuro.
Según los diferentes estados del hidrógeno, los métodos de transporte del hidrógeno se pueden dividir en hidrógeno gaseoso (GH2), hidrógeno líquido (LH2) e hidrógeno sólido (SH2). La elección del modo de transporte debe basarse en las siguientes cuatro consideraciones integrales: eficiencia energética durante el transporte, transporte de hidrógeno, pérdida de hidrógeno durante el transporte y kilometraje del transporte.
Cuando el consumo es pequeño y los usuarios están dispersos, el gas y el hidrógeno generalmente se transportan en vehículos, barcos y otros vehículos a través de contenedores de almacenamiento de hidrógeno. Cuando el consumo es grande, generalmente se utiliza el transporte por tuberías. El hidrógeno líquido se transporta en coches, barcos y otros medios de transporte.
Aunque hay muchas formas de transportar hidrógeno, desde la perspectiva de las tendencias de desarrollo, las tres formas principales de transporte de hidrógeno en mi país son los remolques de hidrógeno a gas, los gasoductos de hidrógeno a gas y los camiones de hidrógeno líquido.
Los remolques de tubo largo son la forma más común de transportar hidrógeno en China. Este método es técnicamente bastante maduro. Sin embargo, debido a la baja densidad del hidrógeno y al gran peso de los contenedores de almacenamiento de hidrógeno, el peso del hidrógeno transportado sólo representa del 1 al 2% del peso total transportado. Por lo tanto, los remolques de tubo largo sólo son adecuados para escenarios con distancias de transporte cortas (radio de transporte de 200 kilómetros) y baja capacidad de transporte.
El proceso de trabajo es: el hidrógeno producto purificado se comprime a 20 MPa mediante un compresor, se carga en un remolque de tubo largo a través de la columna de aire y se transporta al destino. El haz de tubos lleno de hidrógeno se separa. la locomotora y el haz de tubos en el haz de tubos es El hidrógeno se descarga a través de la columna de descarga de aire y la estación reguladora de presión en los tanques de almacenamiento de hidrógeno de alta presión, media presión y baja presión de la estación de hidrogenación para almacenamiento jerárquico.
La eficiencia del transporte de este método es baja. Las normas nacionales estipulan que la presión de trabajo nominal de los cilindros de gas para remolques de tubo largo es de 10 a 30 MPa, y los cilindros de gas utilizados para transportar hidrógeno son en su mayoría de 20 MPa.
Tomemos como ejemplo la caja de contenedores 11-2140-H2-20-I producida por Hainan Liang Company. Su presión de trabajo es de 20 MPa y se puede llenar con hidrógeno con un volumen de 4164 Nm3 y una. masa de 347 kg cada vez. La masa trasera total del automóvil es 33168 kg. Los principales fabricantes nacionales de remolques de tubo largo incluyen CIMC Enric, Luxi Chemical, Shanghai Nanliang, Pujiang Gas y Shandong Huabin Hydrogen.
Cálculo de los costos de transporte de hidrógeno para remolques de tubo largo
Para calcular el costo del transporte de hidrógeno para remolques de tubo largo, nuestras suposiciones básicas son las siguientes:
(1) Estación de hidrógeno La báscula pesa 500 kg/día, a 100 km de la fuente de hidrógeno;
(2) El remolque de tubo largo está completamente cargado con 350 kg de hidrógeno, la tasa de hidrógeno restante en el haz de tubos es del 20% y el tiempo de trabajo diario es de 15 horas;
(3) La velocidad promedio del remolque es de 50 km/h, el consumo de combustible cada 100 kilómetros es de 25 litros y el el precio del diésel es de 7 yuanes por litro;
(4) El precio del frente de energía es de 400.000 yuanes por unidad, con una depreciación anual de 65.438+00; el precio del paquete es de 6,5438 RMB + 2.000 yuanes por juego; , se deprecia en 20 años, y el método de depreciación es el método lineal;
(5) El remolque se carga y descarga con hidrógeno durante 5 horas;
(6 ) El el consumo de electricidad al comprimir hidrógeno es de 1kwh/kg y el precio de la electricidad es de 0,6 yuanes/kWh;
(7) Cada remolque está equipado con 2 conductores y 1 operador de carga y descarga, con un salario de 6,5438 millones yuanes/persona ·Año;
(8) El costo del seguro del vehículo es de 1.000 yuanes/año, el costo de mantenimiento es de 0,3 yuanes/km y el peaje es de 0,6 yuanes/km según los supuestos anteriores; , la escala se puede estimar en 500 kg/d. Para una estación de hidrógeno a 100 km de la fuente de hidrógeno, el costo de transporte del hidrógeno es de 8,66 yuanes/kg.
