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摘 要：受国立研究开发法人日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托，一般财团法人能源综合工学研究所对利用可再生能源制得氢气的低环境负荷型内燃机汽车用燃料进行了调查，本文为该调查的报告书。
关键字：供应链、定量分析、制氢、水蒸气重整、水电解、合成气、海上运输
可再生能源制得的氢气的利用
关于低环境负荷型内燃机汽车用燃料的
调查报告书
烃类燃料篇
2020年7月
一般财团法人 能源综合工学研究所
本文为连载篇，
此次介绍目录中蓝色字体部分，
文末有已介绍部分链接。
目录
1. 序
1.1 目的
1.2 内容
1.2.1 利用定量分析的技术评估
1.2.2 用于改善CO2排放量和经济性的研究
2. 利用定量分析的技术评估
2.1 定量分析方法和前提条件
2.1.1 定量分析流程
2.1.2 共同条件
2.1.3 经济性的定量分析方法
2.1.4能源效率的定量分析方法
2.1.5 CO2排放量的定量分析方法
2.2 供应链的概念设计
2.2.1 定量分析的分析情形
2.2.2 供应链的结构
2.2.3 供应链的规模
2.2.4 制氢（水蒸气重整）
2.2.5 制氢（水电解）
2.2.6 制氢（生物质热分解气化）
2.2.7 原料CO2
2.2.8 合成气的制造
2.2.9 FT合成
2.2.10 装货基地
2.2.11 长距离海上运输
2.2.12 卸货基地
2.2.13 合成燃料罐车
2.2.14 加油站
2.3 定量分析结果
2.3.1 能量平衡的分析结果
2.3.2 CO2排放量的分析结果
2.3.3 经济性的分析结果
2.3.4 与其他合成燃料的比较
2.4 用于改善CO2排放量和经济性的研究
3. 总结
2.2 供应链的概念设计
2.2.1 定量分析的分析情形
在第一份报告书中，如表5所示，根据两种合成燃料（DMC和OME）和供应链规模（大小规模）的组合大致分为4种情形并对其进行了评估。除此之外，本调查还对大规模的烃类燃料供应链进行了评估。
氢气的制造与欧洲正在积极研究的Power to Liquid （PtoL）项目相同，以通过水电解装置制氢作为基础情形。除了水电解之外，在大规模供应链中，还考虑了天然气水蒸气重整（SMR）制氢、生物质热解气化（Biomass Gasification）制氢、以及作为参考的天然气制氢。
2.2.2 供应链的结构
如图5所示，使用作为分析对象的由CO2和零碳氢气制造的烃类合成燃料的供应链，由氢气制造、CO2源、合成气制造、FT合成、包含基地和油轮的长距离运输和储存、日本国内配送等子系统构成。子系统的物质和能量平衡由对子系统的输入和输出、转换效率和损耗计算而得。整合子系统的物质和能量平衡，从而获得供应链的物质和能量平衡。在获得详细数据的情况下，将子系统进一步分解为更详细的单元来进行计算。
上述分析所需的前提条件（设施的物质和能量平衡、转换效率、成本信息等）通过文献等收集得到。对于难以获得定量信息的前提条件，从类似的设施和工艺等中推测效率等，并注明使用的是推测值。
从能源供给的角度来看，通过概念设计得到的供应链具有足够的规模，并以假设的实现实用化的年代和前提条件下的供应链作为基础情形，而对随着技术进展等前提条件不同的情况进行灵敏度分析。
图5 进行概念设计并进行评估的合成燃料供应链的构成
2.2.3供应链的规模
（1）大规模供应链
如表6所示，供应链与第一份报告书具有相同的制氢量。根据后述的物质和能量平衡计算可知，产品量约为24万kL/年。下文所述制氢方法的前提条件与第一份报告书相同。
2.2.4 制氢（水蒸气重整）
利用天然气水蒸气重整的制氢技术使天然气和水蒸气在700~850℃、3~25个大气压的条件下反应以生成氢气和一氧化碳。该反应生成的一氧化碳经过变换反应后减少，而氢气浓度升高。该技术已经实现实用化，目前存在的技术课题是提高反应效率以及减少昂贵的贵金属催化剂使用量。反应式为以下所示的平衡反应。
CH4+H2O→3H2 +CO
CO +H2O → H2 +CO2
利用天然气重整的制氢过程中产生的CO2将被回收和储存，包括来自过程气的CO2和来自用作燃料的烟道气的CO2两部分。表7示出了利用天然气水蒸气重整的制氢技术的主要规格。
对于大规模供应链中使用的氢气，当年产量约为22.1亿Nm3时，则CO2回收量约为167万吨。另外，用于制造合成燃料的原料CO2的年需求量约为256万吨/年，不足量约为96万吨/年。
