中國制氫的現狀與世界的氫工業的發展前景

?新聞資訊 ????|???? ?2019-11-28 09:35
       全球正經歷從化石能源向氫能等非化石能源過渡的第三次能源體系重大轉換期。2017年我國能源生產量為25億t油當量,消費量達31億t油當量,整個能源需要進口20%,尤其是石油進口量為4億t,其對外依存度達到70%,對能源安全造成不利影響。為給我國實現能源體系轉型和“能源自主”戰略目標提供參考,綜述了國內外氫工業的發展現狀和發展趨勢,探討了人工制氫、儲氫技術的發展途徑,明確了氫工業的戰略地位。

       在自然界中分布廣泛,并且在自然狀態下僅存在著極少量的游離態氫。工業氫氣是指通過一定的手段,從工業原料中大規模制取的可燃氣態氫產物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業氫氣的過程,被稱為人工制氫,包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術制氫和太陽能制氫等。氫能作為氫的化學能表現為物理與化學變化過程中釋放出能量,是具有二次能源屬性的一種重要的能源類型。這種大規模人工制氫并利用氫能的產業被稱為氫工業,包括上游制氫、中游儲運和下游應用。

       氫工業體系中各個產業部門之間基于一定的技術經濟關聯即為氫工業產業鏈,包括氫工業價值鏈、氫工業企業鏈、氫工業供需鏈和氫工業空間鏈。為了更好地閱讀和理解本文的內容,筆者建議首先界定和明確上述5個基本概念(工業氫氣、人工制氫、氫能、氫工業、氫工業產業鏈),并由此建立氫工業概念體系。
氫能源
       儲氫是實現氫能有效利用的關鍵技術之一,包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、金屬氫化物儲氫、有機化合物儲氫、微球儲氫和碳納米材料儲氫等?;诖笠幠5统杀局茪浜透呙芏葍?,以燃料電池為關聯的氫工業應用將推動能源轉型和新能源汽車、分布式供能等新興產業的發展,從而改變能源結構,進而實現從能源供給端到消費端的全產業鏈轉變。

       氫能是被公認的清潔能源,被譽為21世紀最具發展前景的二次能源。氫能在解決能源危機、全球變暖及環境污染等問題方面將發揮重要的作用,也將成為我國優化能源消費結構、保障國家能源供應安全的戰略選擇。據預測,煉油業、新能源汽車以及清潔能源發電等將是氫能利用的最大終端市場,其中工業氫氣在全球煉油業中的用量將占到全球工業氫氣消耗總量的90%。隨著燃料環保要求的日趨嚴格,煉油廠加氫精制將需要更多的工業氫氣來生產低硫清潔燃料,這將極大地刺激工業氫氣需求量的快速增長。

       氫能和電能都是重要的二次能源,也是未來主要的綠色清潔能源,氫能具有遠距離輸送、大規模存儲和氫—電互換的特性。氫能和電能在工業、農業、電子、鋼鐵、民用等各個領域用途廣泛,都具有不同時段峰谷用量的特點,氫—電互換是解決能源峰谷波動的有效手段之一。通過氫能發電和電解水制氫是實現有效利用氫—電互換優勢、發揮能源智慧互聯互補、提高能源利用效率的關鍵。工業氫氣在使用中若出現短期過剩,可以通過發電轉換成電能,以緩解電力不足;而電解水制氫可消納暫時富裕的電力,彌補風電、光電波動起伏的不足,降低棄風、棄光率。
氫能源站
氫能將引領未來新能源消費變革
       氫燃料電池汽車產業將拉開氫能商業化利用的序幕。目前,氫能已小規模應用于大型物流車、城市交通車、家用小汽車,甚至火車、自行車、航模、無人機等。氫能將在交通領域引領新能源汽車變革。據報道,日本、韓國已量產高壓儲氫技術氫能乘用車,更有日本大型連鎖便利店與豐田汽車公司合作,計劃于2019年推出氫燃料電池(FC)貨車,建立“零排放”物流體系。在歐洲,德國已于2017年3月成功測試了世界上第一輛零排放氫動力火車——“氫鐵”,并與法國阿爾斯通公司合作,于2021年建造氫動力驅動列車。2017年12月,法國圣洛市第一批氫能源電動自行車正式投入使用。2018年國務院總理參觀日本豐田氫燃料電池汽車后,國家能源投資集團有限責任公司(以下簡稱國家能源集團)牽頭成立了中國氫能源及燃料電池產業創新聯盟,國家能源集團、中國廣核集團有限公司等能源企業將與浙江吉利控股集團、中國第一汽車集團有限公司、長城汽車股份有限公司等車企一同布局氫燃料汽車。

       世界能源發展正處在油氣向新能源的第三次轉換期,能源類型由高碳向低碳、非碳發展。據預測,到2050年,天然氣在能源消費結構中的占比將首次超過石油和煤炭,世界能源將邁入天然氣、石油、煤炭和新能源“四分天下”的新時代。氫能約占全球能源消耗總量的20%,預計每年可減排二氧化碳60億t。氫工業產業鏈年產值將達2.5萬億美元,世界將進入清潔能源時代。隨著全球氫工業的發展,人工制氫的需求量呈現出爆發式增長,制氫技術日新月異。煤氣化制氫雖然同樣會產生大量CO2,但由于其原料豐富、價格低廉,故仍將是規?;?、低成本人工制氫的最佳途徑;高爐煙道氣、化工尾氣等通過變壓吸附(PSA)技術可實現低成本回收氫氣;太陽能制氫技術(光催化、光熱解)是未來理想的制氫技術,但受制于轉換效率和成本等問題,預計2030年前難以實現規?;?。在所有的人工制氫途徑中,電解水制氫可以有效地消納風電、光伏發電等不穩定電力,以及其他富余波谷電力,因而將貫穿于氫能發展的全過程,是建設“氫能社會”工業氫氣的主要來源之一。隨著電解水制氫技術的不斷發展和成本的逐漸降低,電解水制氫將能逐漸滿足商業化的要求,實現分布式制氫。未來,既可以集中制氫、區域供氫,也可以單個加油站建設小型電解水制氫裝置,實現氫能源智慧互聯。

