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聚焦丨氢能产业发展的挑战与机遇分析 —以山西为例

北极星氢能网 来源:技术经济与管理研究  作者:邓 彤  2019/11/5 10:16:55 我要投稿

北极星氢能网讯:前言:面对当前能源发展面临的诸多问题,清洁能源的开发和利用已成为全球各国发展的重要方向。氢能作为战略性能源,具有能源效率高、资源丰富、低碳环保、用途广泛等优势,对经济发展和社会进步都具有举足轻重的作用。本文对发达国家氢能发展的现状进行了阐述,结合我国应对全球气候变化、保障国家能源供应安全、推动高质量发展的必然要求,对我国氢能与燃料电池发展现状、制氢途径及经济性进行了分析。在此基础上进一步详细论证了山西发展氢能产业的优势及途径。山西具有充足的风、水、光资源,但因目前技术应用的局限,存在弃风电、水电、光电现象,利用风水光发电制氢可达到储能提高综合效益之目的;焦化工业是山西支柱产业之一,利用年产184亿标立方剩余焦炉煤气可形成年产千万吨级的氢能基地并带动制造业及相关产业发展。山西通过对氢能发展进行科学规划、技术创新和人才培养,会对成为能源革命排头兵起到重要推动作用。

能源是经济发展的重要基础和动力。党的十八大以来,面对能源供需新格局、新变化、国际能源发展新趋势,习近平总书记从保障国家能源安全、经济高质量发展的高度,提出“四个革命、一个合作”的能源发展新战略。当前中国能源发展仍面临的诸多问题,如对外依存度高,能源安全存在系统性风险;传统粗放式能源开发利用带来环境恶化;能源系统效率总体偏低等。我们要以习近平新时代中国特色社会主义理念为指导,科学发展,早谋划、早布局,逐步减少对化石能源、国际能源市场的依赖,减少化石能源燃烧引起的环境污染,开发和寻找“清洁、低碳、安全、高效”的新能源。氢气是人类社会

的终极能源,氢能将成为中国能源体系的重要组成部分,氢能应用是能源技术革命的重要方向,合理开发利用氢能对国民经济发展和社会进步具有举足轻重的作用。

一、发展氢能的意义

氢在元素周期表中排名第一位,是地球的重要组成元素,也是宇宙中最常见的物质。氢主要以化合态的形式出现,通常的单质形式是氢气。氢气可以从水、化石燃料等含氢物质中制取,是重要的工业原料和能源载体。氢能是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量,可用于储能、发电、各种交通工具用燃料、家用燃料等。由于氢具有下列独特的物理化学性质,因此氢能是最理想的新能源。

其一,热值及能源效率高。氢在所有元素中最轻,在标准状态下,它的密度为 0. 0899g/L,因而可以减轻燃料自重,增加运载工具有效载荷,降低运输成本。相同质量的燃料,氢的热值最大,大约为1. 4×108(142M)J/kg,是普通汽油热值的3-4倍。另外氢的燃烧值也很高,在空气中温度可达1000℃,在纯氧气中燃烧温度可达2800℃。

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其二,资源丰富。氢构成了宇宙质量的75%,氢不仅可以通过煤炭、石油、天然气等化石能源重整制取,还可以从焦化、氯碱、钢铁等工业副产气提取,也可以通过水电解制取以及生物质热解等方式制取。

其三,低碳环保。氢本身没有毒性,氢燃烧、氢燃料电池电化学反应产物为水,避免传统化石能源利用所产生的污染物且不排放二氧化碳。此外,产物水还可以再制氢,反复循环利用。因此氢能作为清洁的二次能源在应对气候变化、保护环境等方面具有无可比拟的优势,结合氢源的“绿色”制备,可实现“低碳生产,零碳使用”,有利于实现终端能源消费领域深度脱碳。

