中國氫能發展的思考

 

　　原創 2017-11-28 王賡，鄭津洋等 科技導報氫能應用是化解電力行業電量結構性過剩的重要手段，也是改善中國環境、降低大氣污染物排放的重要技術方向。氫能燃料電池車輛的規?；瘧猛苿託淠墚a業逐步進入高速發展期。本文基于大量行業調研及國內外經驗教訓總結，從氫能制取、存儲、運輸、安全和應用等方面，總結了中國氫能產業的發展現狀，并對中國氫能產業的多元化發展提出了意見和建議。

 

　　

 

 

 

　　氫能是清潔的二次能源。近年來，隨著氫能應用技術發展逐漸成熟，以及全球應對氣候變化壓力的持續增大，氫能產業的發展在世界各國備受關注，美國、德國、日本等發達國家相繼將發展氫能產業提升到國家能源戰略高度。2016年國家發展和改革委員會、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)》(發改能源[2016]513號)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中國國家能源戰略。

 

　　國內外的實踐表明，氫能可廣泛應用于燃料電池車輛、發電、儲能，也可摻入天然氣用于工業和民用燃氣。氫能作為清潔的二次能源具有可規?；瘍Υ娴奶匦?，其廣泛應用可部分替代石油和天然氣，成為能源消費的重要組成部分，對應對氣候變化和保障能源供應安全等具有一定的支撐作用。充分利用氫能的優勢和特點，在中國風電、光電、水電富余或棄風、棄光、棄水較多的地區，以及城市電網峰、谷時段電力負荷差異較大的城市和地區，采用電解水制氫獲得氫源，根據各地區的經濟發展狀況和工農業產品以及人民生活水平等因素，采取電-氫-電、電-氫-用或兩者混合的模式，消納和儲存富余電力或峰段電力，有助于化解電力行業的結構性過剩電量的“瓶頸”。

 

　　中國氫能產業發展現狀

 

　　氫能產業鏈

 

　　氫能產業鏈主要包括：氫的制取、儲存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用于傳統領域，又可應用于新興的氫能車輛(包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等)以及氫能發電(包括熱電聯供分布式發電、發電儲能、備用電源等)。為加快發展中國的氫能產業，依據目前的資源條件和能源產業狀況，應在加強氫安全的基礎上，積極推行氫源多元化及氫能多元化和規?；瘧?。氫源的多元化除了上述利用富余風電、水電、光電制氫外，還應充分利用中國豐富的煤炭資源。煤化工生產經過多年的研究開發，已具備良好的規模和經濟發展狀態，若將煤制氫與煤制油、煤化工產品等生產環節緊密結合、綜合利用，可獲得經濟、豐富的氫源。中國的煉油工業、化工產業多設計的品種及規模巨大，工業含氫排放氣是重要的氫氣來源。據統計，2015年全國純度99%左右的氫氣產量為700億m3，其中各類工業含氫氣體排放氣回收利用占比70%左右。所以，工業含氫排放氣是中國不可忽視的氫源，應統籌規劃、充分合理利用，為推動氫能產業發展，節能降耗改善環境，降低碳排放、減少污染物作出貢獻。

 

　　氫的制取

 

　　經過多年努力，氫氣作為原料氣體及工業氣體，其生產和應用在中國已具有較大規模。據初步統計，用于煉化產品生產和工業生產領域的純度大于或等于99%的氫氣年產量約為700億m3(約600萬t)，其中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2%~4%。

 

　　從獲取氫氣的方法看，變壓吸附提純氫占比最大，這主要是因為其規模大、原料氣以含氫排放氣占比最高且經濟性好。近年來，隨著國內甲醇生產規模的擴大，甲醇蒸汽轉化制氫發展迅速。目前國內變壓吸附(PSA)裝置最大產能達30萬m3/h。隨著煤制合成氣、煤制油的規模發展，煤制氫產量逐年增多，其規模均較大、成本也較低，在煤炭價格適宜且工藝流程、氣化爐型等選擇得當時，氫氣成本可降至20元/kg左右。與此同時，能夠實現從化工產品(包括合成氨、甲醇等)生產過程中產生的含氫馳放氣中回收純度大于99%氫氣的裝置日漸增多。

 

　　近年來，一些地區采用富余水電、棄風、棄光或城市電網谷段電力開展水電解制氫的示范項目，形成小規模生產并提供工業氫氣。消納水電、棄風、棄光等可再生能源電力進行水電解制氫，形成的是綠色二次能源，而利用城市電網谷段電力制氫是否同樣形成“綠色二次能源”，還應具體分析所在地區的電網電力來源。在水電、風電發達地區，或輸入可再生能源電力的地區，城市電網中“綠色電力”均占有一定比例，應該被稱為“淺綠電力”，采用“淺綠電力”制氫是減少碳排放的重要措施，并可提供“綠色二次能源”。

