中国能建广东电力设计院王小博：氢能燃料电池在综合能源系统中的应用和分析

助推综合能源产融协同发展，完善综合能源产业链合作、实现综合能源产业腾飞，推动综合能源产业创新发展。国网电子商务有限公司（国网雄安金融科技集团）、国网江苏省电力有限公司联合北极星电力网于2019年4月18日在无锡召开中国综合能源服务产业创新发展大会。中国能建广东省电力设计院氢能技术中心王小博作题为《氢能燃料电池在综合能源系统中的应用和分析》的演讲。从氢能制备，储、运、配送，燃料电池的组件和应用等几个方面介绍氢能产业。北极星电力网、电力头条APP对大会进行全程直播。如需北极星电力网直播会议，请联系微信号：13146670735。

直播地址：2019中国综合能源服务产业创新发展大会

“以下为会议实录：”

氢能燃料电池在综合能源系统中的应用和分析

王小博 中国能建广东省电力设计院氢能技术中心

谢谢大家，今天很荣幸能到综合能源大会，和大家讨论一下氢能燃料电池与综合能源的结合。我简单说一下氢能燃料电池这个产业链非常长，和综合能源有一些特殊的结合点，今天时间有限，结合相关的时间点和大家交流汇报一下。

先从今天的题目看一下，这个“原”不是传统意义上能源的“源”，这里指的是原料，这个体现出氢能一个特性，它的原料特性，和综合能源有很强的结合点。

这个是美国能源部15年前关于氢能燃料电池产业链简单的划分，首先是天然气和氢气网络，我们现在叫HCNG，把氢气添加到天然气管网中进行运输。后面是最火的，因为国内现在燃料电池产业还主要是工信部在牵头，这也是当前最火的燃料电池汽车的产业。后面大家可以看到二氧化碳制氢合成油，这个我们认为是一个很大的爆发点，不仅制油，制甲醇、甲酸，都有。

下面可以看到炼油和生物质，主要说一下炼油，本来氢和化工、石化产业的结合非常紧密，举一个很简单的例子国五升国六就是油品中氢的含量提高的国家，就带来了炼化产业对于氢气和氢能大量新的需求。国内现在不让上煤制氢装置，这样新的氢需求从哪里来建立？等会儿我们可以看到。

这个是液氨，这个是非常基础的化学品，氨气和氢气是液氨最基础的原料。还有我们后面说的氢能冶金和其他产业。

这里面体现出氢能什么特点？它既是能量，也是原料，这和其他的能源载体非常不同的一个地方。这是整个氢能燃料电池的产业链，这个产业链非常长，我说一下和今天主题相关的内容。

第一个我们看下面四个大标题，是从氢能制备，储、运、配送，燃料电池的组件和应用。这个是我们给一家央企做企业级的氢能产业规划的一张度。

今天我们说的是工业副产氢，能把工业副产氢都用上，不用上很多的制氢装置。比如说看到氯碱，尤其是焦炉尾气，全球钢铁看中国，中国钢铁看河北，中国一年有1800亿方的胶乳尾气，原来都是当做余热锅炉烧掉了，如果能够提取带来作用非常好。

甲醇和合醇氨的其中氢气的含量，包括甲烷含量非常高。化石燃料制氢，我们不是很推荐，因为氢能本身就是低碳，你用化石燃料制氢的话，总觉得这一条从产业链或者是排放角度来讲说不太过去。

可再生能源结合，这个很直观，很简单。只不过对应的电解水制氢方式现在有变化，现在有了质子交换膜的电解。

储氢方式今天就不展开了，燃料电池也不展开，后面看一下第一个化工结合，氢气本身还是合醇氨和甲醇和石油炼化的原料。我们看最右边的一栏，同时他可以发电，无论是家庭用还是分布式发电，家庭用现在日本做得比较成熟了，日本也有近10万台的销量。家用从700瓦到3000瓦都有，后面还有一些特殊的应用，大家可以看到氢气储能的分很多种。

第一代就是电解水制氢，非常直观。

第二代就是氢气的甲烷化，二氧化碳+氢是甲烷。后面还可以看到，我们这里有一个质子交换膜的电解，这个是在特定场景的综合能源系统可以看到，只有质子交换膜电解出来的氧气，因为有氢就有氧，可以达到一用氧的标准。一用氧在国内还是很有经济价值，正常的3-4块一方。后面特殊应用，今天时间原因不展开了。