其四,用途广泛。氢在常温常压下是气体,在-252. 87℃时可成为液体;若将压力增大到数百个大气压,液氢还可变成金属氢,因此氢气能够适应储运及各种应用环境的不同要求,广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域。另外,由于氢气具有优异的导热性能,在能源领域中还是绝佳的传热载体,是传统化石能源与清洁高效可再生能源的桥梁;氢能作为化学能、热能和机械能之间的纽带,不仅可以实现各种能源之间的有效转化,而且可以有效解决弃风、弃光、弃水的问题。

氢能开发与利用技术已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向,加快氢能源产业发展对推进我国能源生产、消费和转型发展具有巨大的战略意义。氢能的开发利用,不仅可以增加能源种类的数量,还可以提高我国新能源的质量;同时在制氢、储氢、用氢的各个环节均可产生巨大的商业与社会价值。

氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源,打破了现有煤电等传统能源与可再生能源等清洁能源单一的能量转换模式,不仅可以优化中国能源消费结构,而且氢能配合燃料电池技术,有助于大幅度降低交通领域的石油与天然气等能源消费量,降低石油等化石能源的对外依存度,从根本上解决中国能源供应不足的问题,提升我国能源安全水平。加快发展氢能产业,是应对全球气候变化、保障国家能源供应安全、推动高质量发展的必然要求,也是山西推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效能源体系的必由之路。

二、氢能利用现状及展望

不论是从资源储量,还是从环境友好的角度考虑,全球发达国家都十分重视氢能的发展。截至 2018 年底,全球加氢站数目达到369座。分地区来看:欧洲152座,亚洲 136 座,北美 78 座。分国家来

看:日本、德国和美国位居前三位,中国排名第四。全球拥有10座加氢站以上的国家分别是日本(96 座)、德国(60座)、美国(42 座)、中国(23 座)、法国(19座)、英国(17座)、韩国(14座)、丹麦(11座)。日本、德国和美国加氢站共有 198 座,占全球总数的 54%,显示出三国在氢能与燃料电池技术领域的快速发展及绝对领先地位。

11. 国外氢能发展现状及分析

(1) 日本氢能发展现状

由于资源的限制,日本是氢能发展和推广力度最大的国家。日本政府为推动氢能的发展,上世纪就启动实施了一系列政府专项计划和补贴政策予以支持,并投入大量资金致力于氢能相关技术的研究和开发。早在 1993 年,日本政府便在氢能源研究计划方面投资了近2亿美元。本世纪初,日本在国家层面就发布了氢能技术发展的纲要,分阶段确定了实施目标:计划2020年建成160座,2025年建成320座,2030年投入加氢站900座;2025年燃料电池乘用车保有量达到20万辆,2030年达到 80 万辆,2040 年实现普及。2014 年,日本在战略层面提出了《第四次能源基本计划》和《氢能与燃料电池战略路线图》。

目前,日本在氢能利用和专利拥有数方面居全球第一,而且已经实现了燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广。2014 年丰田 Mirai 燃料电池车开始量产,目前已累计销售约 7000 辆,占到全球氢能用车的 70% 以上。2017 年日本在神户港口建成1兆瓦燃气轮机,是世界上首个在城市使用的氢热电联产系统。

(2) 欧洲氢能发展现状

欧盟各国也很早就开始了有关氢能的研究,并将氢能作为能源转型和能源安全的重要保障。欧盟先后成立了“氢燃料和燃料电池技术科研小组”“欧洲研究区(ERA)”“欧洲氢能和燃料电池技术平台(EHFCP)”,并提出了“欧洲清洁城市运输项目计划(CUTE)”。2019年,欧洲燃料电池和氢能事业联合组织(FCH-JU)发布了“欧洲氢能路线图”,提出了面向2030、2050年的氢能发展路线图:到 2030 年欧盟加氢站将达到 1500 座,拥有 370 万辆燃料电池乘用车和 50 万辆燃料电池轻型商用车,此外约有 4. 5 万辆卡车和公共汽车由燃料电池驱动,将有约570 辆燃料电池列车替代柴油列车,到 2030 年氢气将取代约7% 的天然气供应,到 2040 年达到 32%。根据预测,到 2030年,部署氢能将为欧盟创造 1300 亿欧元的产业,出口潜力将达到 700 亿欧元,净出口额将达 500 亿欧元,氢能产业将为欧洲创造约100万个就业岗位。到2050年,欧盟氢能产业将达到8200 亿欧元,提供 540 万个就业岗位,氢能将减少欧盟约 5. 6亿吨碳排放。

