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

2.3 定量分析结果

2.3.1 能量平衡的分析结果

图9示出了投入供应链中各过程的能源量。由该图可知，大部分可再生能源电力都用于制氢。CO₂是作为原材料购买的，因此并未使用外部能源。逆变换装置和FT合成装置的动力通过装置中的废气进行发电而获得。此外，还记录了海上运输中的重油消耗量、装卸基地和卸货基地的电力、罐车燃料以及加油站的电力，但是与制氢所用电力相比太小，以至于在图表上无法显示。另外，产品的热量与供应给供应链的能量之间的比率（能源效率）为22％。

图9 投入供应链中各过程的能源量

（制氢方法：水电解）

2.3.2 CO₂排放量的分析结果

图10示出了供应链中各过程的CO₂排放量。在此，将CO₂负荷率设为0.5。由该图可知，原材料CO₂占CO₂排放量的大部分。另外，在其他步骤中，利用从外部投入的电力和燃料产生的CO₂排放量被计算在内。但如图9所示，来自外部的能源投入量小，因此通过外部能源产生的CO₂排放量也比较小。

图10 供应链中各过程的CO₂排放量

（制氢方法：水电解）

图11示出了合成燃料产生的CO₂排放量对原料CO₂负载系数的依赖性。由该图可知，在假定的转换效率（38％=FT合成设施出口处的产品热量/合成气热量）下，原料CO₂的负载率约为0.2，与汽油持平，而为了削减CO₂，必须小于或等于此值。因此，通过使用部分生物质或直接从空气中回收的CO₂等碳中性的CO₂作为原料CO₂，可以减少CO₂的排放量。同时，通过增加高废气再利用率产品的产量，可以有效降低产品的单位CO₂排放量。此外，不回收轻质组分，而是将其和原油一起用作炼油厂中的精炼原料，提高其利用率，从而有效提高FT合成的转换效率，此方法也可有效改善CO₂的单位消耗量。

图11 合成燃料的CO₂排放量对原料CO₂负载系数的依赖性

（制氢方法：水电解）

图12示出了各制氢方法下的FT合成燃料的CO₂排放量。在该图中，假定原料CO₂的负载系数为0.5。在图中所示条件下，除了氢气和原材料CO₂来自生物质的情形，其他情形下的CO₂排放量均高于汽油。

图12 各制氢方法下的FT合成燃料的CO₂排放量

（CO₂负载系数为0.5）

图13示出了通过各制氢方法制造的FT合成燃料的CO₂排放量（CO₂负载率为0）。由该图可知，通过DAC获得在碳中性CO₂，并将其作为原料进行使用，可以大幅改善单位CO₂排放量。在CO₂来自生物质的情况下，通过储存来自生物质的剩余CO₂，在技术上能够实现负排放。另外，当使用来自天然气的CO₂制造合成燃料时，尽管其具有将气体资源转化为液体燃料的作用，但是不会减少CO₂排放量。

图13 通过各制氢方法下的FT合成燃料的CO₂排放量

（CO₂负载为0）

2.3.3 经济性的分析结果

图14和图15分别示出了合成燃料成本的明细（制氢方法：水电解）、合成燃料成本的各过程明细（制氢方法：水电解）。由图可知，制氢和原料CO₂在合成燃料总成本中所占比例较大。电解制氢时的合成燃料成本相当于汽油357日元/L。在这种情况下，原料氢成本为26日元/Nm³，作为制氢成本并不是很高。因此，尽管有必要进一步降低各原料的成本，但是如果FT合成的效率提高，则成本有望得到显著改善。

图14 合成燃料成本明细（制氢方法：水电解）

图15 合成燃料成本的各过程明细

（制氢方法：水电解）

图16示出了FT合成燃料成本对可再生能源电力成本的依赖性。图16的第二横轴表示使用第一横轴的可再生能源成本时的氢成本。初始条件下，原料成本为3.6日元/kWh，原料CO₂成本5000日元/t-CO。当原料成本增加至7.2日元/kWh，则成本将增加约150日元；而当原料CO₂成本增加一倍至10,000日元/t-CO₂时，则成本将增加约45日元/L。

图16 FT合成燃料成本对可再生能源成本的依赖性

（制氢方法：水电解）

图17示出了合成燃料成本对FT转换效率的依赖性。随着转换效率从初始条件开始提高，且液体产品的产率提高，FT合成燃料的成本降低，并且接近汽油的价格。因此，通过提高废气的再利用率并提高产品的产率，可以降低FT合成燃料的成本。另外，通过在FT合成装置中不对轻质成分进行回收，而增加其与原油在炼油厂中作为精制原料和产品的比例，从而实质上增加产品的产量，也可以改善经济性。在该图中，汽油的价格作为参考，但是利用汽油会产生CO₂，因此现阶段合成燃料成本并不是必须降至与汽油相同的水平。

图17 合成燃料成本对FT转换效率的依赖性

（制氢方法：水电解）

图18示出了不同制氢方法下的FT合成燃料成本。从该图可知，在本次评估的前提条件下，FT合成燃料成本是汽油价格的1.7~2.3倍。虽然制氢占据了大部分成本，但是如上所述，制氢成本相对较低，因此，有必要通过提高系统效率来增加产品的数量，从而降低成本。

图18 不同制氢方法下的FT合成燃料成本

2.3.4 与其他合成燃料的比较

图19示出了不同制氢方法下的FT合成燃料与DMC和OME之间的CO₂排放量的比较。原料CO₂的负载率为0.5。在所有类型的燃料中，原料CO₂产生的CO₂排放量较大，因此可以通过使用CO₂负载率较低的原料（生物质或DAC的CO₂）来改善CO₂的单位排放量。此外，当使用来自生物质的原料时，通过储存剩余的CO₂，可以在技术层面上实现燃料使用的负排放。