2.2.5 制氢（水电解）
水电解装置通过电解水制造氢气，具有可以利用来自可再生能源的电力制造高纯度氢气，结构简单，且占地面积小等优点，从中长期来看是一项重要技术。主要方法包括碱性水电解，固体高分子（PEM）型水电解和高温水蒸气电解（SOEC）。在本定量分析中，假设使用与第一份报告书相同的碱性水电解。
假定供给至水电解装置的来自可再生能源的电力（以下，简称“可再生能源电力”）为海上风电，设备利用率为海上风能的全球加权平均值——39％。虽然假定水电解装置的运行会根据可再生能源电力的供应多少进行调整，但由于后续的合成燃料制造设施默认为连续运行，因此水电解装置产生的氢气储存在作为缓冲的储氢罐中。储氢罐的容量为可以存储用于E-Fuel制造一天的氢气量。
表9示出了大规模供应链中的氢原料量和与设备利用率对应的水电解装置的设备容量的示例。设备容量根据制氢单位消耗量：5.0kWh/（Nm3-H2h）计算。
表10示出了本定量分析中使用的主要水电解装置的规格。
2.2.6 制氢（生物质热分解气化）
生物质气化技术大致分为热化学性气化和生物化学性气化。热分解气化作为热化学性气化的一种，是通过在低氧条件下加热生物质来获得合成气（氢气、一氧化碳等）的技术，并且可以实现大型化，因此作为本定量分析中使用的制氢方法之一。
生物质中含有大量的水，与现有的能源来源相比运输效率低，因此需要想办法在制造地进行能量转换并缩短运输距离等。
使用17吨/公顷/年的木质生物质的产量基准的情况下，为了获得本定量分析中假定的约259万吨/年的生物质燃料，则需要约15万公顷的林地（假设该林地为圆形的集中林地，则半径约39km），因此利用生物质难以供应大规模供应链中使用的氢气量。
本定量分析中使用的生物质制氢技术中使用了DOE木质生物质气化的制氢模型6（请参照表12）。
表13示出了利用木质生物质气化装置的制氢量和CO2回收、使用、以及剩余量。大规模供应链中使用的氢气的年产量约为22.1亿Nm3，而CO2的年回收量约为425万吨。另外，利用FT合成法制造燃料的CO2的年需求量约为256万吨，则年剩余量约为169万吨。
注：
6：DOE, Advanced (2025) Hydrogen from Biomass via Gasification and Catalytic Steam Reforming
2.2.7 原料CO2
表14示出了FT合成所需的原料CO2量。
如表15所示，在第一份报告书中，对炼油厂和火力发电厂的废气中的CO2回收成本、从大气中回收CO2的成本以及CO2的市场价格等进行了调查。调查结果显示，CO2成本范围很广，因此在本定量分析中，与第一份报告书一样，将原料CO2的基础成本设定为5000日元/吨，并通过灵敏度分析确认了CO2成本的影响。在灵敏度分析中，分别对CO2成本为1,500日元/t-CO2、3,000日元/t-CO2、10,000日元/t-CO2、40,000日元/t-CO2时对产品成本的影响进行了计算。
2.2.8 合成气的制造
在由化石燃料制造合成气的情况下，根据天然气的水蒸气重整和煤炭的气化，制造以氢气和一氧化碳为主要成分的合成气。在此，使用的制造工艺是利用购买或从大气中回收的CO2原料和H2进行逆变换反应生产合成气。逆变换反应是以天然气为原料的水蒸气重整制造氢气时的变换反应的逆反应，是吸热反应，同时还会发生甲烷化副反应。
CO2 +H2 →CO+H2O 41kJ/mol（吸热）
CO2 +4H2 → CH4 +2H2O 165kJ/mol （放热）
表16示出了各催化剂下由氢气和CO2制造的合成气浓度比8。使用SrCO3-SrTiO2时，合成气浓度接近下文FT合成分析中的参考文献所记载的合成气体浓度。由于浓度存在微小差异，因此将合成气制造设施与FT合成的热量设定为相同。另外，根据文献，在逆变换设施的入口气体中，H2/CO2的浓度比设定为67/33。关于逆变换反应设施的设备成本，文献中并没有相关记载，因此根据相同规模的天然气水蒸气重整设施进行估算，将其设定为637亿日元。
2.2.9 FT合成
如下式所示，FT合成反应通过一氧化碳和氢气合成各种长度的烃类混合物。包括FT合成在内的合成燃料技术请参考文献9等资料。作为FT合成反应中使用的催化剂，金属状态的铁、钴和钌表现出高活性。反应条件为200~350℃，反应压力为2~4MPa（铁催化剂：250~350℃，2~4MPa，钴催化剂：220~250℃，0.5~2MPa）。该反应是聚合反应，由于聚合度不能保持恒定，因此所产生的烃类广泛分布在C1~C100以上。其碳数分布遵从Sculz-Flory分布规则，用该分布中的链增长概率表示。在工业用催化剂中，其值为0.7~0.95。
