甲醇重整-氫燃料船舶案例

         之前探討了什么是綠色e-甲醇及其作為航運(yùn)燃料的邏輯和推動力。關(guān)鍵的一點(diǎn)是碳中性的CO2來源，考慮原料來源廣泛性，長遠(yuǎn)看可能必須采取空氣直接捕捉DAC，目前成本太高。生物基碳在推廣初期比較重要，但是長遠(yuǎn)看廉價(jià)生物基碳源有限。

         怎么破？有項(xiàng)目創(chuàng)新性的提出了一個(gè)貌似繁瑣但具有可行性的方案，即HyMethShip項(xiàng)目，大致流程是如下圖，空氣捕捉碳+綠氫合成甲醇——船上甲醇水蒸氣重整制氫+碳捕集——?dú)涮峁﹦恿Γ荚诳堪兜牡胤叫断聛?，用于下一次合成甲醇。“首次”航行的碳來自空氣捕捉，之后就依賴自身系統(tǒng)低成本捕捉的碳。

這個(gè)系統(tǒng)的確復(fù)雜，但是它同時(shí)解決了三個(gè)“瓶頸”：

         氫在陸上的高昂儲運(yùn)成本

         船上儲氫的難度和安全性

         空氣捕捉CO2高昂成本

整體效率并不低，甲醇——動力的效率是51%，比直接燒甲醇還高些。當(dāng)然，這是計(jì)算值。理論上原因是：

         水蒸氣重整和碳捕集用熱來自發(fā)動機(jī)廢熱！

         CH3OH + H2O→CO2 + 3H2，熱值比單純用甲醇提升約12%甲醇LHV=5.58kWh/kg, 氫LHV=33.3kWh/kg；1公斤甲醇生成0.1875公斤氫，相當(dāng)于5.58提高到了6.24kWh，75%的發(fā)動機(jī)廢熱用于船上碳捕集用熱項(xiàng)目背景 這個(gè)項(xiàng)目的名稱是“Hydrogen-Methanol Ship propulsion system using on-board pre-combustion carbon capture” ，即“采用船載燃燒前碳捕集的氫-甲醇船舶推進(jìn)系統(tǒng)”。歐盟地平線2020（Horizon 2020）資助，總金額大約930萬歐元。周期3年（2018 – 2021），分為11個(gè)WP（Work Package），項(xiàng)目執(zhí)行聯(lián)合體來自6個(gè)歐盟國家的13個(gè)合作伙伴。

HyMethShip燃料成本   HyMethShip項(xiàng)目并沒有給出成本計(jì)算細(xì)節(jié)，只給出了對比圖。由下圖可見，HyMethShip概念導(dǎo)致的對某些船型的投資成本增加了一倍，但是投資成本占船舶年運(yùn)行費(fèi)用的比例非常低。

注：

電轉(zhuǎn)甲醇=電解水制H2+CO2合成e-甲醇；

電轉(zhuǎn)柴油=電解水制H2+ CO（由CO2生產(chǎn)）經(jīng)類似費(fèi)托反應(yīng)合成e-柴油

         項(xiàng)目文章對燃料成本更低的解釋是：“The reason for the cost difference is that CO2 is assumed to have zero cost as it is captured and recycled by the HyMethShip technology.”，即由于CO2來自于自身產(chǎn)生的碳的循環(huán)利用，所以制甲醇的CO2成本是零。這句話有三層含義：

         1-直接空氣捕捉成本太高。從甲醇水蒸氣重整制氫過程捕集碳，這個(gè)是典型的燃燒前碳捕集，成本更低效率更高。直接空氣捕集的成本很高。項(xiàng)目文章采用的參考DAC成本為103歐元/噸，基本也是預(yù)期2030年以后才能達(dá)到的，目前大約是200歐元（最樂觀的情況）。

