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行业动态

中国制氢及氢工业现状和发展前景
发表时间:2019-03-22   阅读:57

全球正经历从化石能源向氢能等非化石能源过渡的第三次能源体系重大转换期。2017年我国能源生产量为25亿t油当量,消费量达31亿t油当量,整个能源需要进口20%,尤其是石油进口量为4亿t,其对外依存度达到70%,对能源安全造成不利影响。为给我国实现能源体系转型和能源自主战?#38405;?#26631;提供参考,综述了国内外氢工业的发展现状和发展趋势,探讨了人工制氢、储氢?#38469;?#30340;发展途径,明确了氢工业的战略地位。

 

氢在自然界中分布广?#28023;?#24182;且在自然状态下仅存在着极少量的游离态氢。工业氢气是指通过一定的手段,从工业原料中大规模制取的可燃气态氢产物。这种通过能量输入从含氢原料中提取工业氢气的过程,被称为人工制氢,包括化石燃料制氢、水分解制氢、生物?#38469;?#21046;氢和太阳能制氢等。氢能作为氢的化学能表现为物理与化学变化过程中释放出能量,是具有二次能源属?#32536;?#19968;种重要的能源类型。这种大规模人工制氢并利?#20204;?#33021;的产业被称为氢工业,包括上游制氢、中游储运和下游应用。

 

氢工业体系中各个产业部门之间基于一定的?#38469;?#32463;济关联?#27425;?#27682;工业产业链,包括氢工业价值链、氢工业企业链、氢工业供需链和氢工业空间链。为了更好地阅读和理解本文的内容,笔者建议首先界定和明确上述5个基本概念(工业氢气、人工制氢、氢能、氢工业、氢工业产业链),并由此建立氢工业概念体系。

 

储氢是实现氢能?#34892;?#21033;用的关键?#38469;?#20043;一,包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、有机化合物储氢、微球储氢和碳纳米材料储氢等。基于大规模低成本制氢和高密度储氢,以燃?#31995;?#27744;为关联的氢工业应?#23186;?#25512;动能源转型和新能源汽车、分?#38469;?#20379;能等新兴产业的发展,从而改变能源结构,进而实现从能源供给端到消?#35759;?#30340;全产业链转变。

 

1      氢能的发展前景与战略地位

 

氢能是被公?#31995;?#28165;洁能源,被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。氢能在解决能源危机、全球变暖及环境污染等问题方面将发挥重要的作用,也将成为我国优化能源消费结构、保障国家能源供应安全的战略选择。据预测,炼油业、新能源汽车以及清洁能源发电等将是氢能利用的最大终端市场,其中工业氢气在全球炼油业中的用量将占到全球工业氢气消耗总量的90%。随着燃料环保要求的日趋严格,炼油厂加氢精制将需要更多的工业氢气来生产低硫清洁燃料,这将极大地?#30899;?#24037;业氢气需求量的快速增长。

 

2.1 新能源是未来能源消费的主体

 

氢能和电能?#38469;?#37325;要的二次能源,也是未来主要的绿色清洁能源,氢能具有远距离输送、大规模存储和氢电互换的特性。氢能和电能在工业、农业、电子、钢铁、民用等各个领域用途广?#28023;?#37117;具有不同时段峰谷用量的特点,氢电互换是解决能源峰谷波动的?#34892;?#25163;段之一。通过氢能发电和电解水制氢是实现?#34892;?#21033;?#20204;?/span>电互换优势、发挥能源智慧互联互补、提高能源利用效率的关键。工业氢气在使用中若出现短期过剩,可以通过发电转换成电能,以?#33322;?#30005;力不足;而电解水制氢可消纳暂时富裕的电力,弥补风电、光电波动起伏的不足,降低弃风、弃光?#30465;?/span>

 

2.2 氢能将引领未来新能源消费变革

 

氢燃?#31995;?#27744;汽车产业将拉开氢能商业化利用的序幕。目前,氢能已小规模应用于大型物流车、城市交通车、家用小汽车,甚至火车、自行车、航模、无人机等。氢能将在交通领域引领新能源汽?#24403;?#38761;。据报道,日本、韩国已量产高压储氢?#38469;?#27682;能乘用车,更有日本大型连锁便利店与丰田汽车公司合作,计划于2019年推出氢燃?#31995;?#27744;(FC)货车,建立零排放物流体系。在?#20998;蓿?#24503;国已于20173月成功测试了世界?#31995;?#19968;辆零排放氢动力火车——“氢铁,并与法国阿尔斯通公司合作,于2021年建造氢动力驱动列车。201712月,法国圣洛市第一批氢能源电动自行车正式?#24230;?#20351;用。

 

2018年国务院总理参观日本丰田氢燃?#31995;?#27744;汽车后,国家能源投资集团有限责任公司(以下简称国家能源集团)牵头成立了中国氢能源及燃?#31995;?#27744;产业创新联盟,国家能源集团、中国广核集团有限公司等能源企业将与浙江吉利控股集团、中国第一汽?#23548;?#22242;有限公司、长城汽车股份有限公司等车企一同布局氢燃料汽车。

 

