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随着我国政策的引导以及大批氢能项目落地实施,氢能技术不断突破,产业体系逐步完善,我国氢能领域的发展已加速进入产业化阶段。经过多年的工业积累,中国已经是世界最大的制氢国,氢能市场潜力巨大。中国每年仅风力、光伏、水电等可再生能源弃电约1000亿 kW·h,可用于电解制氢约200万t,如果能将这些富余的被弃掉的能源用于电解制氢,将会大大减少能源浪费。近年来,我国氢能产业发展速度快、覆盖广,截至2020年1月,我国已建成加氢站61座(图1),规划和在建的加氢站有84座,内蒙古、辽宁、山东、河南、湖北、广东、四川、安徽等地均有分布。
但是,我国氢能产业还存在诸多问题,如关键技术亟待突破,缺乏自主知识产权,基础设施仍有待加强等。对此,本文从氢能产业链制氢环节关键技术切入,分析总结国内外制氢技术现状,并结合我国制氢领域亟待解决的问题,对 3 种主流制氢工艺进行分析,总结现有技术的优缺点,最后对氢能未来技术发展方向进行展望,对我国氢能产业发展提出建议,以期对我国氢能产业的发展提供指导。
2 制氢关键技术
氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电解制氢,其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及化工原料制氢。化石能源制氢包括水煤气制氢、天然气重整制氢等,目前已经进行工业生产,技术相对成熟,但能量的产出大于投入,若用此法制氢发电,能量转换效率低,经济性差,因此传统能源制氢并非理想的制氢技术。化工原料制氢主要有醇类裂解制氢、醇类重整制氢,如甲醇水蒸气重整制氢。水电解制氢法即利用光伏、风电等新能源电力电解水制氢,这种制氢方式近零碳排放,可充分利用“三弃”(弃风、弃光、弃水)能源水解制氢,还可以大大降低制氢成本,是实现“绿氢”生产的重要技术环节, 也是氢能领域投资的重点领域。
表2列出了当前阶段不同制氢技术的对比,可以看出:化石能源制氢技术虽然成熟度较高且经济性较好,但碳排放量较大,违背了氢能作为清洁能源的本质,不适合长期发展;可再生能源电力电解水制氢技术成熟,且环保性好、碳排放少,但是其制氢成本较高,可以考虑采取“三弃”能源制氢, 以大幅降低制氢成本。不同制氢技术所使用的制氢原料及制氢工艺大有不同。
2.1 制氢原料
图2给出了目前全球制氢原料占比和主流制氢方法的经济性对比。由图2a)可以看出,在所有制氢原料中,天然气使用最为广泛,占比达到48%, 其次是醇类(占比为30%),电解水使用较少,占比仅为4%。
目前,全球制氢技术的主流选择是化石能源制氢和化工原料制氢,这主要是由于化石能源制氢和化工原料制氢的成本较低(图2b))。此外,由于清洁性好、效率高、成本低,采用天然气重整制氢具有较大利润空间。采用电解水制氢是当前制氢环节的研究热点,技术也较为成熟,其他新型制氢法尚未应用于大规模制氢。
从制氢原料占比来看,近期我国仍将主要采用化石能源制氢和工业副产氢+碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS)技术(即“蓝氢”),助力化石能源制氢降低碳排放。而随着我国可再生能源装机容量不断增大,在西北地区出现大量弃风弃光现象,如果能够将弃风弃光所发电力用于电解水制氢(“绿氢”,即采用风电、光伏等可再生能源电解水制氢),“绿氢”制取经济性也非常可观。因此,长远来看,随着碳达峰、碳中和工作的推进,“绿氢”将成为氢能应用的主流选择。
2.2 制氢工艺
现有主要制氢方式如图3所示,其中:较为成熟的技术路线有3种,即使用煤炭、天然气等化石能源重整制氢,以醇类裂解制氢技术为代表的化工原料高温分解重整制氢,以及电解水制氢;光解水和生物质气化制氢等技术路线仍处于实验和开发阶段,相关技术难以突破,尚未达到规模化制氢的需求。