这个是BP关于全球能量循环图，大家还是可以看到无论是中间怎么转化，很清楚一点就是氢和燃料电池整个产业首先不是一次能源，都是从其他能源转过来，唯一区别就是如果把副产氢算上，大家可以看到最右边工业和石化产品中，我的副产品回到源头作为一次能源。

氢气本身不是以一次能源形式存在的，像中国大量的从煤炭，我们现在鼓励火电厂很少上。但是我不知道有没有发现从2018年底开始，煤化工项目上得非常多，也就是我们所对应固体燃料转化。这个跟中美贸易战有关系，因为中国的乙二醇不能国产，第二个跟煤炭高效利用有关系。

这个是日本去年发布的，因为我们现在做大湾区的能源规划，所以对标研究日本韩国、包括加州能源规划。那么日本能源规划中其中很多点跟综合能源非常相关，这是日本的氢能社会，包括整体很多就是脱碳。最右边大家可以看到是日本未来关于能源中占比，可以看到绿色是氢能，从石油到煤，包括LNG。LNG的量会保持一个相对的稳定，尤其是我们化石能源大幅降低。

最下面一张图是关于各个行业二氧化碳排放，这是REA的数据，其中我们的电和热对应就是综合能源产业占到了42%的二氧化碳排放量，后续我们看到国家政策就能够理解。

这个是广东省能源局委托我们院开展大湾区能源规划的工作，其中和现在整体思路完全一致，不仅是国内、国外包括综合能源，包括是大湾区能源规划，大家在很多点其实走到一起。大湾区当时的能源规划就一共8个字，清洁低碳，安全高效。清洁低碳的本质还是脱碳化。而安全高效指的是综合能源化，因为有了综合能源能源供给安全性和保障性提高了，第二个综合能源肯定是高于单一能源供给系统，他有他的高效。

从国际上来讲，从广东省来讲增长天然气业务和综合能源业务。后面从国际上的公司带来的综合能源化业务拓展之外，大家从公司名字也能看得非常清楚。大家可以看到把所有和煤、碳、油相关所有资源全部从公司的名字中去掉。中国媒体的报道有的放矢的，远远高于我们所能感受到的趋势。

但是国家也在在行动，也就是这个月2019年4月3日，原来是放在发改委，现在是国家部委改革之后，生态环境司划到了生态环境部，《碳排放交易管理暂行条例》。所以说这块的政策启动会很快，现在征求意见稿的阶段。

未来的政策启动会非常快，又联系到电和热，占到了42%的碳排放，所以未来这块对于我们综合能源系统或者对于我们整个能源系统的技术路线选择会产生比较大的影响。我说一下氢能，氢能特性比较特殊，那么他是可以在热网、电网和我们天然气管网中来回转换的，他有他非常独特的化学性质和物理性质，这是REA的一张图，氢能可以把这些东西都串起来，这是一个唯一都能转起来的物质。

从最下面的氢能源网也是可以看到的，说到氢能就必须要谈到燃料电池，从燃料电池来讲，我们现在比较推荐的是熔融碳酸盐、固态氧化物纸盒质子交换膜这三种，相关的应用后面会简单提到。

燃料电池从10瓦到兆瓦级都有，们在做的时候都有在布局，小的，尤其是像100瓦以下很多，我们也做一些跟军方相关的单兵电源，兆瓦级是我们更喜欢的，到了分布式发电。

我们刚才说到了很多副产氢，现在就有一个氯碱，2017年在国内最大的氯碱厂就很小一部分的氯碱尾气就已经建了一个2兆瓦的质子交换膜的分布式发电。因为它是副产氢，这个氢气可以按照非常低的价格来，所以这个项目的收益是非常好的，而且这将是中国和欧盟的合作项目。

第二个就到了石化行业，在每一步炼化过程中都有很多含氢的尾气出来，但是因为膜工艺的不成熟，大家可以看到20-25%含量的尾气都只能去烧掉。大家看到大量石化厂主要就是烧这个，60以上的含氢尾气，推动我们的吸附过程可以回收的，但是20-25的很难，现在进行了回收两个作用。要么自己再去用，因为现在就需要多的氢，如果用不了就可以和未来燃料电池汽车各方面都可以产生一个结合，带来很多氢气的来源。

