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氫能發展新紀元 能源企業齊發力

發布時間:2018-11-28點擊次數:

近日,中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟舉辦了“2018年中國氫能源及燃料電池產業高峰論壇”。會上,行業專家和業界代表共同探討了當前國內外氫能產業化進程以及存在的問題,并一致認為2018年是我國氫能源產業發展的元年,到2050年,氫能在我國終端能源體系占比將達10%,與電力協同互補,共同成為我國終端能源體系的消費主體。

盡管目前氫能產業仍有尚待完善的產業生態及面臨的挑戰,但近來包括央企在內的全國各地能源企業紛紛布局氫能產業,各地運行示范點加速落地、氫能相關產業聯盟陸續成立,在不斷解決優化氫能產業各類問題的同時,全力推動氫能產業整體向前發展。

一、氫能的特點和應用

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。這些獨特的優勢使其在能源和化工領域具有廣泛應用。首先,氫能是一種理想的清潔能源。無論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,效率高排放清潔。其次,氫能是一種良好的能源載體。可利用新能源多余電量用于電解制氫,作為大規模消納剩余風能、太陽能的優良載體。通過燃料電池,又可將氫高效地轉變為電能加以利用。最后,氫氣是化石能源清潔利用的重要原料。化石能源清潔利用技術對氫氣的需求量巨大,其中包括煉油化工過程中的催化重整、加氫精制以及煤清潔利用過程中的煤制氣加氫氣化、煤制油直接液化等工藝過程,推進氫能在這些方面的應用有望加速氫能的規模化利用。

目前氫主要利用在燃料電池上,氫燃料電池是使用氫制造能量的電池,其發電的基本原理是電解水的逆反應,其產物是電和水。氫燃料電池不僅能量轉換效率高,只產生水和熱,對環境無污染。相比于汽油內燃機30%左右的能量轉換率,氫燃料電池可達65%~80%,這使得氫能在交通領域的應用更加環保、節能、高效。以乘用車為例,到2020年國內有望實現5000輛至10000輛燃料電池車運行,運營和在建加氫站達100座;到2030年,發展100萬輛燃料電池車,在建加氫站達1000座。

而當前伴隨著可再生能源發電規模的迅速擴大,并網、調節、消納等問題日益突出,而氫儲能則成為了可再生能源調節和消納的重要手段,氫作為一種能源載體,可以被方便地制造,且能夠被長期大量地儲存。相比于傳統的分布式發電能源介質,氫燃料電池因其不受卡諾循環限制,具有能量轉換效率高、發電容量調節靈活的優勢,可在風氫耦合發電、光氫耦合發電、儲能電站等新型分布式發電項目中得以更好利用,使得越來越多的氫能綜合利用方式逐步浮現在人們眼前。目前我國已出臺相關氫能利用發展規劃,到2050年,氫燃料電池車和氫能發電將實現大規模應用,氫能成為能源結構的重要組成部分。

二、氫能的來源

氫是元素周期表中的第一個元素,廣泛存在于水、煤、天然氣等化合物中,但地球上幾乎不存在游離態的氫氣。氫可以通過煤氣化、天然氣、石油和化工副產品等傳統化石能源制取,也可以通過風能、太陽能、水能等可再生能源通過電解水方式制備,是實現化石能源清潔化利用和清潔能源規模化發展的利器。據初步統計,國內從各類含氫排放氣或馳放氣、煤制合成氣、天然氣轉化氣、甲醇轉化氣等提純獲得的氫氣約占90%以上,以水電解制氫獲得的氫氣占比1%-2%。今后大型清潔煤制氫、天然氣制氫,水電解制氫將成為煤炭清潔高效利用以及天然氣開發利用的重要方向。

氫雖然因目前還沒有被大規模普及應用而不像電能一樣為人們所熟知,但它卻有著我們已知所有能源無可比擬的特點。氫能可以儲存,多種能源都可以轉化為氫氣,以壓縮氣態儲氫、液化儲氫等方式儲存起來,實現遠距離輸送。利用這一特點,可以大幅提高可再生能源的應用比例。氫能將是我國能源革命重要的探索方向。

三、氫能的安全性和經濟性

“氫能安全嗎?”雖然氫氣燃燒點低,但密度很小,容易揮發擴散。氫氣擴散系數是汽油的12倍,發生泄漏時會迅速逃逸。和汽油相比,氫能的危險性要小很多。如果得到規范處理,就可以安全地使用氫能。當前公眾對氫能安全性的誤解較深。有關政策法規仍把氫能歸于危險化學品,現在來看,這已經不符合實際情況了。