表3给出了典型制氢工艺中各类能源的能量转换效率与碳排放量。
由表3可以看出:虽然化石能源制氢工艺成熟且原料价格低廉,但是会排放大量的温室气体,对环境造成污染,因此环境成本极高;而电解水制氢工艺几乎无碳排放,符合绿色发展及可持续发展的环保理念。
2.2.1 化石能源重整制氢
天然气制氢技术中,蒸汽重整制氢较为成熟, 是国外主流制氢方式。其原理是:先对天然气进行预处理,甲烷和水蒸汽在转化炉中反应生成一氧化碳和氢气等;经余热回收后,在变换塔中,一氧化碳和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气。该技术是在天然气蒸汽转化技术的基础上实现的。在变换塔中,在催化剂存在的条件下,控制反应温度, 转化气中的一氧化碳和水反应,生成氢气和二氧化碳。主要反应式为
目前,国内天然气重整制氢、高温裂解制氢主要应用于大型制氢工业。天然气制氢过程的原料气也是燃料气,无需运输,但天然气制氢投资比较高,适合大规模工业化生产。一般制氢规模在5000m3/h以上时选择天然气制氢工艺更经济。此外,天然气原料占制氢成本的70%以上,天然气价格是决定氢价格的重要因素,而我国富煤、缺油、少气的能源特点,制约着天然气制氢在我国的实施。
煤气化制氢是工业大规模制氢的首选,也是我国主流的化石能源制氢方法。该制氢工艺通过气化技术将煤炭转化为合成气(CO、CH4、H2、CO2、N2 等),再经水煤气变换分离处理以提取高纯度的氢气,是制备合成氨、甲醇、液体燃料、天然气等多种产品的原料,广泛应用于石化、钢铁等领域。煤制氢技术路线成熟高效,可大规模稳定制备,是当前成本最低的制氢方式。
2.2.1 甲醇水蒸气重整制氢
甲醇水蒸气重整制氢,即甲醇和水在一定温度、压力和催化剂作用下转化生成氢气、二氧化碳以及少量一氧化碳和甲烷的混合气体,该方法产物中氢气体积分数是甲醇制氢法中最高的。甲醇水蒸气重整制氢具有反应温度低、产物氢气体积分数高、一氧化碳体积分数(<2%)较甲醇分解制氢法低等优点。因此,目前开发的甲醇制氢技术主要采用甲醇水蒸气重整制氢工艺,其反应机理见式(3),工艺流程如图4所示。甲醇水蒸汽重整制氢装置已经广泛用于航空航天、精细化工、制药、小型石化、特种玻璃、特种钢铁等行业。
2.2.3 电解水制氢
化石能源重整制氢、甲醇水蒸气重整制氢过程均有含碳化合物的排出,不符合可持续发展和绿色发展的环保理念,而电解水制氢过程为水电解生成氢气和氧气,无含碳化合物的排出,绿色环保。目前,我国正处于能源转型的关键阶段,将可再生能源(太阳能、风能等)转化为氢气或者含氢燃料的能源载体,有助于推进我国能源转型进程,促进我国能源多元化发展。
可再生能源电解水制氢技术路线如图5所示。
图5中,根据电解质种类,电解槽可分为碱性电解槽、质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解槽、固体氧化电解槽(solid oxide electrolyzecells,SOEC)3种。不同电解水制氢技术参数及特点对比见表4。
由表4可以看出:碱性电解水制氢技术是目前市场化最成熟、制氢成本最低的技术;质子交换膜电解水制氢技术较为成熟,具有宽范围的运行电流密度,可以更好地适应可再生能源的波动性,是国外发展的重要方向,我国应加大质子交换膜电解水制氢技术的研发力度,加强与国外领先单位的合作研发;固体氧化物电解水制氢技术是能耗最低、能量转换效率最高的电解水制氢技术,国外学者在Science上发表的文章指出,固体氧化物电解槽可在动态电力输出下工作,并不会有明显衰减。因此,固体氧化物电解水制氢技术有望实现大规模、低成本的氢气供应,应重点关注并提前进行技术和专利布局。
以PEM电解槽为例,其工作原理如图6所示。
PEM电解槽由膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)及带有流道的隔板(双极板)组成。电解槽中,水经过电解在阳极产生氧气,在阴极产生氢气,因此在产生的气体出口设置了流量计。典型的碱性电解槽考虑温度影响的U-I特性曲线模型及电解槽制氢量相关模型可以用式(4)表示。
