氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所氫能源的應用及其發展一、什么是氫能源1. 氫能源介紹當今世界開發新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然氣、煤，石油氣均屬不可再生資源，地球上存量有限，而人類生存又時刻離不開能源，所以必須尋找新的能源。隨著化石燃料耗量的日益增加，其儲量日益減少，終有一天這些資源、能源將要枯竭，這就迫切需要尋找一種不依賴化石燃料的儲量豐富的新的含能體能源。氫正是這樣一種在常規能源危機的出現和開發新的二次能源的同時，人們期待的新的二次能源。氫位于元素周期表之首，原子序數為1，常溫常壓下為氣態，超低溫高壓下為液態。它是通過一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油、天然氣可以直接開采，今下幾乎完全依靠化石燃料制取得到，如果能回收利用工程廢氫，每年大約可以回收到大約1億立方米。2. 氫能源的特點作為一種理想的新的合能體能源，它具有以下特點：能量高。除核燃料外，氫的發熱值是目前所有燃料中最高的，是汽油的3倍。氫的高能，使氫成為推進航天器的重要燃料之一；氫本身無毒，燃燒產物是水，無污染，且能循環使用；氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍，而且燃點高，燃燒速度快；利用形式多，可以氣態、液態或固態金屬氫化物出現，能適應貯運及各種應用環境的不同要求。耗損少：可以取消遠距離高壓輸電，代以遠近距離管道輸氫，安全性相對提高，能源無效損耗減小；利用率高：氫取消了內燃機噪聲源和能源污染隱患，利用率高；運輸方便：氫可以減輕燃料自重，可以增加運載工具有效載荷，這樣可以降低運輸成本從全程效益考慮社會總效益優于其他能源。因此，可以說氫能是最理想的、完美的能源。氫能作為一種高效、清潔、可持續的“無碳”能源已得到世界各國的普遍關注。發展氫經濟是人類擺脫對化石能源的依賴、保1/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所障能源安全的永久性戰略選擇。二、 氫能源的利用2001年，在一個由聯合國發展計劃署發起的論壇上，皇家荷蘭殼牌公司的主席菲爾·瓦特說：“石油和天然氣是最重要的礦物燃料，它們曾經把整個世界推進了工業時代，但21世紀它們將為以氫經濟為基礎的能源新制度革命讓出發展空間。”縱觀全球，自進入21世紀以來，氫能的開發利用步伐逐漸加快，尤其是在一些發達國家，都將氫能列為國家能源體系中的重要組成部分，人們對其寄予了極大的希望和熱忱。氫具有清潔無污染、儲運方便、利用率高、可通過燃料電池把化學能直接轉換為電能的特點，同時，氫的來源廣泛，制取途徑多樣。首先，氫能是一種理想的清潔能源。不管是直接燃燒還是在燃料電池中的電化學轉化，其產物只有水，且效率高。隨著燃料電池技術的不斷完善，以燃料電池為核心的新興產業將使氫能的清潔利用得到最大發揮，主要表現在氫燃料電池汽車、分布式發電、氫燃料電池叉車和應急電源產業化初現端倪。其次，氫能是一種良好的能源載體，具有清潔高效、便于存儲和輸運的特點。可再生能源，特別是風能和太陽能在近十年來發展迅猛，但由于本身的不穩定，導致其電力上網難，出現大量的棄風、棄光現象，嚴重制約了它們的發展。將多余電量用于電解制氫，可大規模消納風能、太陽能，制得的氫既可作為清潔能源直接利用，還能摻入到天然氣中經天然氣管網輸運并利用。最后，氫氣還是化石能源清潔利用的重要原料。以下會詳細介紹。2/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所1. 