El proceso de cálculo es el siguiente:
Los costos de transporte aumentan considerablemente a medida que aumenta la distancia. Cuando la distancia de transporte es de 50 km, el coste de transporte del hidrógeno es de 5,43 yuanes/kg. A medida que aumenta la distancia de transporte, el costo de transporte de los remolques de tubo largo aumenta gradualmente.
Cuando la distancia es de 500 km, el coste de transporte alcanza los 20,18 yuanes/kg.
Teniendo en cuenta cuestiones económicas, los remolques de tubo largo generalmente son adecuados para el transporte de corta distancia dentro de los 200 km.
Aumentar la presión de funcionamiento del haz de tubos puede reducir el coste de transporte de hidrógeno.
Debido a los estándares nacionales, la presión máxima de trabajo de los remolques de tubo largo está limitada a 20 MPa, mientras que se han lanzado a nivel internacional remolques de tubo largo de hidrógeno de 50 MPa.
Si se relajan los estándares nacionales de presión de almacenamiento y transporte, un haz de tubos del mismo volumen puede contener más hidrógeno, reduciendo así los costos de transporte.
Cuando la distancia de transporte es de 100 km, los costos de transporte de los remolques de tubo largo con presiones de trabajo de 20 MPa y 50 MPa son 8,66 yuanes/kg y 5,60 yuanes/kg respectivamente, y el último es aproximadamente el 64,67 % del primero. .
Existe una forma potencial de bajo costo de transportar hidrógeno, pero la red de gasoductos de hidrógeno de China está subdesarrollada y necesita ser acelerada.
El transporte de hidrógeno por tuberías de baja presión es adecuado para el transporte de hidrógeno a gran escala y a larga distancia. Dado que el hidrógeno debe transportarse a baja presión (la presión de trabajo es de 1 a 4 MPa), el consumo de energía es menor que el transporte de hidrógeno a alta presión, pero la inversión inicial en la construcción de tuberías es grande.
Aún hay mucho margen de mejora en el diseño de la red de gasoductos de hidrógeno de mi país. Estados Unidos y Europa son las primeras regiones del mundo en desarrollar redes de gasoductos de hidrógeno, con una historia de 70 años.
Según las estadísticas PNNL 2065 438+06, hay 4.542 kilómetros de tuberías de hidrógeno en el mundo, incluidos 2.608 kilómetros en Estados Unidos, 1.598 kilómetros en Europa y sólo 100 kilómetros en China.
Con el rápido desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno, la creciente demanda de hidrógeno promoverá la construcción de la red de gasoductos de hidrógeno de mi país.
El coste de los ductos de hidrógeno es alto y la inversión es grande. Transportar hidrógeno a través de ductos de gas natural puede reducir los costos.
Los gasoductos de gas natural son los más grandes del mundo y representan más de la mitad de la longitud total de los gasoductos del mundo. En comparación, el número de gasoductos de hidrógeno es muy pequeño. Según un informe de la Agencia Internacional de la Energía, actualmente existen en el mundo 3 millones de kilómetros de gasoductos y sólo 5.000 kilómetros de gasoductos de hidrógeno. Los gasoductos de hidrógeno existentes son operados por empresas productoras de hidrógeno y transportan el hidrógeno terminado a unidades químicas y de refinación.
Debido a que la fragilización por hidrógeno (es decir, la reacción entre el metal y el hidrógeno conduce a una disminución de la tenacidad) hace que el hidrógeno se escape, es necesario elegir materiales con bajo contenido de carbono como tuberías de hidrógeno. El costo de los gasoductos de hidrógeno en Estados Unidos es de 310.000 a 940.000 dólares por kilómetro, mientras que el costo de los gasoductos de gas natural es de sólo 1,25 a 500.000 dólares por kilómetro. El costo de los gasoductos de hidrógeno es más del doble que el de los gasoductos de gas natural.