通过利用可再生能源发电的弃水、弃光、弃风电力,电解水制氢可平抑风力、光伏等发电输出的波动性,并减少能源浪费,解决弃电问题。另一方面,可以通过远距离输运氢燃料,将可再生能源从资源丰富的地区高效转移到用能负荷中心,利用氢气发电增强电网的协调性和可靠性,有效解决可再生能源供需存在的区域错配问题。上述整个过程清洁环保,几乎不产生二氧化碳。但是,可再生能源电解制氢成本较高,因此,“绿氢”的制取亟需可再生能源电解水制氢技术的进一步攻关,降低制氢成本,助力碳达峰、碳中和任务的推进。
综合对比以上3种制氢技术:煤、天然气制氢技术最为成熟,尤其煤制氢在我国具有较大成本优势,但此法制得的“灰氢”不符合能源向低碳转型的绿色发展需求;电解水制氢技术可以制得“绿氢”,能源效率高,但是成本较高,经济性较差。3种制氢工艺的技术水平及经济性对比见表5。
煤或天然气制得的“灰氢”通过CCUS技术可转化为“蓝氢”,该技术也是我国实现碳中和目标技术组合的重要一环。随着碳达峰、碳中和工作的深入进行,制氢领域面临的挑战将是实现无碳或碳中性(“绿氢”或“蓝氢”)的技术(目前通过电解水制取“绿氢”来替代),并将这些技术以更大规模推广应用,进而降低生产成本,产生经济效益。
3 结语
氢能是一种理想的新型能源,通过风光等新能源电力制氢,并将氢与燃料电池结合发电,以此形成氢能产业生态圈有助于保障我国能源安全,加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系,对我国可持续发展战略具有重大意义。氢储能可以作为储能系统新思路,解决可再生能源消纳能力不足及新能源并网问题。氢结合燃料电池发电是氢能全生命周期应用的关键技术环节,氢气发电可以产出多种有直接经济效益的产品(如纯氧),达到大量减少二氧化碳排放的目的,具有很好的经济效益和环保效益。
氢能应用前景广阔,但有部分难题亟待解决。氢气扩散能力强,易燃易爆,与金属接触容易导致氢脆,不好储存,因此妥善解决氢能的储运问题是氢能安全高效使用的关键。此外,电解水制氢成本较高。基于上述问题,提出以下建议:
1)今后应紧紧围绕氢能的制、储、运、用4个环节,着力建设完善氢能体系,加大氢能源与电网的互动性,促进我国能源转型;
2)明确氢能发展定位,给予氢能产业完善的政策支持;
3)大力发展电解水制氢技术,利用弃风、弃光、弃水资源制取“绿氢”,解决电解水制氢经济性难题及能源浪费问题;
4)大力发展可再生能源(如风电与太阳能)与氢气储能结合,促进氢能在储能领域的发展,加速推进我国碳达峰、碳中和工作。
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5月30日,由广东水电二局所属粤水电能源集团投资建设的粤水电巴楚县5兆瓦分布式光伏制储加氢一体化(试验示范)项目光伏电源侧成功并网。该项目是广东省属援疆企业在喀什地区投资建设的首个光伏制储加氢一体化项目,同时也是喀什地区首个集“光伏发电-制氢-储氢-加氢”于一体的氢能全产业链示范项目,
六月长风起,市场佳讯传,东方电气中标一批重点项目,扬帆起航赴新程。中标大唐南电创新发展示范项目主机设备近日,东方电机、东方汽轮机成功中标大唐南电二期2×745兆瓦燃气轮机创新发展示范项目商业机组设备。本项目的顺利实施将进一步推动我国H/J级燃气轮机自主化进程,提升我国重大装备制造水平,
近日,厚普清洁能源(集团)工程技术有限公司(以下简称“厚普工程”)凭借在氢能产业链系统集成及工程领域的领先技术实力和丰富项目经验,成功中标巴楚县5MW分布式光伏制储加氢一体化(试验示范)项目标段四——制储加氢一体化EPC+O(设计-采购-施工+运营)总承包工程。此次中标是厚普工程在制、储、