以燃料電池為核心的氫能應用氫能是一種理想的清潔能源，其在燃料電池領域的應用是發展氫能清潔利用的關鍵。燃料電池是將氫氣的化學能直接轉化為電能的裝置，具有轉換效率高、零排放等特點，是最佳的氫能利用技術。近年來，燃料電池技術的不斷完善帶動了以燃料電池為核心的新興產業的快速發展，其中，氫燃料電池汽車、分布式發電、氫燃料電池叉車以及應急電源的應用已接近產業化。1.1氫燃料電池汽車傳統車用燃料面臨緊缺，且產生的汽車尾氣是導致全球變暖和環境污染的主要因素之一，這使得汽車工業找到新的技術以替代傳統的燃油技術并降低污染物排放變得尤為緊迫。氫燃料電池汽車（FCEV）可實現真正的零排放、零污染，是傳統燃油汽車理想的替代品，也是氫能清潔利用的主要方式。1.2分布式發電分布式發電一般是指靠近最終用戶或者就在最終用戶處（工廠、商業企業、公共建筑、街區、私人住戶）的集成或者單機的小型發電裝置。目前，以燃料電池為主的分布式發電已在歐美日韓等發達國家和地區開始初步商業化。其中，日本的家用燃料電池發展領先于世界，基本可完全實現商業化。質子交換膜燃料電池（PEMFC）和磷酸型燃料電池（PAFC）是現有家用CHP最常用的燃料電池類型。1.3氫燃料電池叉車叉車是物流行業中必不可少的搬運工，是工業車輛中的重要設備，但同汽車一樣，大多數叉車依然使用化石燃料提供動力，產生的尾氣對環境造成了很大的破壞。保守估計，我國內燃叉車保有量約35萬臺，叉車參與的所有環節產生的碳排放量，總量估計高達上千萬噸，因此，將零排放的燃料電池用于叉車行業的環境效益顯著，而且，有相關報道表明燃料電池叉車的效率可在內燃叉車的基礎上提高30%～50%。1.4應急電源信息技術部門、銀行、醫院等重要企業或機構與人們的日常生活息息相關，關乎每個人的切身利益，為了在發生電力供應不足或中斷的情況下能夠保證這些部門繼續正常工作，要求必須備有強大的應急電源系統。氫燃料電池，以其具有的能源效率高、環境友好、占地面積小、質量輕、運行穩定可靠、壽命長（鉛酸蓄電池的2～10倍）等特點3/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所開始受到應急電源市場越來越多的青睞。2. 以氫為載體的可再生能源應用氫能是一種良好的能源載體，通過電解制氫的方式將風電、光伏電轉化為氫氣可提高風能、太陽能的使用量和利用效率，制得的氫氣可直接利用，還可摻入現有天然氣管網實現大規模輸運和利用。2.1可再生能源消納氫儲能技術巧妙地結合了可再生能源和氫能的共同發展，與當前人們追求可再生能源及清潔能源的利用趨勢一致。目前，其高昂的投資成本及關鍵裝置燃料電池、氫氣儲運設備之間的配置與優化等問題是限制其發展的主要因素，當各環節進一步發展，制氫成本最終得到控制時，其發展潛力巨大，有望取代傳統制氫，成為既經濟又環保的制氫方式。此外，制得的氫氣可直接摻入到現有的天然氣管網進行輸運，這很大程度上減少了氫能的輸運成本，有助于推動氫能的大規模使用。2.2可再生能源制得氫氣摻入天然氣的利用將可再生能源制得的氫氣摻入到天然氣，組成摻氫天然氣（HCNG），再通過現有天然氣管網輸送的方式被認為是目前大規模輸氫的最佳選擇。研究發現，將氫氣的摻入體積分數控制在17%以下時，基本不會對天然氣管網造成影響。HCNG用途廣泛，可用作交通燃料、清潔燃氣和工業爐燃料，其中，交通燃料的使用是當前的研究重點。3. 氫在化石能源清潔利用中的應用氫氣是化石能源清潔利用的重要原料。油品質量升級和煤制清潔能源是化石能源清潔利用的主要途徑，而加氫則是這些過程中的重要環節。3.1油品質量升級氫氣是煉油企業提高輕油收率、改善產品質量必不可少的原料。煉油過程中的耗氫主要集中在催化重整和加氫精制工藝。整個過程的氫耗一般介于原油質量的0.8%～1.4%。