(3) 美国氢能发展现状

美国高度重视氢能的发展,是最早把氢能列为能源战略的国家之一。早在上世纪七十年代就提出了“氢经济”的概念,美国政府先后出台发布了《1990年氢研究、开发及示范法案》、《全面能源战略》《国家能源政策》《国家氢能发展路线图》《氢、燃料电池及基础设施技术开发计划》《自由车技术开发计划》《氢经济国际伙伴计划》《氢能技术研究、开发与示范行动计划》《全面能源战略》,规划了氢能的发展战略及技术路线。2018年,特朗普政府宣布每年的10月8号为氢能与燃料电池的美国国家纪念日。目前,美国在氢能领域的专利数全球排名第二,仅次于日本。美国液氢产能和氢燃料电池乘用车保有量全球排名第一。拥有超过23000台的燃料电池动力叉车和全球最大的燃料电池叉车企业 Plug Power,总加氢操作次数超过 600多万次。截止 2018 年底,在营业的美国加氢站 42 座,计划

2020年建成75座,2025年达到200座。2019年3月,Plug Pow‐er 公司宣布推出新的 30 千瓦氢燃料电池发动机。美国计划在2030-2040年将全面实现氢能源经济。

(4) 韩国氢能发展现状

2008年以来,韩国政府持续加大对氢能技术的研发和产业化推广,先后投入 3500 亿韩元实施“低碳绿色增长战略”和“绿色氢城市示范”等项目,持续推进氢能技术研发。2018年韩国政府将氢能产业定位为三大战略投资领域之一,并在2019年初正式发布《氢能经济发展路线图》,提出在2030年进入氢能社会,并在未来 5 年投资 2. 6 万亿韩元,把氢能经济打造成拉动创新增长的重要动力,引领全球氢能产业发展。截至2018年底,韩国在营业加氢站14座,计划2020年建成80座,2025年达到210座,2030年达到520座。

2.2. 我国氢能与燃料电池发展现状

在国家政策的大力支持下,我国已经发展了一批拥有核心技术的燃料电池和燃料电池汽车生产企业,并且企业开始布局燃料电池零部件、制氢、储运、加氢站等产业链各个环节。制氢方面,我国拥有非常庞大的副产氢气资源,在制氢总规模、产量、氢气提纯、液态储氢方面处于世界领先地位。储运方面,目前车载储氢罐技术主要掌握在日本和美国企业手中,我国在70Mpa车用高压缠绕氢气瓶方面也取得了突破。燃料电池方面,近两年投资热度升温,2017年氢燃料电池投资项目就达1000多亿。在燃料电池汽车方面,我国发展的重点与国外有所不同,主要集中在商用车领域,目前已经实现量产。相对商用车而言,我国在氢燃料电池乘用车方面技术较为薄弱,目前还处在示范阶段。2017年上汽集团首款商业化燃料电池轻型客车(大通V80)成功发布,目前已累计示范运行80多辆。预计随着技术和相关基础设施的不断完善,未来5年内中国氢燃料汽车销量将可达到3万辆,相关产业年产值将超过千亿元。在氢能和燃料电池发展方面,我国一直紧随世界发达国家的脚步,在能源战略层面提出了《中国制造2025》和《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,在发展路线层面发布了《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》等文件。2019年,我国第一次将氢能相关内容纳入《政府工作报告》。预计到本世纪中叶,氢能在中国能源体系中约占到10%,年产值超过10万亿元,全国加氢站达到1万座以上,交通运输及工业等领域实现氢能普及应用。