北极星氢能网获悉,5月29日,中国天楹股份有限公司水电解制氢设备采购终止公告发布。内容显示,该项目发生重大技术变更,终止招标。据悉,4月25日,中国天楹股份有限公司发布水电解制氢设备采购招标公告,采购80套水电解制氢设备。
北极星氢能网获悉,近日,盐城市人民政府办公室关于印发盐城市国家碳达峰试点建设推进方案的通知。文件指出,推动新能源规模开发利用。强化新能源资源管理,加强陆上风电和海上光伏资源有序开发和合理利用。加快推动海上风电和市场化并网光伏发电项目建设,推进能源供给清洁替代和能源消费电能替代。建
“十五五”是我国经济迈向高质量发展的关键阶段,也是全球能源格局深刻调整的重要时期。在当前和今后一段时间,我国能源电力将持续处于清洁低碳、安全高效转型的大趋势大环境中,如何更加有效地发挥电力在国民经济中的基础和先导作用,促进国家重大发展战略和目标的实现,更好地满足人民群众日益增长的
油气市场研报(2025年5月)来源:中能传媒研究院作者:杨永明(中能传媒能源安全新战略研究院)焦点月评当油气巨头的氢能理想照进现实市场供需全球原油市场总体仍供过于求地缘政治因素深刻影响全球天然气市场格局4月国内原油生产增速回落,天然气生产增速加快前4个月我国原油进口量同比增加0.5%,天然
近年来,在“双碳”目标的驱动下,氢氨醇一体化逐渐成为了我国清洁能源消纳与创新发展的重要路径之一,相关示范项目在国内密集落地。以绿氨为例,据中国氢能联盟研究院统计,截至2024年底,我国在建的绿氨项目产能约190万吨/年,规划产能约1780万吨/年。蓬勃发展的现象背后,欧盟绿色认证体系与碳核算
日前,福州发布关于征求《福州市石化化工行业碳达峰实施方案(送审稿)》《福州市钢铁行业碳达峰实施方案(送审稿)》《福州市建材行业碳达峰实施方案(送审稿)》意见的通知。详情如下:关于征求《福州市石化化工行业碳达峰实施方案(送审稿)》《福州市钢铁行业碳达峰实施方案(送审稿)》《福州市建材行
“十五五”是我国经济迈向高质量发展的关键阶段,也是全球能源格局深刻调整的重要时期。在当前和今后一段时间,我国能源电力将持续处于清洁低碳、安全高效转型的大趋势大环境中,如何更加有效地发挥电力在国民经济中的基础和先导作用,促进国家重大发展战略和目标的实现,更好地满足人民群众日益增长的
作为国内较早同时布局碱性、PEM双路线的企业,派瑞氢能已形成3.5GW产能。现已实现了单体产氢量向3000Nm/h的跨越并实现商业交付,并成功将第三代电解水制氢技术AEM市场化,去年海外业务新签订单高达9亿元,所有成绩的取得得益于他们紧紧围绕高质量发展,坚持自主创新,掌握核心竞争力。——中船(邯郸)派
5月15日上午,山东省人民政府新闻办公室举行新闻发布会,邀请山东省能源局主要负责同志等介绍山东深入实施“八大行动”,推动新能源高水平消纳情况,并回答记者提问。中新社记者:我了解到,山东打造能源绿色低碳转型示范区是未来一段时间的重要任务。请问,下一步山东在新能源发展过程中,将采取什么
北极星氢能网获悉,近日,由三峡上海院牵头研制的漂浮式海上风电制储氢系统试验样机,在三亚崖州湾近海试验场顺利完成720小时的实海试验,为国内首次顺利完成连续运行超过240小时实海测试的漂浮式海上风电制储氢系统。本项目漂浮式海上风电制储氢系统方案由三峡上海院技术研发中心自主设计,试验装备与
北极星氢能网获悉,近日,国内氢能产业迎来里程碑式进展#x2014;#x2014;大冶市绿电绿氢制储加用一体化氢能矿场项目成功产氢,标志着我国首套ALK(碱性)与PEM(质子交换膜)联合制氢系统正式落地。该项目不仅是湖北省唯一入选国家发改委“清洁低碳氢能创新应用工程”的重点项目,更开创了国内岩穴储氢技
CBC2025第八届中国(国际)生物质能大会议程产业背景当前,我国生物质能产业正迎来重要发展机遇。产业规模持续扩大,大型央企与地方国企的加入为行业注入新活力,推动产业走向规模化、专业化发展。2024年6月24日,国家发展改革委、国家能源局《煤电低碳化改造建设行动方案(2024—2027年)》,其中提到:利