而隨著煉廠各種臨氫工藝的快速發展，加氫裝置數量的不斷增多，氫氣的需量將進一步加大。目前氫氣成本已是煉廠原料成本中僅次于原油成本的第二位成本要素。面對如此巨大的氫氣需求量，選擇經濟的制氫方式至關重要，目前，全球范圍內煉油企業中的90%制氫裝置都采用烴類蒸汽轉化法，但考慮到化石能源的減少以及可再生能源制氫成本的下降，由可再生能源制得的氫氣有望作為主要的氫氣來源，這不但具4/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所有潛在的成本優勢，而且環境效益明顯。3.2煤制清潔能源煤制天然氣、煤制油是煤炭清潔利用的重要途徑。其中，煤制氣的加氫氣化過程以及煤制油直接液化過程中需要通入大量的氫氣。由國務院辦公廳下發的《能源發展戰略行動計劃（2014—2020）》中明確指出，要穩妥實施和推進煤制氣、煤制油示范工程和技術研發。隨著示范項目的陸續成功投產，煤制氣、煤制油項目的投入力度將進一步加大，屆時氫氣的需求量也將大大增加，對推動氫氣的規模化利用作用明顯。類似于油品質量升級過程中的氫氣來源，當煤制清潔能源產業進一步發展，使用由可再生能源制得的氫氣依然是較好的選擇。三、國外氫能發展在2000年前后，燃料電池汽車的應用開始被發達國家所關注。一些國家通過建立能源法案、能源戰略、技術路線圖等途徑，積極發展氫能源在內的清潔能源，嘗試以此減少對傳統一次能源的依賴。目前，大力發展燃料電池汽車加氫站的國家主要由美國、德國、日本，并制定了長期的發展規劃，其中日本成為世界上加氫站最多的國家。據統計，全球目前建成的加氫站已經超過了300座。下圖是截止至2017年底，全球燃料電池的應用情況。接下來將簡述一下德國、美國、日本的氫能利用發展現狀。670MW6000輛328座2017年全球截至2017年截止2017年燃料電池的12月，全球年底，全球裝機量燃料電池乘共有328座670MW用車銷售累加氫站計接近6000輛1. 德國氫能利用現狀德國在氫能方面的推廣應用走在歐洲前列，在燃料電池車、通信基站、家庭熱電聯電站、加氫站等方面都有很好的應用。德國在2015年成立了H2Mobility企業，主要是為燃料電池車在全國打造氫基礎設施，將為燃料電池車在德國的發展提供良好環境。5/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所?通過NIP計劃，共募集14億歐元的專項資金用于2007~2016年的氫能項目開發。募集資金中的7億歐元由德國政府出資，剩余資金則按項目合作制度由產業提供。H2Mobility聯盟?由AirLiquide、Daimler、Linde、OMV、Shell和Total六家氫能產業的龍頭企業結成了H2Mobility聯盟，以社會產業資本的身份通過NOW一同支持德國氫能產業發展。截止至2017年末的具體情況?加氫站：24座新公共加氫站投入運營。德國成為全球公共加氫基礎設施第二大基地，共擁有45座公共加氫站；?燃料電池列車：全球首輛由法國阿爾斯通公司研發的氫燃料電池在德國投運，搭載兩臺198kW燃料電池系統，并配備了兩組111kW的鋰電池，行駛里程600-800公里；?通信基站：在國家創新計劃的支持下，德國安裝了超過300座基站燃料電池電源；?燃料電池車：德國目前有約500輛燃料電池車，在歐盟JIVER項目支持下，近兩年還將引進40輛燃料電池巴士。由于德國加氫站建設力度大，許多燃料電池乘用車企業也把德國視作關鍵市場。2. 美國氫能利用現狀氫氣生產和儲運?美國有AirProducts、Praxair等世界先進的氣體公司，并且有技術領先的小規模電解水制氫公司，同時還掌握著液氫儲氣罐、儲氫箱等核心技術。液氫方面，美國在液氫生產規模、液氫產量、價格方面都具有絕對優勢。