 

　　水電解制氫裝置包括堿性電解水制氫、純水質子交換膜(PEM)電解水制氫和固態氧化物電解質(SOE)電解水制氫等裝置。前兩類裝置在國內均有運行，SOE正在研發當中，。

 

　　充分發揮氫氣可規模化儲存的特性，將是未來能源領域解決“能源生產、使用(供需)不均衡性”問題的重要途徑之一，尤其是提高波動式、間歇性的可再生能源利用率的重要途徑之一。

 

　　目前國內氫氣儲存方式主要有高壓氣態儲氫、液態儲氫和固態氫化物儲氫等。在氫燃料電池汽車領域目前技術發展較成熟且應用最為廣泛的是高壓氣態儲氫。高壓氣態氫儲存裝置有固定儲氫罐、長管氣瓶及長管管束、鋼瓶和鋼瓶組、車載儲氫氣瓶等。國內在固定儲氫罐研發上已取得顯著成果，在攻克多項關鍵技術的基礎上，利用自有專利技術已成功研制出了一種具有抑爆抗爆、缺陷分散、運行狀態可在線監測的多功能全多層高壓儲氫罐，目前壓力等級可達到45、77和98 MPa，相關技術指標達到國際領先水平。其中壓力等級為45和77 MPa的容器見圖1。長管氣瓶組及長管拖車已在國內制造，并在一些制氫工廠、用氫的企業和加氫站安裝、運行，圖2為45 MPa的長管氣瓶組。中小規模固體氫化物儲存裝置已在PEM備用電源和一些用氫單位應用。

 

　　液態氫儲罐和液態氫拖車已在國內實現制造并在航天等領域應用，一臺15 m3 的液氫罐車可運輸約1.05 t(約為12000 m3)氫氣。固定式液氫儲罐的儲存能力可依據需要設計制造，但液氫的儲存、輸送應注意其蒸發損失的回收利用。近年來，一種低溫高壓復合的移動式儲氫容器引起廣泛關注，該容器既可存儲液態氫，也可存儲低溫氣態氫氣。與傳統液態氫儲罐相比，低溫高壓復合儲氫具有更高的儲氫密度和更少的蒸發損失。

 

　　目前，氫氣輸送方式有高壓氣態、液態氫和管道輸送。這3種方式國內均已應用，氫長輸管道近年已在一些地區建設、運營。據了解已有數條約50 km、2.0~4.0 MPa的輸氫管道正在運行中，管道內徑已達400 mm。但總體而言，仍需在管線鋼與高壓氫的相容性、管道的運營管理等方面開展系統的基礎研究工作，為建設長距離、高壓力的“規模”輸氫管線創造條件。

 

　　加氫站

 

　　2006年以來，中國建成并有運行記錄的加氫站8座，分別是北京氫能示范園加氫站、北京飛馳競立制氫加氫站(已拆除)、上海安亭加氫站、上海世博固定及移動加氫站(已拆除)、廣州亞運會加氫站(已拆除)、深圳大運會加氫站(已拆除)、鄭州宇通加氫站等。到2016年底，國內僅有北京、上海和鄭州3座加氫站尚在運行。而目前正在規劃、建設中的加氫站大約有20座以上，加氫能力均小于400kg/d，屬于示范性加氫站。具有長期運營能力的加氫站尚需從規劃、設計、建造至運營進行系統的分析、總結，才能確保其技術科學性和運行經濟性。加氫站的核心設備主要包括氫氣儲罐、氫壓縮機、加氫機及控制系統等。目前已建和在建加氫站的核心設備主要采用“進口+國產”的形式，且完全國產化的條件基本具備，但應不斷強化現有標準的實施、檢測手段的建立，加大監督管理力度等。

 

　　氫氣的應用

 

　　在中國，氫氣除用作合成氨、甲醇等化工原料氣外，大約90%或更多純度99%左右的氫氣用于煉化產品生產過程中的加氫。僅有2%~4%的氫氣作為工業氣體用于治金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣、反應氣等。

 