三、制氢途径及经济性分析

据统计数据显示,全球制氢能力约保持在 3400 吨/天,其中中国的制氢能力保持在 1320 吨/天以上。制备氢气的方法目前较为成熟,可从多种途径可以制备氢气,每种技术的成本及环保属性都不相同。根据制氢的原料来源不同,其制备方法可以分为非再生和可再生制氢,前者的原料是化石燃料,后者的原料是水或可再生物质。从全球来看,目前主要的制氢原料96% 以上来源于传统能源的化学重整(48% 来自天然气重整、30% 来自醇类重整、18% 来自焦炉煤气),4% 左右来源于电解水。

目前,中国氢的制取主要有以下三种:

一是以煤炭和天然气重整制氢;二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢等工业副产气制氢;三是水电解制氢,约占 3%。

生物质直接制氢及太阳能光催化水解制氢等技术路线仍处在实验和开发阶段,产收率有待进一步提高,尚未达到工业规模制氢要求。

煤制氢最主要的消耗原料是煤,约占制氢总成本的 50%。以成熟的煤气化技术为例,在原料煤 600 元/吨的价格情况下,制取氢气的成本约为0. 75元/Nm3。石油和天然气蒸汽重整制氢技术也比较成熟,是国外主流的制氢方式。该技术的成本主要由天然气的价格决定,制氢成本约为0. 8-1. 5元/Nm3。

工业副产氢气主要分布在钢铁、化工等行业,提纯利用其中的氢气,既能提高资源利用效率和经济效益,又可降低大气污染,改善环境。中国烧碱年产量基本在 3000-3500 万吨之间,副产氢气 75-87 万吨,除了被用于配套合成化工产品外,约剩余28-34万吨。中国年产甲醇8350万吨,甲醇驰放气约有上亿立方,含氢气数10亿m3;合成氨年产约1. 5亿吨,产生驰放气约 300 亿 m3,可回收氢气约 100 万吨。目前工业副产氢气的提纯成本在 0. 03-0. 05 元/Nm3,综合制氢成本约为 0. 83-1. 33元/Nm3。工业副产提纯制氢可提供百万吨级氢气供应,能为氢能产业发展初期就近提供低成本、分布式氢源。

电解水技术设备需求少,所得产品纯度高,技术成熟,操作简单,适用范围广;缺点是成本高、耗电量大。目前商用电解槽法的能耗水平约为 4. 5~5. 5kwh/Nm3H2,成本为 3-4 元/Nm3,同时按照中国当前电力的平均碳强度计算,电解水制氢碳排放约为 36 千克/千克氢,是化石能源重整制氢单位碳排放的3-4倍。但在应用水力、潮汐、风能的情况下能量转化率高达 70% 以上,因此在未来与可再生能源发电紧密结合的条件下,水电解法制氢将成为氢气来源的主要路线之一。

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氢能比其他能源具有比较优势,但广泛应用还受制于其经济性的约束,氢的交货成本远大于等能量汽、柴油成本。构成氢气价格的因素主要由制氢成本与储运氢气成本两部分构成,其中氢气制造占70%。因此合理选择制氢路线,降低氢气制造成本尤为重要。