美國燃料電池乘用車和叉車保有量領先全球?豐田Mirai在美國銷售了超過2900輛FCEV。美國擁有世界最大的燃料電池叉車企業PlugPower，目前已有超過2萬輛燃料電池叉車，進行了超過600萬次加氫操作。加氫站建設?目前北美分布的68座加氫站僅一座位于加拿大，其余全部分布在美國，加州地區集中度最高。美國燃料電池汽車液氫使用量非常的高，全年液氫市場需求量的14%都被用于燃料電池車。6/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所3. 日本氫能利用現狀日本是資源短缺型國家，因此非常積極的探索石油以外的其他能源，日本政府對氫能和燃料電池的推廣力度在世界范圍內都是最大的。目前，日本在家庭用燃料電池熱電聯供固定電站和燃料電池汽車商業化運作方面都是最成功的。項目名稱ENE-FARM項目燃料電池汽車主要參與企業TOSHIBA,PanasonicTOYOTA,HONDA2000年，日本政府通過NEDO開日本政府對加氫站建設予以補貼，并始在政府的支持下開展燃料電池對購買燃料電池的買家予以補貼。并政府扶持政策實用化研究。2018財年將為且在政府層面與歐盟方面展開合作，Enefarm和小型商業化系統提供致力于相關規范、法規的建立。89億日元的補貼。日本豐田目前是世界上燃料電池乘截止2017年已銷售超過20萬套用車商業化最成功的的公司，2020發展現狀產品，每套系統售價120萬日元，年Mirai年產量將達到30000臺左補貼30萬日元。右。四、國內氫能發展及遇到的問題1. 國內氫能現有政策近年來，我國對發展氫能產業高度重視，出臺了系列有利于氫能和發展的相關產業政策。2016年4月，國家發展改革委、國家能源局等聯合發布的《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》，提出了能源技術革命重點創新行動路線圖，部署了15項具體任務，“氫能與燃料電池技術創新”位列其中，標志著氫能產業已被納入國家能源戰略。2016年6月，國家發展改革委、能源局、工信部聯合發布《中國制造2025-能源裝備實施方案》將燃料電池和氫能開發利用作為專門章節被《國家創新驅動發展戰略綱要(2016)》列為引領產業變革的顛覆性技術;2017年，國家能源局批準多項棄風棄光制氫儲能項目;2018年1月，國家科技部已將“可再生能源與氫能技術”列入重點專項，積極加以支持研究。7/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所2. 國內氫能的發展2016年10月，中國標準化研究院資源與環境分院和中國電器工業協會發布的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》首次提出了我國氫能產業的發展路線圖。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃：時間總體目標發展重點2020年加氫站數量達到100座；燃料電池車輛達到關鍵技術、關鍵零部件：萬輛；燃料電池堆、基礎材料、控2025年燃料電池車輛達到10萬級規模；制技術、儲氫技術；2030年加氫站數量達到1000座，燃料電池車輛保有基礎設施建設：量達到200萬輛。氫氣、氫氣運輸、加氫站等。3. 國內氫能源各環節的發展在國家政策的大力支持下，我國已經發展了一批擁有核心技術的燃料電池和燃料電池汽車生產企業，并且企業開始布局制氫、儲運、燃料電池零部件和加氫站等產業鏈各個環節。- 制氫我國擁有非常龐大的副產氫氣資源，在制氫總產量規模、產量、氫氣提純、液態儲氫方面處于世界領先地位。液氫方面，我國目前還處在航空航空用的階段，目前國內已有多家企業布局這一領域。