         2-氫儲運(yùn)成本太高。雖然綠醇的制備原料是綠氫，但是綠氫儲運(yùn)至船上的成本過高。

         3-空氣碳捕捉制綠甲醇，甲醇燃燒排等量碳，來自于空氣，還給空氣，凈零；而該項(xiàng)目的概念，由于CO2自身循環(huán)利用了，來自于空氣，不還給空氣，負(fù)碳。

HyMethShip燃料系統(tǒng)投資

         該系統(tǒng)投資大頭是：膜重整反應(yīng)器+加熱用電機(jī)+余熱利用系統(tǒng)，總成本是496 歐元/kW；其它的甲醇和CO2存儲等占比很低。

         我們根據(jù)其它文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算，包含分離凈化的甲醇重整系統(tǒng)投資成本為4200萬歐元，產(chǎn)能216噸H2/天（傳統(tǒng)，不是膜反應(yīng)器）。按放大系數(shù)0.6計(jì)算，36噸H2每天的投資成本為1430萬歐元，折合572歐元/kW。該項(xiàng)目的甲醇重整反應(yīng)器+周邊系統(tǒng)總成本還是很低的。

對比H2動力船系統(tǒng)投資

         我們參考美國能源部DOE的“海上應(yīng)用氫燃料電池的總擁有成本（TCO）分析——初步結(jié)果”的數(shù)據(jù)，以25MW集裝箱船為例：

         “Roundtript Duration”往返時(shí)間168小時(shí)，按低位熱值LHV算，燃料電池效率50%，需要25*168/33.3/50%=252噸H2，36噸氫/天。儲氫罐體積3300立方米（約250噸），儲氫系統(tǒng)成本2960美金/立方（液氫），投資976.8萬美金，折合390美元/kW。這與HyMethShip的系統(tǒng)差不多。

H2動力船燃料成本

         假設(shè)制氫1.5美金，有評估顯示液氫500公里“全鏈條”儲運(yùn)成本最低大約是2.5美金，則至船上液氫成本為4美金/kg。DOE的TCO報(bào)告采用的“遠(yuǎn)期”目標(biāo)氫價(jià)即4美金。這已經(jīng)非常低了，相當(dāng)于1650美金/噸的LNG，1400美金/噸的柴油，670美金/噸的甲醇。

  注：不是點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸，規(guī)?；脷洌獌Φ?，而且儲的量還不能小。2.5美金/公斤的全鏈條儲運(yùn)成本是包含了廉價(jià)的地下儲氫的。

           DOE報(bào)告當(dāng)時(shí)（2015）對比的是傳統(tǒng)化石柴油和LNG，采取的參考值是620和700美金/噸，如上圖，看起來氫船舶TCO極高。但是，目前國內(nèi)LNG價(jià)格折合約1200美金，柴油折合約1300美金，已經(jīng)接近了4美金的氫了。

結(jié)論

         氫到船上成本是否能達(dá)到4美金以下，什么時(shí)候達(dá)到，多大范圍達(dá)到（局部vs廣泛），是氫載體的前途的判斷前提。你可以認(rèn)為大規(guī)模可再生氫2030年至用戶成本普遍能達(dá)到2美金（BNEF 氫經(jīng)濟(jì)展望2020，中國情景），那就忽略氫載體路線，好好直接用氫吧。冷靜客觀的看，氫基礎(chǔ)設(shè)施起碼要二十年時(shí)間發(fā)展壯大，氫載體在這二三十年內(nèi)可以大有作為。

          另外，CO2直接空氣捕捉，經(jīng)歷了“失去的十年內(nèi)”；在接下來脫碳大背景下，也許真的可以規(guī)?；蠓当?，那么該項(xiàng)目所謂甲醇重整捕集CO2成本低的邏輯，就沒有那么有吸引力了。

         當(dāng)然，本文只是探討甲醇?xì)漭d體的邏輯性、合理性。一切都是變化的，競爭對手也是有的，比如有機(jī)液態(tài)儲氫 LOHC。

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