液態氫是未來主要的儲氫形式

       目前工業氫氣主要采用高壓氣態的方式儲存,由于成本的限制,液態儲存的方式使用較少,主要用于航空航天領域。但隨著技術的不斷成熟,預計2050年液態儲氫將成為工業氫氣的主要儲存形式。

       以氫能為紐帶,通過風能、太陽能、潮汐能等分布式新能源發電制氫,可以降低制氫成本,實現氫能和新能源的多能互補、多能協同發展。氫能既可作為二次能源,又可作為儲能技術,連接多種新能源。氫能與新能源協同發展,一方面擺脫了依賴傳統化石資源制氫,形成更清潔、更環保的制氫新途徑;另一方面又整合了各種新能源類型,提升了能源系統的利用率。隨著氫工業技術的不斷進步和氫能經濟的不斷發展,因地制宜、協同利用新能源與傳統能源,通過多種能源相互補充和能源智能微網等,將實現多能智慧協同供應,充分發揮新能源、天然氣、石油、煤炭等能源的組合優勢,氫能社會”建設藍圖將更加清晰。

       中國是全球氫能利用的大國,已形成京津冀、長江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南、東北等7個氫能產業集群。我國已制定《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》,提出了氫工業(氫的制取、儲運及加氫站)、先進燃料電池、燃料電池分布式發電等3個戰略發展方向,以及大規模制氫技術、分布式制氫技術、氫氣儲運技術、氫氣/空氣聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)技術、甲醇/空氣聚合物電解質膜燃料電池(MFC)技術和燃料電池分布式發電技術等6項創新行動。通過消納棄水、棄風、棄光等富余新能源,減量替代煤、石油和天然氣等化石燃料,加上煤炭的清潔高效利用,逐步降低成本,穩步提高安全性,通過“三大發展階段”建立有利于氫能產業發展的支撐體系,建成全國性氫能供給和利用基礎設備網絡。

       近期(到2030年),以煤制氣為代表的化石基氫能產業發展取得重大突破,初步完成產業鏈示范。目前需要加快我國煤炭地下氣化制氫資源評價、經濟高效產氫配套系列技術攻關與現場試驗以及超深層、超臨界水氣化制氫技術儲備,特別是對高效產氫機理進行深化研究,加強對地質評價、工程工藝、監測控制、安全環保等系列技術,以及高溫高壓井下工具及高強度防腐管材等重大裝備的研制攻關。全國煤炭地下氣化潛力巨大,僅鄂爾多斯盆地埋深介于1000~2000m的煤炭資源量就達1.3萬億t,保守估算可氣化采出商品工業氫氣約10萬億m3(相當于9億t)。應當按照淺層(地層壓力低于10MPa)、中深層(地層壓力介于10~22MPa)和超深層/超臨界水(地層壓力超過22MPa)3個層次來布局我國煤炭地下氣化產業發展,并優選鄂爾多斯、二連、準噶爾等盆地開展現場試驗研究。

       中期(2035—2050年),氫能產業成為我國新的經濟增長點和新能源戰略的重要組成部分;打造新材料、儲能和氫能產業鏈;加大石墨烯、納米等新材料的超前儲備。通過自主、合作、技術購買、優質企業并購等多種方式研發和大規模生產高標準、高性能車用、船用等電池,與主要汽車廠商合作或參股推動標準化電池在交通領域的規模利用。發揮企業加油站布局優勢,建設大型倉儲式充電中心,快速建立新能源汽車高效率充電站網絡,搶占交通領域能源革命的先機。發揮石油管道布局優勢,發展棄風、棄光、棄水低成本電解制氫、天然氣管網輸氫、摻氫天然氣、液化氫、加氫站等業務。

       遠期(2050—2100年),氫能成為我國能源消費結構的重要組成部分,依靠新能源等實現國家“能源自主”。中國“能源自主”概念是指通過中國新能源生產革命,實現能源生產基本自給和消費安全。2017年,我國一次能源產量中,煤炭占70%、石油占8%、天然氣占5%、新能源占17%。中國煤炭資源豐富但油氣相對不足的先天稟賦條件,決定了能源生產和消費必須具有中國特色,構成“一大三小”(煤炭大,石油、天然氣、新能源?。┑闹袊茉唇Y構。太陽能、風能產量的增長率最快,水電、核電產量的占比最高,氫能、儲能、新材料、新能源最具顛覆性,應加快煤炭清潔化利用和新能源這“兩個規模”的提前到來,減少油氣在我國能源利用路徑中的時間跨度和安全壓力

       “能源自主”可能要到新能源占主體地位才行。我國需要謀劃加快實現常規—非常規油氣的“生產革命”、煤炭發展的“清潔革命”和新能源發展的“速度革命”,2050年前后實現能源結構從“一大三小”向煤炭、油氣、新能源“三足鼎立”的能源結構轉型,屆時煤炭約占一次能源消費的比例40%、油氣占30%、新能源占30%。2100年前后,有可能依靠新能源實現國家“能源自主”,化石能源占一次能源消費結構的比例降至30%,非化石能源占到70%,實現二者的地位轉換,力爭我國能源生產量與消費量相當,基本不依賴進口。