企業性質 企業名稱已有生產企業 101所、文昌、西昌液氫工廠新進企業 福瑞特裝、中科富海、上海浦江氣體在華外企 液空、林德等儲運車用儲氫瓶是氫燃料電池儲氫系統的核心，成本占儲氫系統成本的1/3左右。目前車載儲氫罐技術主要掌握在日本和美國企業手中，目前我國在70Mpa車用高壓纏繞氫氣瓶方面也取得了突破。8/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所- 燃料電池在中東部沿海經濟、技術實力較強的珠三角、長三角和北京等地區，聚集了我國燃料電池發展的主要企業。并且近兩年燃料電池投資熱度升溫，據清華大學核能與新能源技術研究院教授、國際氫能協會副主席、中國首個國家973氫能項目首席科學家毛宗強統計，僅2017年氫燃料電池投資項目就達1000多億。- 燃料電池汽車和叉車與國外豐田、現代等燃料電池生產企業發展路線不同，中國氫燃料電池汽車企業主要分布在商用車領域，氫燃料電池商用車已實現量產。氫燃料電池乘用車還處于示范運行階段，其中上汽集團對燃料電池乘用車投入力度最大，已累計實現81輛示范運行。燃料電池叉車方面，我國已有東莞氫宇等企業布局，隨著氫能市場不斷成熟，我國叉車市場會是燃料電池另一個巨大的應用場景。- 加氫站目前我國已形成了一批從加氫站設計到運營的企業，從下表中可以看出這些企業也是主要集中在北上廣地區。目前我國制氫、儲氫、加氫等環節的關鍵核心元器件，還不能“國產化”，完全依靠進口，沒有議價權，成本難降。2019年6月5日，上海化工區、上汽集團燃料電池車全場景應用暨加氫站落成儀式在上海化工區舉行。上海化工區加氫站占地約8000平方米，氫氣日供應能力約2噸，具備35MPa和70MPa氫氣商業化加注能力，具有氫氣加注、魚雷車充裝、燃料電池汽車維護保養和充電功能。至此，目前全球最大加氫站落戶上海。建成運行加氫能累計氫氣項目力Kg/加注時間狀態來源天量(kg)四川能投加氫站2018運營中400/外部供氫江蘇如皋加氫站2018建設中2000/外部供氫中山大洋電機加氫站2017運營中500/外部供氫上海神力加氫站2017運營中>400/外部供氫上海電驅動加氫站2017運營中//外部供氫9/11氫能源的應用及其發展 上海聯合礦權交易所氫楓能源（十堰）東風特汽加氫站2017運營中500/外部供氫南通百應加氫站2017運營中2000/外部供氫常熟豐田加氫站2017運營中//外部供氫佛山加氫站2017運營中350/外部供氫云浮加氫站2016運營中/外部供氫大連新源加氫站2016運營中≥210/外部供氫鄭州宇通加氫站2015運營中≥210/外部供氫深圳大運加氫站2011運營中300約400外部供氫上海安亭加氫站2007運營中80010216外部供氫北京永豐加氫站2006運營中300約外部供氫191004. 國內氫能源發展存在的問題為實現氫燃料電池車在世界范圍內的領先，我們仍需解決全產業鏈的幾個難題：- 制氫以化石原料制氫的技術如煤制氫、天然氣制氫等已經非常成熟，但仍然面臨碳排放問題。不額外產生碳排放的工業副產氫——丙烷脫氫、乙烷裂解和氯堿化工等值得重視。可再生能源發電的成本有持續降低的潛力，未來基于可再生能源大規模電解水制氫，將成為氫能產業的主要氫源。- 運輸我國氫氣運輸體系也尚不完善。氫氣輸送方式主要有氣氫輸送、液氫輸送等。目前，世界氫能產業比較發達的地區，如歐洲、北美和日本等都在發展氫能產業的同時，重點推進氫液化和液氫儲運加氫等基礎設施建設。但液化1kg的氫氣需要耗電4-10千瓦時，液氫的存儲也需要耐超低溫和保持超低溫的特殊容器，成本較高。氣氫輸送分為管道輸送、長管拖車和氫氣鋼瓶輸送。管道輸送一般用于輸送量大的場合，美國、加拿大及歐洲多個工業地區都有氫氣管道，目前