　　由于氫能燃料電池車輛既具有傳統燃油車輛的續能里程長、加注時間短的特點，又具有零碳排放的優良性能，越來越受到國內相關政府機構及企業的關注。2008年北京奧運會期間及其后期的燃料電池大巴車共進行氫的加注約2600次，加氫量約為22 t;2010年上海世博會的燃料電池大巴車和燃料電池擺渡車運營了近10個月，氫氣加注次數(固定加氫站和移動加氫站)近2萬次，加氫量約為25 t。整體上說，目前國內氫能燃料電池車輛的運營尚處于示范階段。2015年以來，河南鄭州、廣東云浮、江蘇如皋等地相繼建成或在建加氫站，云浮已生產燃料電池大巴車28輛并投入示范運營。上海汽車集團股份有限公司、鄭州宇通集團有限公司、北汽福田汽車股份有限公司等企業已取得公告的燃料電池車型，可以預見氫能燃料電池車輛在中國的應用日趨廣泛。

 

　　同時，氫燃料電池發電裝置在中國的應用正在興起，其作為備用電源已在通信基站等場所實現應用。2016年10月，遼寧營口的2 MW熱電聯供氫燃料電池發電裝置投入運行，該裝置以氯堿廠副產氫作為原料，在發電同時供應一定溫度的熱水。此外，部分研究單位正在進行分布式氫能燃料電池發電裝置的研究與開發，有望近期有所突破。

 

　　氫安全

 

　　氫能的安全性是社會各界關注的重點。國際國內應用實踐證明，只要按照標準規范和法規生產、存儲及使用氫能，氫能安全可以得到保障。

 

　　近年來，中國積極開展氫能安全性研究和相關標準制定工作，陸續開展了材料高壓氫相容性、高壓氫氣泄漏擴散、氫氣瓶耐火性能、氫氣快充溫升、快速充放氫疲勞、量化風險評估、失效預測預防、高壓氫噴射火、氫爆燃爆轟、氫泄爆、氫阻火等研究。但總體而言，國內氫安全研究剛剛起步，投入較少，安全檢測能力和保障技術滯后于氫能產業發展的需要，缺乏具有第三方公正地位的實驗室，與國際先進水平相比有不小的差距。

 

　　氫能安全未來將以對氫事故原因、機理、后果，以及事故預測、預警和控制方法的研究為基礎，制定合理的安全技術規范標準，以本質安全為理念設計氫能產業裝備/設施，建立完善的氫能利用風險量化評估體系，防止和減少氫能安全事故，促進氫能產業健康安全發展。

 

　　氫能產業支撐政策及標準體系

 

　　中國自2001年啟動國家高技術研究發展計劃(863計劃)“電動汽車”重大科技專項，開始著手燃料電池動力系統集成研發，直到“十二五”期間，氫能技術及應用領域一直是由科技部牽頭發布相關的政策和規劃，這從另一方面印證了這一時期氫能產業在國內尚處于技術研發和儲備期。2016年5月，國務院印發《國家創新驅動發展戰略綱要》，明確提出開發氫能、燃料電池等新一代能源技術。2016年6月，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合發布《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》，將“氫能與燃料電池技術創新”作為15項具體任務之一，這些都標志著氫能產業已納入中國國家能源戰略。

 

　　在氫能與燃料電池標準體系建設方面，全國氫能標準化技術委員會(SAC/TC 309)和全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會(SAC/TC 342)截至目前共研制氫能相關國家標準26項、燃料電池相關國家標準41項，中國氫能和燃料電池國家標準體系框架初步建立。當然，在推動氫能產業的進程中，氫能領域相關標準還有待進一步完善，還存在一些不協調、不配套的問題，與國際接軌的程度也有待提高，因此需要進一步強化支撐氫能產業發展的標準化工作，切實發揮標準對產業發展的支撐和引領作用。

 

　　加速發展中國氫能產業的思考

 

　　“十三五”以來，氫能產業在一些地方相繼興起，許多地方政府或企業正積極進行氫能產業園區等的規劃、建設，氫能產業發展一時展現出勃勃生機。但是如何避免“一哄而起”、“高熱之后的冷落”，確保氫能產業沿著科學、可持續的道路健康發展，仍是現階段面臨的重要問題和挑戰。筆者根據對氫能產業內涵的了解，在吸取和分析國內外的經驗教訓及相關產業關聯性的基礎上，提出以下幾點思考，供正在或即將涉足氫能產業的地方、企業及專業人士參考。

 

　　選擇多元化的氫源

 