这是一个更广意义上的综合能源系统，可以看到这个是大连石化用的，我们在广通院在二氧化碳捕捉上大连理工有合作，大连理工还获得了国家科技进步二等奖，就是今年在1月份也做了颁奖，尤其是国产技术，比对应的进口技术有了很大的优势。

最右边是我们做的二氧化碳捕捉，也是用了膜法，唯一的区别就在于分子量的大小，氢气的分子量非常小，二氧化碳分子量非常大，所以选择的膜种类是不一样的。能源行业和气体分离行业的结合，将会产生非常惊人的市场规模和环保效益。

这是我们做的二氧化碳捕捉项目，这个项目已经开始调试了，这个是大概的原理图，为什么我们说二氧化碳？因为前面美国能源部那个图已经看到了二氧化碳加氢可以制很多东西。

二氧化碳本身还要低碳排放，你还能把它用掉，产生的经济效益是双倍的，这个是焦炉煤气，大家可以看到，中国一年又1850亿立方的焦炉煤气。当然，以后肯定会逐步下降，随着中国不断地压钢铁的产能，从环保的角度。但是这个量级是永远存在的，大家可以看到五焦炉煤气中的主要含量是什么？55%的氢气，23%的甲烷，5%的一氧化碳，这三个加起来都可以作为SOFC和MCFC的燃料。质子交换膜不可以，因为一氧化碳会毒素催化剂，但是高温燃料电池是没有问题的。

这是20年前美国能源部氢能技术总监做的一张图，说了不同燃料电池对于燃料的需求，SOFC和MCFC这两种高污染燃料电池是唯一一个有着极强燃料适应性。大家可以看他用氢气最好，也可以用甲醇、天然气和液体燃料都可以。因为，现在有大量的生物质乙醇，这个可以直接用的。

SOFC我们认为未来它可以直接用天然气，而且跟质子交换末燃料电池不一样，不使用贵金属，随着产能大规模生产，成本是可以与燃气轮机持平的，而它比燃气轮机优势非常明显，他是电化学反应，他又没有任何氮氧化物的排放，量还是很大，虽然没有二氧化硫但是氮氧化物的配方是非常高的。

这个是我们之前给各级政府部门汇报的时候关于SOFC成本的下降，这个还是基于1.5千瓦家用型的，如果基于60-80千瓦的分布式发电这个价格可以更低，我们是希望快速劲到8000块钱每千瓦的成本。

这是在美国SOFC应用状况，去年是全球第一的SOFC供应商，去年是在纽交所上市了。这里大家可以看到，在2015年第一季度就以前卖出了15兆瓦的SOFC。现在已经超过1000兆瓦了，很遗憾设备对中国是禁售的，我们也在想自己开发这一块。

当然，（英文）核心供应商在中国，这也是我们能够把这个工作往下走的底气。我们做了一个比较，像焦炉煤气，右边是回到余热锅炉中烧掉的产生的电量，橘黄色的是在SOFC中发电同样体积，同样容量带来的区别。SOFC因为运行温度到了750度，有非常好的热电联产的效应。

在美国大家可以看到，无论是苹果、Google都是用的SOFC作为数据中心的主电，这个尤其强调一下，说明什么？说明可靠性非常可靠非常高。

另外一个国家现在做的重大专项就是IGFC煤气化结合燃料电池，这里带来一个什么呢？因为煤气化需要纯氧的，核心就是SOFC。IGCC在中国也上了，但是否成功我们不加评论，IGFC会有更好的发展潜力。

这是我们做的国内首个同时有质子交换膜和SOFC的分布式微网的项目，简单的一套微网有光伏，有储能电池。广东现在在申请一个政策就是电解水制氢，夜间可以享受冰蓄冷的电价，就是谷电的一半。这个效益是非常明显的，这里面有了SOFC和质子交换膜。

这是另外一个基于楼宇级别，大家看到固体氧化物最大的好处有高温蒸气出来，他有非常好品质的热，后续可以跟各类，无论是热泵来制冷和后面整个热和冷结合非常明显。为什么数据中心喜欢用他？有热就有冷，因为数据中心对冷的需求量非常大。

这是欧盟的示范单位项目，是在意大利2016年投产的，他用另外一个思路国内很有参考的价值，他是用的污水处理厂的污泥液氧发酵产生的生物制甲烷，对我们来说其实天然气就是甲烷，这个作为SOFC发电原料，这个是另外一个意义上综合能源系统了。