Aunque el caudal de hidrógeno en el gasoducto es 2,8 veces mayor que el del gas natural, la densidad energética del mismo volumen de hidrógeno es sólo un tercio de la del gas natural debido a su pequeña densidad energética volumétrica. Por tanto, la potencia del compresor de la estación de bombeo utilizado para transportar hidrógeno es mayor que la del compresor utilizado para comprimir gas natural con la misma energía, lo que genera elevados costes de transporte de hidrógeno.
La construcción de infraestructura de una red de transporte de hidrógeno requiere una enorme inversión de capital y un largo período de construcción. La construcción de gasoductos también implica la demolición y construcción de terrenos, lo que dificulta la construcción de gasoductos.
Las investigaciones muestran que el combustible mixto de gas natural e hidrógeno con un contenido de volumen de hidrógeno del 20% puede utilizar directamente las tuberías de transmisión de gas natural existentes sin ninguna modificación.
Incorporar no más del 20% de hidrógeno a la red de gasoductos y purificar el gas mezclado después del transporte no solo puede aprovechar al máximo las instalaciones de gasoductos existentes, sino también reducir económicamente el costo del transporte de hidrógeno.
En la actualidad, algunos países en el extranjero han adoptado este método.
Para calcular el costo del transporte de hidrógeno por ducto, nos referimos a los parámetros básicos del ducto de hidrógeno Jiyuan-Luoyang y hacemos las siguientes suposiciones:
(1) El ducto la longitud es de 25 km y la inversión total es de 146 millones de yuanes. La inversión de longitud unitaria es de 5,84 millones de yuanes/km (10) El volumen de transmisión anual de hidrógeno es de 100.400 toneladas y la tasa de pérdida de hidrógeno durante el transporte es del 8%; Los costos de mantenimiento directos e indirectos de las estaciones de distribución de gas por gasoductos se basan en un cálculo de inversión del 15 %;
(3) El consumo de electricidad al comprimir hidrógeno es de 1 kWh/kg y el precio de la electricidad es de 0,6 yuanes/kWh;
(4) La vida útil de la tubería es de 20 años, utilizando depreciación lineal.
Basándose en los supuestos anteriores, se puede calcular que el precio del transporte de hidrógeno para un gasoducto de hidrógeno de 25 m de longitud con una capacidad de transporte anual de 100.400 toneladas es de 0,86 yuanes/kg.
Cuando la distancia de transporte es de 100 km, el costo de transportar hidrógeno es de 1,20 yuanes/kg, que es sólo 1/5 del costo de un remolque de hidrógeno para la misma distancia. El transporte de hidrógeno a través de ductos es una forma confiable de reducir costos.
Es adecuado para el transporte de larga distancia y la brecha de aplicación entre países nacionales y extranjeros es obvia. Sin embargo, el transporte de hidrógeno líquido es más eficiente que el transporte de hidrógeno gaseoso y las aplicaciones nacionales son limitadas.
El sistema de transporte de un camión cisterna de hidrógeno líquido consta de tres partes: una locomotora de potencia, un remolque de vehículo y un tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido.
Dado que la temperatura de transporte del hidrógeno líquido debe mantenerse por debajo de -253 °C y la diferencia de temperatura con el ambiente externo es grande, para garantizar el rendimiento de sellado y aislamiento del almacenamiento de hidrógeno líquido, el Los materiales y procesos del tanque de almacenamiento de hidrógeno líquido deben ser Los requisitos son mayores, lo que aumenta el costo de inversión inicial.
El transporte en camión cisterna de hidrógeno líquido es un método para enfriar criogénicamente el hidrógeno a 21 K para licuarlo y luego transportar el hidrógeno líquido en un tanque cilíndrico especial aislado de baja temperatura con una presión de 0,6 MPa.
Dado que la densidad de energía volumétrica del hidrógeno líquido alcanza los 8,5 MJ/L, la capacidad del camión cisterna de hidrógeno líquido es de aproximadamente 65 m3 y puede transportar aproximadamente 4000 kg de hidrógeno a la vez, lo que es más de 10 veces. el del remolque de gas hidrógeno, que mejora en gran medida la eficiencia del transporte y es adecuado para el transporte a gran escala y larga distancia.
Sin embargo, la desventaja es que el consumo de energía al preparar hidrógeno líquido es relativamente grande (el consumo de energía al licuar hidrógeno con el mismo poder calorífico es más de 11 veces mayor que el del hidrógeno comprimido), y existe un Cierta pérdida por evaporación de hidrógeno líquido durante el almacenamiento y transporte.