　　根據中國的經濟發展現狀和資源分布，氫能產業所需氫源應是多元化的。各地方和企業一定要根據其自身情況選擇技術可行、經濟性良好、環境友好的氫源來發展氫能產業。如前所述，中國氫源具備多元發展、多元開發的條件，在選擇氫源時，應綜合考慮技術經濟性、碳排放、環境影響、能源消耗、資源條件等因素。在資源條件許可時，應優先選擇工業含氫氣體提純氫氣或可再生能源(富余水電、棄風、棄光)制氫，但均應根據技術經濟性分析選用最佳方案。在用氫規模較大且可與化工產品或煤制油綜合利用時，宜采用煤制合成氣提純氫方式，在氣化爐型、工藝流程等配套合理時，可獲得較低成本的氫氣。在資源條件受限時，根據甲醇、天然氣供應狀況和城市電網“淺綠程度”，經技術經濟性分析，可采用天然氣轉化或甲醇轉化制氫、谷時段水電解制氫，僅在小型制氫規?；蚴痉俄椖坎磐扑]選用水電解制氫。

 

　　氫能多元化應用

 

　　氫能燃料電池車輛的研發和上路運行在國內外都引起了廣泛關注。近兩年，國內一些地方和企業積極參與氫能車輛的開發研究，相關產業持續升溫。但氫能產業的加速發展應提倡多元應用，可包括氫能燃料電池車輛、氫能燃料電池發電、分布式氫能系統、燃料電池熱電聯供、氫儲能系統等的研發、示范或商業化運營等。國外有報道稱，一些氫能燃料電池發電系統(圖3)的耗氫量或減排量將大于氫能燃料電池車輛。因此，不能一味片面強調氫能產業在燃料電池車輛方面的應用和推廣，實施氫能的多元化應用是發展氫能產業的必由之路，從現階段起就應該深入研究“多元化應用”模式，作好規劃建設，并推廣試點示范。多元應用的發展、各種應用類型的相互補充，必將加速氫能產業發展進程，并且隨著應用規模增大，其社會效益、經濟效益和環境效益更加突顯

 

　　近年來，中國風電、光電、水電等可再生能源的占比逐年增加，由于這類電力的波動性和一些地區、城市電網的峰谷負荷差異較大，造成了電網儲能系統的設置需求明顯，各種儲能方式(系統)的開發研究逐漸興起，壓縮空氣儲能、飛輪儲能、蓄電池儲能等均在研究和實驗。圖4為各種儲能方式的投資比較。其中，在國內已建設多座抽水蓄能電站，盡管其有較好的削峰填谷效益，但同時受地理條件限制和投資的影響較大，此類項目的建設應十分慎重。伴隨著氫能技術和產業的發展，氫儲能系統應用將成為較為現實、可行的選擇。2015 年國際能源署(IEA)發布的《Technology roadmap hydrogen andfuel cells》(《氫能和燃料電池技術路線圖》)中提出氫儲能系統應用的內容。

 

　　綜上分析，根據中國經濟發展現狀和氫氣在傳統領域的廣泛應用以及氫能產業發展的需求，應積極發展“電-氫-電”、“電-氫-用”或兩者混合的氫儲能系統(圖5)。其中，電力可以是各類可再生能源(風電、水電、光電等)和城市電網的谷時段電，經水電解制取氫氣進行儲存備用，后面的“電”是以氫燃料電池發電裝置根據電力負荷的需求所產生的電力;“用”是將儲存氫或直接利用水電解獲得的氫氣，用于其他行業(即外銷氫氣)，與此同時水電解裝置的副產氧(氫產量的1/2)也可作為產品外銷

 

　　氫氣儲能系統可根據規模分為大、中、小3種類型，并可依據需求側/供給側的富余電量、電力負荷的不均衡性和氫氣/氧氣銷售(利用)狀況等因素確定。這其中核心的問題是氫儲能系統的整體能效以及氫氣、外供電的成本等技術經濟指標與其他儲能方式的可比性，這也是判斷不同儲能方案是否可行的關鍵。按目前成熟或即將成熟的水電解制氫裝置、燃料電池發電裝置的技術狀態，據初步估計：“電-氫-電”的整體能效約為40%左右，“電-氫-用”的能效在75%~80%。若采用混合系統應視“發電”與“用”氫的占比而定，若各占50%，則估計整體能效約可達60%。以氫氣的成本30元/kg左右計算，從以上數據的分析中可以看出：在風電、水電、光電較為豐盛的地區和電網為“淺綠”的峰谷差異較大地區均可考慮推廣進行氫儲能系統的示范，其規模可依據當地已有傳統氫用戶和正規化的“氫能車輛”、氫能發電的需求，并經技術經濟性分析后確定。當然，工程的建設投資也是十分重要的條件，宜控制在4000~6000元/kW。

 

　　氫氣儲存、運輸應采用多種方式

 