CO +2H2 →1/n(CH2)n
FT合成反应的一次产物主要是α-烯烃（以碳双键封端的烯烃）。α-烯烃通过二次反应转化为其他烃类，例如，通过氢化生成直链石蜡，通过加氢裂化生成甲烷等低级烷烃，或通过二次链增长生成高级烃。此外，还会生成少量乙醇等醇类、丙酮等酮类以及乙酸等羧酸类。本研究中使用的FT合成装置的前提条件请参考文献10，在该文献中，以通过生物质气化而制得的合成气为原料制造液体燃料。
表17示出了FT合成装置的主要规格。另外，FT合成装置消耗的电力可以通过回收FT合成的生物质在发电厂进行发电获得，因此无需从外部系统进行购买。
注：
8：室井，从催化剂看二氧化碳减排对策，2019年
9：藤元，《 GTL（Gas to Liquid)）技术展望》，日本石油技术协会期刊，第66卷，第2期，第151页，2001年
平井等人，《合成燃料的现状和未来趋势》，2008年
末广等人，《日本国内GTL技术发展的现状与未来》，《石油与天然气综述》，2013.1 Vol.47 No.1
10：COSMO石油等，2009年~2012年，《使用低压固定床FT催化剂技术的BTL工艺研发》，2013年3月
图6示出了使用氢气和CO2作为原料，通过FT合成制造烃类燃料的系统的能量流程图。根据文献10，建立了合成气与FT合成、废气量等的平衡。该设备的规模为4,600 BPD的相当于汽油的合成燃料。使用废气和在吸收塔中回收的部分轻质组分进行发电产生的电力被用于合成燃料制造设备，剩余的部分则供给至电解设备。
同时，为了进行比较，图7和图8分别示出了此前报告中的DMC合成和OME合成的能量流程图。DMC合成中，投入原材料、电和热的66%转换为产品，而OME合成的转换率仅有49％，原因之一是OME的合成工艺仍处于研发阶段，并且需反复进行蒸馏操作以分离产品OME3~5。
图6 FT合成的能量流程图
注：将投入氢气的热量设为100。HHV基础
图7 DMC合成的能量流程图
注：将投入氢气的热量设为100。HHV基础
图8 OME合成的能量流程图
注：将投入氢气的热量设为100。HHV基础
2.2.10 装货基地
表18示出了装货基地的主要规格。装货基地储存制造的合成燃料直到出厂，然后运输至油轮。主要设备包括合成燃料储罐、泵、管道和装载臂。考虑到运输至油轮所需的时间，假定一艘油轮的容量以及冗余量为两天的额定产量。合成燃料与一般的石油产品相似，在常温常压下为液体，因此有望使用石油产品的储罐。
2.2.11 长距离海上运输
表19示出了海上运输油轮的主要规格。预计海上运输能源时会需要大量的船，因此将新建造船只并由本公司自行运营。运输距离设定为10,000公里（相当于日本与阿德莱德或孟买之间的距离，到美国西海岸的距离约为9000公里）。
如上所述，本定量分析中涉及到的合成燃料有望具有与石油产品相似的物理化学特性，因此在引入初期可考虑使用中小型化学品油轮，而在高需求时期使用大型原油油轮等现有的技术。
对于海上运输，考虑采用自主所有并运营或长期雇船的方式，其中，长期雇船的方式可以降低成本，但长期雇船的成本取决于市场，难以进行长期成本预测；此外，考虑到能源需要未来将需要大量船只进行运输，因此假定使用新建船只运输。另外，运营的供应链数量较少时，与第一份报告书相比运输需求并没有显著增多，因此也可以考虑使用化学品油轮。
2.2.12 卸货基地
表20示出了卸货基地的主要规格。根据油轮容量、卸货频率和需求量设定所需的储存量。主要设备与装货基地一样，包括合成燃料储罐、泵、管道和装载臂。另外，在引入期间，考虑与石油混合的方式，从运输和设备共享等角度出发，建议卸货基地建立在炼油厂或二次基地附近。考虑到占比为10%的上游侧不运行期间需要通过储存罐供应能源，因此将储罐的容量设置为可储存36天的能源量。
2.2.13 合成燃料罐车
表21示出了合成燃料罐车的主要规格。假定合成燃料罐车是与汽油和轻油罐车相同的设备。在此，假设该罐车为20kL的通用型中型罐车。
2.2.14 加油站
表22示出了加油站的主要规格。假设可以使用与现有加油站相同的设备，则考虑使用现有加油站的建设和运营所需的成本对经济性进行分析。主要设备为燃料箱（地下）、加油机、泵与管道类、顶篷等。
未完待续！
翻译：金滢洁
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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