6月3日,工业和信息化部、国家发展改革委、农业农村部、商务部、国家能源局正式对外发布《五部门关于开展2025年新能源汽车下乡活动的通知》,将组织开展2025年新能源汽车下乡活动。此次活动以“绿色、低碳、智能、安全——赋能新农村,畅享新出行”为主题,旨在加快补齐乡村地区新能源汽车消费使用短板
5月29日,太原市住房和城乡建设局关于印发《太原市城乡建设领域碳达峰实施方案》的通知,通知指出,优化建筑用能结构。积极推动建筑用能低碳化,全市城镇建筑可再生能源替代率力争达到8%。推进建筑光伏一体化应用,新建公共建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%,积极推动在学校、医院、政府机关等
绿电直连政策以制度创新“四应”国家大局绿电直连是风、光、生物质等新能源通过直连线路向单一电力用户供给绿电,实现电量清晰物理溯源的模式。国家发展改革委、国家能源局不循旧历,联合印发《关于有序推动绿电直连发展有关事项的通知》(以下简称《通知》),实现“四应”,即呼应社会诉求、响应行业
北极星储能网获悉,6月3日,1批汽车用钠离子动力电池组,经福州海关所属宁德海关关员现场实施危包使用鉴定合格,并取得危险货物包装使用鉴定证书后顺利出口。据悉,这是全国首批钠离子汽车动力电池出口。钠离子电池是一种新型二次电池,其工作原理与锂离子电池类似,通过钠离子在正负极间的往复移动实
5月30日,生态环境部、文化和旅游部、中国文学艺术界联合会、中国作家协会联合印发《关于进一步加强生态文化建设的指导意见》。《意见》倡导绿色低碳生产生活方式。推行绿色办公和大型活动碳中和,推动企业将绿色生产理念纳入企业文化建设范畴,加快向绿色生产方式转型。全文如下:关于进一步加强生态
海上风电已经成为当前全球应对气候变化的重要依托,也是各国实现能源安全和推动经济社会可持续发展的重要支撑。作为全球最大海上风电市场,中国通过不断推动技术、市场与发展模式创新,凭借全产业链优势,持续引领全球海上风电发展,并将重塑风电产业合作共赢新格局。辽宁省具有丰富的海风资源和良好的
北极星氢能网获悉,近日,盐城市人民政府办公室关于印发盐城市国家碳达峰试点建设推进方案的通知。文件指出,推动新能源规模开发利用。强化新能源资源管理,加强陆上风电和海上光伏资源有序开发和合理利用。加快推动海上风电和市场化并网光伏发电项目建设,推进能源供给清洁替代和能源消费电能替代。建
6月3日,工业和信息化部办公厅国家发展改革委办公厅农业农村部办公厅商务部办公厅国家能源局综合司关于开展2025年新能源汽车下乡活动的通知(工信厅通装函〔2025〕219号)。其中指出,推动车网互动技术在乡村地区应用,提升乡村绿色发展水平。落实车购税、车船税减免,汽车以旧换新,县域充换电设施补
2025年《政府工作报告》明确提出“建立一批零碳园区、零碳工厂”,为产业发展指明了方向。江苏南京江宁开发区作为首批国家碳达峰试点,制定全省首个园区级近零碳工厂标准,针对重点企业开展“一对一”辅导服务,推动产业绿色转型与可持续发展进程。近日,园区西门子电力自动化有限公司(以下简称“SPA
石油企业开启了一手卖油,一手卖“碳”的新业务模式!(来源:石油Link文|木兰)石油企业的业务版图正经历新一轮重构。发展新能源与低碳业务,本应该是石油企业转型路上的挑战,却意外成为油田创造收益的新路径。日前,塔里木油田通过光伏项目产生的2.67万吨碳减排量,在欧盟碳市场完成了交易。近日,欧
北极星环保网获悉,为深入学习贯彻落实习近平生态文明思想和习近平文化思想,进一步加强生态文化建设,近日,生态环境部、文化和旅游部、中国文联、中国作协四部门联合印发《关于进一步加强生态文化建设的指导意见》(以下简称《意见》)。《意见》指出,要以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,
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