甲醇重整-氫燃料船舶案例

         之前探討了什么是綠色e-甲醇及其作為航運燃料的邏輯和推動力。關鍵的一點是碳中性的CO2來源，考慮原料來源廣泛性，長遠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，但是長遠看廉價生物基碳源有限。

         怎么破？有項目創新性的提出了一個貌似繁瑣但具有可行性的方案，即HyMethShip項目，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——氫提供動力，碳在靠岸的地方卸下來，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低成本捕捉的碳。

這個系統的確復雜，但是它同時解決了三個“瓶頸”：

         氫在陸上的高昂儲運成本

         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。當然，這是計算值。理論上原因是：

         水蒸氣重整和碳捕集用熱來自發動機廢熱！

         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，相當于5.58提高到了6.24kWh，75%的發動機廢熱用于船上碳捕集用熱項目背景 這個項目的名稱是“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-甲醇船舶推進系統”。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WP（Work Package），項目執行聯合體來自6個歐盟國家的13個合作伙伴。

HyMethShip燃料成本   HyMethShip項目并沒有給出成本計算細節，只給出了對比圖。由下圖可見，HyMethShip概念導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行費用的比例非常低。

注：

電轉甲醇=電解水制H2+CO2合成e-甲醇；

電轉柴油=電解水制H2+ CO（由CO2生產）經類似費托反應合成e-柴油

         項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來自于自身產生的碳的循環利用，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。項目文章采用的參考DAC成本為103歐元/噸，基本也是預期2030年以后才能達到的，目前大約是200歐元（最樂觀的情況）。

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

         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；而該項目的概念，由于CO2自身循環利用了，來自于空氣，不還給空氣，負碳。

HyMethShip燃料系統投資

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

         我們根據其它文獻的數據計算，包含分離凈化的甲醇重整系統投資成本為4200萬歐元，產能216噸H2/天（傳統，不是膜反應器）。按放大系數0.6計算，36噸H2每天的投資成本為1430萬歐元，折合572歐元/kW。該項目的甲醇重整反應器+周邊系統總成本還是很低的。

對比H2動力船系統投資

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

         “Roundtript Duration”往返時間168小時，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的系統差不多。

H2動力船燃料成本

         假設制氫1.5美金，有評估顯示液氫500公里“全鏈條”儲運成本最低大約是2.5美金，則至船上液氫成本為4美金/kg。DOE的TCO報告采用的“遠期”目標氫價即4美金。這已經非常低了，相當于1650美金/噸的LNG，1400美金/噸的柴油，670美金/噸的甲醇。

  注：不是點對點運輸，規模化用氫，要儲的，而且儲的量還不能小。2.5美金/公斤的全鏈條儲運成本是包含了廉價的地下儲氫的。

           DOE報告當時（2015）對比的是傳統化石柴油和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LNG價格折合約1200美金，柴油折合約1300美金，已經接近了4美金的氫了。

結論

         氫到船上成本是否能達到4美金以下，什么時候達到，多大范圍達到（局部vs廣泛），是氫載體的前途的判斷前提。你可以認為大規模可再生氫2030年至用戶成本普遍能達到2美金（BNEF 氫經濟展望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，氫基礎設施起碼要二十年時間發展壯大，氫載體在這二三十年內可以大有作為。

          另外，CO2直接空氣捕捉，經歷了“失去的十年內”；在接下來脫碳大背景下，也許真的可以規模化大幅降本，那么該項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。

         當然，本文只是探討甲醇氫載體的邏輯性、合理性。一切都是變化的，競爭對手也是有的，比如有機液態儲氫 LOHC。

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