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四、山西发展氢能产业的有利条件

1. 山西风电山西风电、水电、光电发展氢储能的优势山西省位于中国华北,地势呈东北斜向西南的平行四边形,是典型的为黄土覆盖的山地高原,起伏不平、河谷纵横,地跨黄河、汾河两大水系,有丰富的风、水、光等可再生能源。但风电、水电、光伏依靠天然条件发电而不能长时间持续、稳定输出电能,其自身的波动性和间接性等特点造成弃风电、弃水电和弃光电较为严重。据统计,2017年山西可利用水电资源约244. 21万KW,年发电量达到42. 11亿KW · h;可利用风能约 871. 63 万 KW,年发电量达到 164. 92 亿 KW · h;可利用太阳能发电约 590. 38 万 KW,年发电量达到 55. 51亿KW · h。但水电由于丰水季和调峰需要,产生了大量的弃水电能;风、光电由于其不稳定的特性,较难上网,也产生了大量的弃风、弃光电能。2017年,山西省累计弃风电量达10. 97亿KW · h,弃光电量 0. 43 亿 KW · h,电解水制氢,每标准立方耗电 5KW · h 左右,弃风、弃光电量就可用于电解水制氢约 2万吨。如果将这部分能源充分利用起来,产生的经济效益十分可观。因此,山西可以借鉴欧洲、美国和日本等地区经验,充分依托自身在可持续能源方面的优势发展氢储能产业。

22. 山西利用焦炉煤气发展氢能产业的优势

焦化行业多年来一直是山西经济发展的支柱产业之一,对山西的经济发展具有举足轻重的作用。每吨焦炭可产生焦炉煤气约350-450m3,焦炉煤气中氢占到54%-59%。除用于回炉助燃、城市煤气、发电和化工生产外,剩余的可用于制取高纯氢,因此焦炉煤气是一种大吨位氢能原料。

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2018 年山西省焦炭产量达 9214 万吨,产生焦炉富余煤气约184亿m3,这为山西省发展氢能源战略提供了重要原料基础。从焦炉煤气中提取氢气技术成熟,目前主要是采用负压吸附(PSA),其原理是利用吸附剂对气体的吸附有选择性,而不同的气体在吸附剂上吸附量有差异,和一种特定气体随着压力变化而变化的特性,实现混合气体的分离和吸附剂的再生,通过对焦炉煤气变压吸附,可获得纯度为99. 99%的氢气。

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若对山西富余焦炉煤气提氢可建千万吨级氢能基地。同时,山西也具备一定的可燃气体管网运输优势,山西天然气股份有限公司已经建成省级天然气 7 条,1300 多千米的长输管线,具备34亿m3的输气能力。这些管道不仅适合输送天然气,而且可以用来输送氢气和天然气的混合气,可基本解决一定时期在山西范围内气体能源的输运问题。我国预计到 2020 年建设加氢站 100 座,到 2030 年建设达到 1000 座。加氢站建设山西各地已有规划与布局,2019年,国内首座日供氢量500公斤制氢加氢一体站在山西省大同市落地。氢能的储运在山西已有一定的基础,如果将山西焦炉煤气有效利用与氢能源发展有机结合起来,必会创造巨大的经济效益和社会效益。

3. 山西发展制氢西发展制氢、储氢和用氢设备的优势

氢气虽然广泛存在,但是在合适的成本下以安全工艺将氢气提取、储运及应用并不容易,制氢、储氢和用氢的关键装备技术亟待突破。从氢气售价组成来看,氢气储运成本占总成本的 20-30%,由于氢气产地与消费地存在差异,选择合适的氢源,提高储运装备的国产化水平、降低运营成本是提高效益的最好选择。山西装备制造业历史悠久,具有较强的机械加工能力,已形成金属制品业、通用设备制造业、专业设备制造业、交通运输装备制造业、电器装备制造业、电子及通讯装备制造业等门类较全的产业体系。装备制造业可为山西的制氢、储氢以及运输及利用提供强有力的支撑。压缩机、加氢机、高压储槽储罐等高精尖设备可依托太重集团、汾西重工和晋西集团等企业,采用引进技术和自主创新相结合的方式,围绕制氢、储氢和用氢等环节发展氢能装备制造业,这将形成山西省新的产业升级增长点。