“氫能的利用成本高嗎?”在目前技術條件下,限制氫能利用的成本主要是燃料電池生產、加氫站建設以及制氫成本三個方面。目前國內燃料電池行業每千瓦的成本在1000-2000美金左右,而加氫站建設成本在1000萬人民幣/座左右(日加氫500公斤等級),燃料電池和加氫站的技術水準和制造工藝依然有很大的提升空間,但有行業專家指出,隨著市場的逐步成熟和產業規模的快速擴大,到2030年,中國燃料電池的成本指標有望達到200元美金/千萬,而加氫站建設成本將達到500萬,日加氫能力提高至1000公斤。

在氫氣制備方面,制氫成本主要包括原料成本、固定資產折舊和運行維護費用(未計氫氣儲、運費用)。目前技術條件下,不同工藝及產量規模下制備的氫氣成本不一。各主要制氫生產方法的氫氣成本和適合的規模參考如下:


序號

工藝路線

氫氣成本

產量規模

1

煤炭氣化

6.47-17.49 元/kg

20000-150000 Nm3/h

2

天然氣蒸汽轉化

9.37-23.32元/kg

1000-100000 Nm3/h

3

甲醇重整

17.03-29.45元/kg

1200-4000Nm3/h

4

水電解

8.48-71.55元/kg

100-1000Nm3/h

目前國內每公斤氫氣參考零售價約40元,加注一公斤氫氣可供氫燃料電池汽車跑100公里,同比燃油經濟性較好的汽油車輛跑相同的里程大約耗費7升油,以目前油價計算,花費也在40元至50元,可見在交通領域氫能使用成本與汽油已相當接近。而且參考國內部分地區的出臺的氫能車輛用氫補貼相關政策,目前在佛山市南海區,每加注一公斤氫氣政府給予20元補貼,相當于40元/公斤的氫氣零售價使得社會用氫成本進一步下降,氫能普及率大大提升。

四、氫能發展的主要制約因素

近年來,國家一系列政策規劃都將氫能發展與燃料電池技術創新提升到國家戰略高度。地方政府和企業積極探索氫能產業,初步形成了包括制備、儲運、應用等環節的完整產業鏈,形成了京津冀、長三角、珠三角等主要氫能產業集群,并逐漸輻射到周邊地區。盡管如此,我國氫能產業發展仍面臨困難和挑戰。

首先是核心技術和基礎設施制約瓶頸。關鍵材料尚未實現國產化,催化劑、質子交換膜以及炭紙等材料大都依賴進口,且多數被國外企業壟斷,價格較高,關鍵部件制備工藝急需提升,膜電極、雙極板、空壓機、氫循環泵等與國外存在較大差距,氫源、加氫站等基礎設施建設力度不夠。

其次是產業政策體系尚未形成。國家有關規劃都從戰略層面將氫能產業納入其中,但尚未形成引領氫能和燃料電池發展的政策體系,缺乏具有操作性的實施細則。當前氫能產業發展如火如荼,亟須加強氫能產業頂層設計,引導氫能產業科學發展。

最后是氫能基礎設施相關的基礎研究和頂層設計尚不完善。目前,在氫源供給、儲運、加氫站等基礎設施建設方面,我國與日本及歐美國家的差距仍然明顯,為推進氫能產業健康高效發展,要不斷加強氫源供給體系建設、加氫站建設流程以及運行管理規范、氫安全等頂層設計,結合氫能應用需求,提升加氫站規劃布局、設計選型、建設、驗收及安全運行等工作水平,為氫能產業發展保駕護航。

五、國內外氫能產業的發展情況

美國、歐洲、日本等國家和地區已將發展氫能和燃料電池技術提升到國家戰略層面。美國是首先提出氫經濟的國家,2002年美國能源部發布了《國家氫能路線圖》,并提出2040年要全面實現氫經濟的目標。日本政府在2009年投資15萬億日元,為燃料電池和二氧化碳收集存儲技術的開發提供支持,并在2014年公布《氫能/燃料電池戰略發展路線圖》,計劃從2020年中期至2030年底,建立大規模氫能供應系統;從2040年開始,通過收集和儲存二氧化碳,全面實現零排放的制氫、運氫、儲氫。