En países extranjeros, especialmente en Europa, Estados Unidos, Japón y otros países, el desarrollo de la tecnología del hidrógeno líquido ha sido relativamente maduro y el hidrógeno líquido ha entrado en la etapa de aplicación a gran escala para almacenamiento y transporte. En algunas áreas, la escala de transporte de los camiones cisterna de hidrógeno líquido supera la escala de transporte del hidrógeno gaseoso.
Actualmente, solo se utiliza en los campos aeroespacial y militar en China, porque los estándares para los dispositivos de producción, transporte y almacenamiento de hidrógeno líquido son todos estándares militares y no existen estándares civiles, lo que limita en gran medida su aplicación. de camiones cisterna de hidrógeno líquido en el ámbito civil.
Las empresas nacionales relevantes han comenzado a desarrollar los correspondientes tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido y camiones cisterna de hidrógeno líquido. Por ejemplo, empresas como CIMC Shengdyne y Fu Rui Hydrogen Energy han desarrollado productos nacionales de almacenamiento y transporte de hidrógeno líquido.
2065438+El 26 de junio de 2009, el Comité Técnico Nacional de Normalización de la Energía del Hidrógeno emitió un informe sobre "Hidrógeno líquido para vehículos de energía de hidrógeno", "Especificaciones técnicas para sistemas de producción de hidrógeno líquido" y "Requisitos técnicos para Seguridad del almacenamiento y transporte de hidrógeno líquido" Se enviaron tres normas nacionales para solicitar opiniones.
Después de que se formen estándares y especificaciones de políticas relacionadas con el hidrógeno líquido, el almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura con mayor densidad de almacenamiento de hidrógeno y eficiencia de transmisión será una dirección de desarrollo importante en el futuro.
Para calcular el coste de transporte de los camiones cisterna de hidrógeno líquido, nuestras suposiciones básicas son las siguientes:
(1) La escala de la estación de hidrógeno es de 500 kg/día y la distancia desde la fuente de hidrógeno es de 100 km;;
(2) La capacidad de carga del camión cisterna es de 15.000 galones (aproximadamente 68 m3 o 4.000 kg) y el tiempo de trabajo diario es de 15 horas;;
(3) La velocidad media del camión cisterna es de 50 km/h, el consumo de combustible cada 100 kilómetros es de 25 litros y el precio del diésel es de 7 yuanes/litro;
(4) El precio de un líquido El camión cisterna de hidrógeno cuesta aproximadamente 500.000 dólares estadounidenses por vehículo, se deprecia en 10 años y el método de depreciación es el método de línea recta;
(5) El tiempo de carga y descarga de un camión cisterna es de 6,5 h;
(6) El consumo de electricidad al comprimir hidrógeno es de 11 kWh/kg y el precio de la electricidad es de 0,6 yuanes/kWh;
(7) Cada remolque está equipado con 2 conductores , 1 operador de carga y descarga, salario 6,5438 millones de yuanes/persona·año;
(8) El seguro del vehículo cuesta 1.000 yuanes/año, el mantenimiento cuesta 0,3 yuanes/km, el peaje 0,6 yuanes/km. Con base en los supuestos anteriores, se puede calcular que la escala de la estación de hidrogenación es de 500 kg/d, la distancia desde la fuente de hidrógeno es de 100 km y el costo de transporte del hidrógeno es de 13,57 yuanes/kg.
El proceso de cálculo es el siguiente:
Las variaciones de costes de los camiones cisterna de hidrógeno líquido no son sensibles a la distancia. Cuando la estación de servicio de hidrógeno está a una distancia de 50 a 500 kilómetros de la fuente de hidrógeno, el precio del transporte en camiones cisterna de hidrógeno líquido aumenta ligeramente en el rango de 13,51 a 14,05438+0 yuanes/kg. Aunque los costos de transporte aumentan con la distancia, el aumento no es significativo. Esto se debe a que el consumo de electricidad en el proceso de licuefacción, que representa alrededor del 60% del coste total, sólo está relacionado con la carga de hidrógeno y no tiene nada que ver con la distancia. Sin embargo, la proporción de costes de combustible y peajes que se relacionan positivamente con la distancia no es grande. Los camiones cisterna de hidrógeno líquido tienen más ventajas de costes en el transporte de larga distancia.
Capítulo 4 Construcción de estaciones de servicio de hidrógeno
1. Estimación de la inversión
La inversión en estaciones de servicio de hidrógeno incluye principalmente inversión en equipos, inversión en construcción civil, diseño, supervisión y aprobación.