你这个原料来源多样化，尤其是生物制结合，国家现在上这么多生物制耦合发电，生物制耦合产生合成气，一氧化碳和氢气你回到燃煤锅炉所产生的效益是远远低于进SOFC的效益，也就是说SOFC跟生物制耦合提出新的解决方案，或者说更加高效解决方案。

这是我们做另外一个项目，这个项目是很强科技示范意义，因为用了非常新的技术。第一SOEC，我这里强调一下为什么用到SOEC，因为用热是SOFC逆过程。所以后面会综合能源系统中，大家一般都是热负荷确定是最难的。热过了怎么办？不管是用电锅炉能蓄热非常有限，这个时候如果系统热负荷不匹配，尤其多余的时候你可以通过SOEC来制氢，其实通过辅助系统的设计把电和热的配比可以进行调节的。我多余的热可以用来制氢，这是非常灵活的地方。就是说他可以消纳多余的热负荷，之前我们更多考虑怎么消纳多余的电负荷。

这里除了储氢装置直接作为一个加氢站的氢源了，因为现在主要还是在公交车，这里面有LOG，LOG气化站的选址如果能够和数据中心，有强烈冷负荷的需求结合起来产生效益非常好。他有负的173度的生冷，在气化过程中这些生冷很多时候被浪费掉，如果和数据中心制冷需求相结合会带来效益是非常可观。

这是说了一下MCFC，本身高温燃料电池，他融了碳酸盐，但是为什么现在会来这么好的效益？只是中光和在韩国购买了16兆瓦的MCFC的电站，效益非常好。

首先本身在韩国作为低碳发电，本身有补贴。他本身自己利用火电厂尾气进来，15%的二氧化碳进来，在碳酸跟迁移出来是83%的二氧化碳，等于说他又消纳了火电厂的二氧化碳，他再收一笔补贴，这个效益非常好的项目。

SOEC是SOFC逆过程，因为大家看到操作温度到了900度了，这是唯一一个当前有可能电解海水制氢的装置，这个现在海上风电产业的结合。

第二，锂电池，尤其是军方的需求。大家另外还想，我制出了氢气，氢气通过燃料电池发电是不是产生的水？那我在储能的同时其实实现了海水淡化，我不需要再给锂电电源再新建海水淡化装置了。

现在唯一缺陷做的只能做到千瓦级，我们希望尽快推动商业化，我们自己正在做1000瓦的样机。

SOCE除了制氢还可以利用热和电将二氧化碳转化为合成气，合成气就是一氧化碳和氢气，这是化工中最基本的原料。那么和化工产业结合点是非常好的，所以其实之前跟能源局领导汇报的时候，电力+化工有了新务工。综合能源系统我们不一定要仅仅要局限于能源行业中，不同发电技术的整合。还要和其他用户端、化工行业整合，这是中国最大的两个技术行业。这两个之间原料从哪里来？化工需要是原料，你通过电力、通过热可以产生很多原料，这个结合点来惊人的经济效益。

荷兰已经上了海上风电制氢，就是直接电解海水。荷兰为什么上呢？红色的是把电运会岸，在岸上制氢。蓝色是把氢在线制完，用通过海底管道送回。为什么荷兰要做？因为全球第二大的石油公司壳牌就在荷兰，他在鹿特丹的石油厂一样面临O5L、O6油品升级的要求，这就是一个新的结合点，大家可以看到。海上风电制氢，如果离线制氢，或者是离岸制氢带来优势是什么？我就直接省掉了海上升压站和海底电缆，这个占到了海上风电将近35%左右的造价，带来的电转化效率会带来很多的影响，通过SOCE电解海水，时间有限我就快一点了。

另外说一点制氢产生的氧气去呢？刚才我们说的煤化工需要纯氧，这时候就供给煤化工，煤化工用的纯氧装置占到了煤化工装置能耗的接近40%。

这个就是二氧化碳+氢制甲烷打造天然气管网，大家可以看一下。

这个是国家已经有规范的，这是日本出现了基于氢气的燃气轮机，这是军队的项目我就不展开了。这是我们军方做的国家重点研发计划，这也是一个综合能源系统，从折叠式的光伏，到压缩式的燃料电池的制氢，储氢、蓄电池所有在一起，他要做到直升机可投放。

谢谢大家，不好意思耽误时间了。

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