五、发展氢能需注意的几个问题

1. 尽快制定氢能产业发展规划及配套政策

为了保证氢能产业健康发展,需对标准体系、法律法规以及示范运营区域进行统一规划,加强顶层设计,明确氢能发展路线图,建立健全长效的产业发展扶持和激励政策,制定产业政策,抢占氢能产业发展高地,打造氢能产业先发区域。

2. 完善技术标准体系和管理体系

为加快健全完善中国氢能标准体系,应重视氢能产业通用标准建设,加快建立系统全面的标准、计量、检测、认证,以及产品售后服务保障标准体系,破除制约氢能产业化发展的标准检测障碍和市场准入壁垒,打通交通、工业多场景应用标准。坚持安全发展理念,强化政府监管,加强标准制定过程中的产学研用衔接以及跨领域标准制定机构的协同,形成一体化的标准制定模式。完善氢能产业链的技术和检测标准,构建符合中国氢能技术发展趋势的氢能技术标准体系,提升中国氢能技术标准体系的影响力。

3. 加大产学研投入与人才培养

近年来,随着国家和各地政府的政策支持以及资金投入,我国在氢能装备关键零部件和技术开发方面有所突破。但与美国、日本和欧盟等主要发达国家相比,我国在氢能各个相关领域的技术相对落后。氢能产业链长、技术含量高,有必要系统梳理我国氢能在基础研究、核心材料和零部件的研发创新方面的短板,加大投入、超前部署、提升核心技术和系统集成能力,确保核心技术自主可控。探索氢能与交通、信息通信等深度融合发展的新模式,打造经济社会发展的新动能。

氢能的发展离不开产学研投入和人才培养。强化产学研协同合作,结合各方优势,最大化地实现资源价值,打造自主化产业生态。与此同时,加强氢能自主技术、产品和模式等领域的知识产权管理与保护,提升我国企业、高校参与国际市场竞争的强度,积极抢占科技制高点。加大全球氢能高端人才引进和国内相关学科人才储备,聚焦“卡脖子”问题,实现从“跟跑”“并跑”到“领跑”的跨越。

4. 尊重科学规律尊重科学规律,先试点、示范、再推广,切忌一哄而上

氢能是能源技术革命的重要方向,是保障我国能源安全和经济高质量发展的重要方向。氢能产业涉及多个领域,氢能产业的发展不仅可以促进传统化石能源的升级转型,而且可以促进能源、材料、装备制造等多个产业链的发展,因此当前不少地区已开始启动了氢能产业园的建设。但由于氢能是新兴产业,其不仅需要具有一定的资源优势,还需要一定的产业基础和较高的技术基础。因此亟需加强氢能产业顶层设计,引导氢能产业科学发展,防范盲目扩张、技术空心化、产业无序竞争和产能过剩风险。通过具备一定条件的地区和企业先行先试,推动产业合理布局。在此基础上,发挥重大示范项目引领和带

动作用,支持氢能产业高质量发展,避免产业盲目跟进和低水平重复建设。

氢能作为一种清洁、低碳、应用广泛的二次能源,是传统化石能源高效清洁利用和大规模可再生能源发展的桥梁,也是实现各行业能源利用领域深度脱碳的最佳替代物。山西省作为全国重要的能源基地,具有发展氢能打造全国能源革命排头兵的基础和条件;同时由于长期以来山西传统能源的高强度、粗放式、大规模的资源开采和利用,累积的诸多矛盾需要通过能源革命,尤其是氢能的开发利用,逐步消纳解决。山西作为国家资源型经济转型综合配套改革试验区,在加快氢能产业的快速发展中具有重要地位和典型示范作用,发展氢能产业正当其时。我们要紧紧抓住山西开展能源革命综合改革试点契机,深入学习贯彻“十九大”和习近平总书记视察山西时关于“争当全国能源革命排头兵”的重要指示精神,加快氢能及其相关产业的发展。

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