世界能源发展正处在油气向新能源的第三次转换期,能源类型由高碳向低碳、非碳发展。据预测,到2050年,天然气在能源消费结构中的占比将首次超过石油和煤炭,世界能源将迈入天然气、石油、煤炭和新能源四分天下的新时代。氢能约占全球能源消耗总量的20%,预计每年可减排二氧化碳60亿t。氢工业产业链年产?#21040;?#36798;2.5万亿美元,世界将进入清洁能源时代。

 

2.3 氢能的多元化应?#23186;?#25512;动新能源的快速发展

 

2.3.1 电解水制氢将贯穿于氢能发展的全过程

 

随着全球氢工业的发展,人工制氢的需求量呈现出爆发式增长,制氢?#38469;?#26085;新月异。煤气化制氢虽然同样会产生大量CO2,但由于其原料丰富、价格低廉,故仍将是规模化、低成本人工制氢的最佳途径;高炉烟道气、化工尾气等通过变压吸附(PSA)?#38469;?#21487;实现低成本回收氢气;太阳能制氢?#38469;酰?#20809;催化、光热解)是未来理想的制氢?#38469;酰?#20294;受制于转换效率和成本等问题,预计2030年前难以实现规模化。

 

在所有的人工制氢途径中,电解水制氢可以?#34892;?#22320;消纳风电、光伏发电等不稳定电力,以及其他?#25381;?#27874;谷电力,因而将贯穿于氢能发展的全过程,是建设氢能社会工业氢气的主要来源之一(图10)。随着电解水制氢?#38469;?#30340;不断发展和成本的逐渐降低,电解水制氢将能逐渐满足商业化的要求,实?#22336;植际?#21046;氢。未来,既可以集中制氢、区域供氢,也可?#32536;?#20010;加油站建设小型电解水制氢装置,实现氢能源智慧互联。

2.3.2 液态氢是未来主要的储氢形式

 

目前工业氢气主要采用高压气态的方式储存,由于成本的限制,液态储存的方式使?#23186;?#23569;,主要用于航空航天领域。但随着?#38469;?#30340;不断成熟,预计2050年液态储氢将成为工业氢气的主要储存形式,不同储氢方式占比的变化预测结果如表1所示。

 

2.3.3 多能互补与多能协同

 

以氢能为纽带,通过风能、太阳能、潮汐能等分?#38469;?#26032;能源发电制氢,可以降低制氢成本,实现氢能和新能源的多能互补、多能协同发展。氢能既可作为二次能源,又可作为储能?#38469;酰?#36830;接多种新能源。氢能与新能源协同发展,一方面摆脱了?#35272;?#20256;统化石资源制氢,形成更清洁、更环保的制氢新途径;另一方面又整合了各种新能源类型,提升了能源系统的利用?#30465;?#38543;着氢工业?#38469;?#30340;不断进步和氢能经济的不断发展,因地制宜、协同利用新能源与传统能源,通过多种能源相互补充和能源智能微网等,将实现多能智慧协同供应,充?#22336;?#25381;新能源、天然气、石油、煤炭等能源的组合优势,氢能社会建设蓝图将更加清晰。

 

3 中国的氢工业与氢能发展战略

 

3.1 全球氢能发展的路线图

 

1)作为氢能发展先行者和领?#38469;?#30028;氢燃?#31995;?#27744;发展的主要国家,美国从1970年开始布局氢能?#38469;?#30740;发。200211月,美国能源部发布《国家氢能发展路线图》,明确了氢能的发展目标,分析了氢能?#38469;?#30340;现状、面临的挑战及发展影响因素,制定了详细的发展路线,标志着美国氢能社会由设想阶段转入行动阶段。2014年,美国颁布《全面能源战略》,开启了新的氢能计划,重新确定了氢能在交通转型中的引领作用,并于2017年宣?#25216;?#32493;支持30个氢能项目建设,推动氢工业的快速发展。预计美国2030—2040年将全面实现氢能源经济。

 

2日本长期受困于国内资源短?#20445;?/span>20144月制定了《第四次能源基本计划》,确定了加速建设和发展氢能社会的战略方向。日?#26223;?/span>2015年定为氢能元年2020年定为氢能?#30053;?#20803;年2025年定为氢能走出去元年2030年定为氢燃料发电元年,并提出了3条低成本、清洁化?#20204;餳际?#36335;线推动建立海外氢能供应系统;利用海外廉价?#32622;?#23454;现低成本制氢;利用海外新能源电解水制氢。2030年日本的工业氢气年供应量将达30t,并将在2040年建成全国性氢能供给网络。

 

3德国于2016年重新修订了氢能源交通战略规划,明确了3项举措加大投资,推出第二个氢能和燃?#31995;?#27744;?#38469;?#22269;家创新计划,保证研发连续性,维护氢能和燃?#31995;?#27744;汽车在市场?#31995;?#31454;争力;促进合作,成立了德国氢能交通公司,负责分阶段建设氢能交通基础设施网络,预计到2019年,境内建设的加氢站将达100座,超过美国,仅次于日本,到2023年将建成加氢站400鼓励创新,出台了一系列优惠措施,重点支持物流专用车、离网基础设施自主供电?#38469;酰?#20197;激活市场。

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