为使投入氢气的约38%成为FT合成燃料产品，有望通过提高效率来降低制氢过程中的CO₂排放量和原料CO₂产生的CO₂排放量。此外，关于DMC和OME，可以通过使用低碳的电源和燃料来降低用于合成设施加热的燃料/电力的碳排放。

图19 不同制氢方法下的FT合成燃料与DMC和OME之间的CO₂排放量比较（原料CO₂负载率：0.5）

图20示出了不同制氢方法下的FT合成燃料成本与DMC和OME的比较。OME是与轻油等效的燃料，为了可以在同一曲线图中显示，热值按照汽油换算。由该图可知，OME单位重量的燃烧热量高，因此制造后的国际运输和日本国内配送成本低于DMC；而FT合成与制造过程中具有高原材料回收率的DMC相比，进一步将废气和轻质组分也用于发电，因而导致单位燃料的制造和原料成本居高不下。因此，期望通过提高FT合成的效率来降低制氢和原料CO₂的成本。

图20 不同制氢方法下的FT合成燃料成本与DMC和OME的比较

2.4 用于改善CO₂排放量和经济性的研究

在本次评估的前提条件下，与上一年度使用的含氧燃料（DMC，OME）相比，投入的能源转换为产品的比例较低，因此如果使用相同的制氢技术，则在CO₂排放量和经济性两方面均存在亟待解决的课题。

有两种方法可以减少CO₂排放量。第一种是使用来自生物质或直接从空气中回收的CO₂等碳中性CO₂作为原料CO₂。在该方法中，供应链中的大部分CO₂排放量来自原材料CO₂，因此通过利用合成燃料可显著减少CO₂排放量。第二种是增加产品量。在该系统中，大部分废气都用于发电，因此可以通过提高回收率并增加产品量来减少CO₂排放量。此外，还可考虑另一种对策，即不对轻质组分进行回收，而是增加其和原油在炼油厂中作为精炼原料及产品的比例，从而有效提高FT合成的转化效率。在经济性方面，随着产品量的增加，CO₂排放量同样可以得到改善。根据该报告书的分析，制氢成本约占合成燃料成本的70％。另外，原料氢成本为26日元/ Nm³，作为来自可再生能源的制氢成本并不是很高。

如此，可以通过增加系统制造的产品量来解决CO₂排放量和经济性的课题。例如，如文献¹⁴报告所述，通过将产品之外的废气投入重整器中以制造合成气，从外部输入的热量与产物的热量的比率大约为60％。尽管仍有必要降低制氢本身的成本，但首先提高FT合成的效率是更为合理的做法。

在本次评估假定的前提条件下，就CO₂排放量和经济性而言，与第一份报告书相比，本次评估对DMC和OME的分析结果更为严谨，但这并不表明烃类合成燃料不适合作为燃料。考虑到可通过改善FT合成工艺改善CO₂排放量和经济性，以及烃类燃料与现有基础设施和利用设备的相容性等使用便利程度上的优势，今后应该对烃类合成燃料进行重新分析和评估。

注：

14：DOE NETL, Analysis of Natural Gas-to Liquid Transportation Fuels via Fischer-Tropsch, DOE/NETL-2013/1597, 2013

3. 总结

本报告书作为对使用来自可再生能源的氢气和CO₂制取合成燃料并构建供应链进行评估的第二份报告书，对通过FT合成得到的烃类燃料的经济性和CO₂排放量进行评估，并对相关技术课题进行考察。此外，本调查由本研究所独立自主进行。

首先，计算从制氢到日本国内加油站的供应链的物质和能量平衡，并在此基础上确定供应链的设备规格。如果使用与第一份报告书相同的制氢量，则每年可制造相当于240,000kL汽油的合成燃料。

通过分析供应链的能量平衡可知，投入能源的22％转化为产品。另外，如果原料CO₂的CO₂负载率是0.5，则在本次评估采用的前提条件下，仅通过由来自生物质的氢气制得的FT合成燃料就可获得CO₂排减效果。另外，如果使用直接从空气中回收或来自生物质的CO₂等碳中性CO₂，则原料CO₂的负担率将变为零（或接近零），从而所有制氢方法都将具有CO₂排减效果。此外，通过提高FT合成的效率，也可以减少单位热量的CO₂排放量。

在所探讨的供应链中，氢气对合成燃料的生产和供应成本影响较大，根据制氢方法的不同，成本是汽油价格的1.7~2.3倍。电解制氢时的合成燃料成本相当于汽油357日元/L。在这种情况下，原料氢成本为26日元/Nm³，作为制氢成本并不是很高。因此，尽管有必要降低各原料的成本，但是如果FT合成的效率提高，则有望得到显著的成本改善效果。另外，敏感性分析还表明，如果FT合成的效率提高，则FT合成燃料的成本将趋近于汽油价格。

在本次评估假定的前提条件下，就CO₂排放量和经济性而言，与第一份报告书相比，本次评估对DMC和OME的分析结果更为严谨，但这并不表明烃类合成燃料不适合作为燃料。考虑到可通过改善FT合成工艺改善CO₂排放量和经济性，以及烃类燃料与现有基础设施和利用设备的相容性等使用便利程度上的优势，今后应该对烃类合成燃料进行重新分析和评估。

链接：

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（一）

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（二）

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（三）