　　根據中國多年在氫氣儲存、輸送技術的開發、運行方面經驗的積累，高壓(35、45、70、98 MPa)氣態氫的固定及移動儲存容器、氣瓶已具備一定設備制造能力和運行管理經驗，并制定了相應的法規、標準。液氫儲罐及其運輸的發展狀態與高壓氣態氫儲存、運輸狀態相似。唯有氫氣長輸管道的建設處于起步階段，尚需加速開發研究工作，為各種壓力下的氫氣或氫混合燃料氣體的長距離輸送的建設積累經驗。幾種氫氣儲存、運輸系統及設備的安全運行檢測、監管尚需加強，還應逐步建立、健全第三方檢測認證機構，為氫能產業的安全運行提供可靠保證。

 

　　加氫站的建設與運營

 

　　目前，國內正在運行的示范性加氫站的加氫能力均小于400 kg/d，一般在200 kg/d左右，其規劃設計、工藝流程及設備配置、氫源的選擇、自動控制系統等大多不能滿足商業化運營的要求，對運營經濟性、耐久性的驗證較少。當前氫能燃料電池車輛的商業化運營正處于實施階段，加氫站的規劃設計、建造要想達到“商業化運營”的要求，其運營的經濟性為首要條件，即要從規劃設計階段就開始關注加氫站類型的選擇(合建站、集中/分散制氫等)和氫源的選擇等因素。對于集中或分散制氫的選擇，通常應選擇集中制氫，每個加氫站都自行制氫不太現實，加氫能力一般應確定在不低于400 kg/d的水平。落實加氫能力后，應準確確定工藝流程及設備配置(氫氣罐容積和數量，壓縮機、加氫機的參數等)，尤其應十分關注控制系統的選擇。能夠商業化運營的加氫站應滿足“連續加氫運行、經濟過關(盈利、不能虧)、安全可靠、自控運行、減少運行管理人員”等基本要求。

 

　　加快發展中國氫能產業應關注的主要問題

 

　　鑒于數十年來傳統氫產業的發展，中國已在制氫、氫的儲存輸送及其應用技術等方面具備一定經驗和能力，氫氣系統及設備的設計、制造、運營等方面的標準和生產能力均有一定儲備。同時近年來，為適應氫能產業的示范需求，在技術研發方面也取得了一些成果和技術積累。為了進一步加快中國氫能產業發展的步伐，應關注以下問題：

 

　　1)注意充分發揮各地方、企業已有氫氣制備、儲存輸送設施的能力、技術、人才等在發展中國氫能產業中的促進、參照甚至引導作用;

 

　　2)高度重視國家氫能產業發展路線圖的制訂，各地方(區域、城市)在進行氫能產業及其基礎設施建設時，首先應做好規劃和必要的規定，循序漸進;

 

　　3)各地方(區域、城市)在選擇氫源和氫的儲存與輸送方式時，應認真調查研究本地區的氫相關資源和電力生產、使用狀況，注意波動電力、峰谷電力的合理使用以及已有氫氣設施的利用;

 

　　4)在進行氫能產業建設時，應認真結合當地社會、經濟和資源條件，采納準確、可靠的信息和數據，進行科學的、實用的分析研究，準確核算能源利用效率、降低碳排放量、提高經濟效益，選擇最佳能效、碳排放量低且經濟性優良的建設方案。

 

　　結 論

 

　　氫能作為清潔的二次能源在應對氣候變化、保護環境等方面具有支撐作用。充分利用氫能的優勢和特點，在中國可再生能源電力富余地區以及電網峰谷時段電力負荷差異較大的地區，采取“電-氫-電”、“電-氫-用”或兩者混合的模式構建新型氫儲能系統，有助于推動電力行業供給性改革，保障國家能源供應安全。氫能產業的發展需要多元化的視角和戰略規劃，為推進中國氫能產業健康、協調、有序發展，提出如下建議：

 

　　1)組織人力、物力進行國家、地區的氫能產業合適的上游、下游各階段的發展規劃、落實要求的配套政策;不僅氫能車輛方面有激勵政策，氫能發電、儲能方面也應有激勵政策;

 

　　2)組織電力及相關行業的高校、科研院所、企業積極開展氫能發電、儲能技術與設備的開發和應用研究，加強示范及總結推廣;

 

　　3)鑒于氫能產業多元發展的需要，應組織制定能準確計算氫能相關的能效、碳排放量的規定，統一方法、數據，實現“真實”;鼓勵地區(區域、城市)相關行業、企業積極進行氫能產業的示范、商業運營;

 

　　4)鼓勵相關單位、企業積極參與氫能產業規范與標準的制修訂。建立氫能產業質量監控體系，加強氫能產業的質量檢測、安全監測機構和實驗室。