La tabla de estimación de inversión del proyecto es la siguiente:
Número de serie nombre descripción del costo (10.000 yuanes)
1 equipo de proceso 222,00
1.1 Sistema de presurización 160.00
1.2 Sistema de llenado 56.00
1.3 Sistema de descarga 6.00
2 Tuberías de obra, cables de instrumentos, etc. 12.00
3 Armario PLC, sonda de llama, sonda de fuga de hidrógeno, videovigilancia, etc.
4 Instalación y puesta en marcha de equipos 40,00 incluyendo materiales auxiliares
5 Ingeniería civil 80,00
6 Diseño, supervisión, aprobación y otros costos 45,00
7Total 424,00
2. Estimación de costos operativos
Una vez terminada la estación de hidrogenación, los costos operativos incluyen el alquiler del terreno, la depreciación de los equipos, los costos de operación y mantenimiento, los salarios del personal, etc.
La inversión total del proyecto es de 4,24 millones de yuanes. Los activos fijos se deprecian mediante el método lineal, excluyendo el valor residual, y se deprecian y amortizan en 10 años, con una depreciación anual de 424.000 yuanes.
El costo anual de operación y mantenimiento incluye la tarifa de mantenimiento del equipo, la tarifa de gestión y la tarifa laboral, la tarifa de electricidad y la tarifa del agua, de los cuales la tarifa de mantenimiento del equipo es de aproximadamente 550.000 yuanes, la tarifa de gestión y la tarifa laboral (cuatro trabajadores) 6,5438 +0,5 millones de yuanes, las facturas de electricidad y agua son de 300.000 yuanes y el costo anual de operación y mantenimiento es de 6,5438+0,0 millones de yuanes.
Una sola estación de este proyecto cubre un área de aproximadamente 2 acres. Según el costo actual de adquisición de terrenos en el área de servicio, el alquiler del terreno se calcula temporalmente en 654,38 millones de yuanes por mu por año, y el alquiler anual del terreno para una sola estación es de 200.000 yuanes.
3. Cálculo de beneficios
El precio de venta externo de las estaciones de hidrogenación es de 35 yuanes/kg, y la diferencia de precio entre compra y venta es generalmente de 20 yuanes/kg.
La capacidad de hidrogenación diaria diseñada para este proyecto de estación de hidrógeno es de 500 kg/d y la presión de llenado es de 35 MPa. Calculada en base al 70% de su capacidad de llenado, si se llenan 350 kg cada día, la capacidad de llenado anual. Puede ser de 120.000 kg.
Según el ingreso diferencial por intereses, el beneficio bruto anual se estima en 2,52 millones de yuanes.
Análisis de beneficios económicos:
Nombre del número de serie Cantidad unitaria (10.000 yuanes) Observaciones
1 Ingresos por diferencia de precio (beneficio bruto) 10.000,00 RMB.
El alquiler del terreno es de 10.000,00 RMB.
El costo operativo de tres años es de 65.438+000,00 yuanes.
4 Depreciación y amortización: 10.000 yuanes; 42,4 depreciación 65.438+00 años.
Beneficio antes de impuestos de 97,6 yuanes en 5 años
5 impuestos: 24,4 en 10.000 yuanes
Beneficio de 73,2 yuanes en 6 años
El período de recuperación de la inversión estática es: 5,79 años, 4,24 millones de yuanes/732.000 yuanes.
Sin embargo, actualmente hay muy pocos vehículos que utilizan combustible de hidrógeno, pero la energía del hidrógeno continúa desarrollándose bajo políticas favorables y las predicciones actuales son muy difíciles e impredecibles. En el cálculo, se utiliza para la estimación el 70% de la carga de diseño.
La provincia de Shandong ha lanzado el primer plan a medio y largo plazo a nivel provincial para la energía del hidrógeno, y Shandong 3677 ha creado la Zona Económica del Hidrógeno de Shandong. Con la planificación en marcha, las dos tierras altas del “Valle del Hidrógeno de China” de Jinan y la “Isla Oriental del Hidrógeno” de Qingdao tienen amplias perspectivas y potencial de desarrollo. Bajo el actual pico nacional de emisiones de dióxido de carbono y la estrategia de neutralidad de carbono, la energía del hidrógeno seguramente marcará el comienzo de una etapa de gran desarrollo.