我國雖然在2001年科技部發布的“國家“863”計劃重大專項”就將燃料電池汽車研究開發列入其中,但在起步階段投入少,加上工業基礎差,使得我國氫經濟相關技術和國外相比有較大的差距。到了近些年,國家緊密出臺的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》、《中國制造2025》、《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》、《國家創新驅動發展戰略綱要》、《汽車產業中長期發展規劃》等文件,均明確提及要重點研發氫能與燃料電池技術,尤其是《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中,國家已明確指出推動車載儲氫系統以及氫制備、儲運和加注技術發展,推進加氫站建設。到2020年,實現燃料電池汽車批量生產和規模化示范應用,到2025年,制氫、加氫等配套要完善,燃料電池汽車可實現區域小規模運行,表現出中央政府對大力發展氫能的決心。此外,多個省、市也積極布局燃料電池產業,并在物流與公共交通中開展商業運營,逐步形成了巨大的引領效應,進入2018年,氫能及其相關產業鏈如雨后春筍,呈現出欣欣向榮、蓬勃發展的良好勢頭。

六、氫能得到傳統能源企業垂青

盡管氫能發展面臨的問題仍很多,但在應對全球氣候變暖的國際主流大背景下,從傳統能源轉向清潔能源或新動能(氫能)的能源轉型已經是大勢所趨。隨著國家政策釋放出對氫能與燃料電池產業的利好信號,包括央企在內的全國各地能源企業紛紛行動,并強強聯合,全面布局氫能產業。

2018年2月,由國家能源集團牽頭,國家電網、東方電氣、航天科技、中船重工、寶武鋼鐵、中國中車、三峽集團、中國一汽、東風汽車、中國鋼研等多家央企參與的“中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟”在北京正式成立。目前,國家能源集團正在加快布局從制氫到加氫站的氫能利用全產業鏈,并參與氫燃料電池的研制與開發,正計劃在江蘇如皋、陜西咸陽、內蒙古包頭等地投資建設氫能項目。

2018年4月,中國華能集團清潔能源技術研究院與相關企業簽署《戰略合作框架協議》,意向在氫能領域、環保領域、可再生能源利用領域相關關鍵技術等實施全面戰略合作。目前該研究院正著手研究風電制氫關鍵技術研究與風電制氫(加氫)站建設相關課題,實現氫能生產、儲運、加注供應鏈持續的商業化運營,推動氫燃料電池車的產業化進程。

2018年8月,國家電投集團與巨化集團有限公司簽署戰略合作協議,雙方將在氫能源及儲能技術等領域的核心技術開發、關鍵部件制造、檢測與應用等方面展開合作,形成優勢互補、互利共贏、快速發展的良好局面。

七、廣投能源公司揚帆“氫能藍海”正當時

隨著氫燃料電池的迅猛發展,圍繞其以新能源車輛生產、制氫生產、儲運氫能、加氫站布局為主的氫能源市場已然作為新興的能源消費市場迅速壯大。相比國內其他地區,目前廣西區內氫能源的開發和利用以及相關產業鏈發展仍處于起步階段,這也為廣投能源公司規劃布局區內氫能提供了難得的機會。下一步能源公司可結合自身在電能生產、電能供應、新能源產業和天然氣產業優勢以及集團公司在化工領域產業發展的協同優勢,對氫能源市場進行探索與開發布局。

在發展氫能產業方向上,首先明確自身戰略定位,找準布局氫能產業的發力點。從先進能源技術開發商和清潔低碳能源供應商的戰略地位出發,進一步研究梳理氫能源開發利用的總體思路,重點深挖氫能上、中游產業領域發展潛質,充分發揮公司在廣西的區位優勢以及協調優勢,將能源供應延伸至制氫、儲氫及供氫服務,視氫能應用市場發展情況適時布局建設加氫站等氫能源補充設施,逐步夯實氫能基礎設施規模。

其次,設立區內首個城市氫能應用試點,并“以點帶面”撬動廣西氫能應用潛質,打造廣西首家氫能企業品牌,從清潔環保用能的角度,提高民眾對氫能應用意識,迅速打開氫能市場。同時從有利于廣投集團主導區內氫能產業發展的角度,推進廣西氫能產業發展規劃,積極并向政府做好氫能產業發展方面的政策引導,占領廣西氫能開發的制高點。

三是逐步加大創新投入和新舊動能轉換力度,結合自身能源產業優勢,利用區內的棄風、棄光、棄水及低谷電能制氫,并積極探索以氫能為主要載體的新型分布式發電布局思路,以提高能源綜合利用效率為最終目的,在未來的能源互聯網中充分發揮氫能優勢。同時利用區內天然氣管網區位優勢,探索天然氣重整制氫,實現氫源的網絡化布局,推進氫能供應解決方案,建設更大范圍、更大規模的氫能源產業生態系統。





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