氢能产业技术进展及前景.docx

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1、氢能产业技术进展及前景近年来，全球各地极端天气频发，为了实现到21世纪末控制全球升温在2以内的目标，世界各国正全方位努力推动能源体系向化石能源低碳化、无碳化发展。尤其是在当前全球地缘政治复杂和局部地区爆发冲突的背景下，将重塑全球传统化石能源与新能源的生产与消费版图，传统煤炭与油气能源消费占比可能有所回升,新能源时代将提速加快到来。各国将重新认识能源安全的极端重要性，能源生产与消费的被重视程度将提升到前所未有的高度并重新布局，新能源技术革命与产业化将备受重视并进一步提速发展。氢气能源（以下简称氢能）作为一种可再生的、清洁高效的二次能源，具有资源丰富、来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样

2、、可作为储能介质及安全性好等诸多优点，是实现能源转型与碳中和的重要能源。氢能技术不断成熟，逐渐走向产业化,同时伴随着世界面对气候变化和自然灾害加剧的压力持续增大，氢能得到了世界各国的重点关注，已成为许多国家能源转型的战略选择。据国际能源署（IEA）GlobalHydrogenReview2021报告和中国氢能产业发展中长期规划（20212035年）的数据，全球年产氢气9000万t左右，其中我国氢气的年产量为3300万t（达到工业氢气质量标准的约1200万t）。据H2Stations对全球加氢站的统计报告，2021年全球新增加氢站142座，累计达到685座，其中亚洲保有量居第一，共有363座且集

3、中在中日韩三国；欧洲共有228座且集中在德国、法国、英国、瑞士和荷兰。全球已经有超过20个国家或联盟发布或制定了国家氢能战略，美国很早就看好氢能在未来能源系统中所具有的得天独厚的地位和优势,积极抢占氢能产业链的市场空间和各技术环节的制高点。欧盟早期通过清洁能源立法，支持氢能发展与燃料电池。日本政府早在2017年就提出了“要领先全球，实现氢能社会”的战略，并出台了氢能源基本战略。中国在2020年将氢能纳入“十四五”规划及2035愿景，助力我国“碳达峰、碳中和”战略目标（以下简称“双碳”目标）的实现。尤其是，我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源资源，已建成的可再生能源装机容量位

4、居全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有很大的潜力。在今年北京成功举办的第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称北京冬奥会）上，我国秉承绿色办奥理念，将绿色氢气作为火炬燃料，让世界看到了中国兑现减排承诺的诚意与努力。当前，我国已开启氢能产业顶层设计，地方政府与企业积极参与氢能布局，氢能技术链逐步齐全完善，氢能产业链也正在逐渐形成，“氢能中国”战略已悄然浮现。为了给氢能相关产业加快发展和能源公司加速转型提供理论支持，并为构建“氢能中国”提供依据和参考，阐述了氢产业链中制备、储运、应用等重点环节主要关键技术进展，分析了氢能工业化现状与发展趋势，探讨了氢工业发展所面临的挑战，展望了氢能产业的发展与未来，以

5、期加速未来全球碳中和目标的实现。1、氢能制备氢能产业链分为制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节。其中,制氢技术包括化石能源制氢、电解水制氢、工业副产氢和可再生能源制氢，以下分述之。1. K化石能源制氢化石能源制氢是指利用煤炭、石油和天然气等化石燃料，通过化学热解或者气化生成氢气。化石能源制氢技术路线成熟，成本相对低廉，是目前氢气最主要的来源方式，但在氢气生产过程中也会产生并排放大量的二氧化碳。因此所制得的氢气产品被称为“灰氢”。借助于碳捕集与封存技术（CCS）,可以有效降低该制氢方式的碳排放量，将“灰氢”转变为“蓝氢”，以实现未来能源的可持续发展。预计在未来相当长一段时间内，化石能源制氢仍然将是

6、氢气的最主要来源方式。I .1.1甲烷制氢甲烷（CH4）作为天然气的主要成分，在所有碳氢化合物中具有最高的氢元素占比。因此以天然气为原料的甲烷制氢方法具有高制氢效率、最低的碳排放量、适用于大规模工业产氢等优点。甲烷制氢技术主要包括蒸汽重整法（SRM）、部分氧化法（POM）、自热重整法（MATR）、催化裂解法（MCD）。目前主要的甲烷制氢技术路线及其优缺点对比如表1所示。从表1可以看出：SRM是在750920高温和3.5MPa高压条件下，使用NiA1203催化剂，将甲烷和蒸汽催化转化为氢气和碳氧化物2,该工艺主要包括重整气或合成气的生成，水煤气变换(WGS)和气体净化等主要步骤，技术成熟；POM

7、是将蒸汽、氧气和甲烷转化为氢气和碳氧化物，根据与氧气或蒸汽的反应分为催化与非催化重整，在催化过程中，热量由受控燃烧提供，甲烷的热效率通常介于60%-75%;MATR是将放热的POM反应与吸热的SRM反应联用，通过反应体系自供热来增加氢气产量,降低成本;在MCD反应中，氢气的唯一来源便是甲烷本身，无需另外引入蒸汽和氧气，不会产生碳排放量且能耗更低。综上可知，以SRM为基础，协同发展POMMATR和MCD,借助于高活性催化剂研发、反应装置改进等方面的技术突破，体现效率与经济性的综合优势，是甲烷制氢技术发展的趋势。)i法嵌肆反候条件主婴化常侬方用式优点缺点SRM甲烷和蒸气反应得到气和IRM化物，汨U

8、-CO.H.共化23H1.(%的盛晨利用谀备股资犬催化病贴大活,长化碳指故址大PoM甲烷和焦汽或他气反应科到乳气和碳以化物催妣岸温归95OaCI霰化过由U度11501315V汾E高乐和催化品，例化hOVl20：FAlH气体甲整，：I即化八CHjKO7。，MlWGS变化：。HQco：,也短屋机小中餐化：COAH,-CH4-H-O技术或熟女不如SRM邯化制助失语龙曼高纯箕松岛成本.辄化碳措彼让大XfATRWfrSRM,jPOM.文规体京口供热提/.*.ftiPNK1Vt反应温度:700U木达气甲烷15Vi中标比：04以停If乳ClVI2HO40,CO52H,投伙或冬田；技术成熟收不足催化剂M大温M

9、化碳排放电kMCDrt4t*Wl,烷产V1.而扫(980X?)常限无空气、无水Ni类催化剂反应过程同通CH4-C+2Hj.找化破指依籁为罕技术过未成熟催化剂M央活表1主要甲烷制氢技术路线及其优缺点对比表1.1.2、煤制氢煤制氢主要工艺是将煤与氧气或蒸汽混合，在高温下转化为以H2和Co为主的混合气，后经水煤气变换(WGS)、脱除酸气、氢气提纯等流程，获得具有高纯度的氢气产品6。煤气化制氢过程中主要发生的有效反应如下：气化(蒸汽混合)c+h2o一CO+H2(1)气化(氧气混合)C+12O2-CO(2)WGS变换CO+I1.OCO.+H,(3)在煤气化制氢的WGS变换步骤中，不仅需要催化剂具有可靠的

10、活性和寿命，而且由于煤中含有硫元素，对催化剂的抗硫能力亦提出了额外的要求。采用Cofo催化剂体系的宽温耐硫变换工艺具有卓越的抗硫能力与宽适用温度范围(200550C),目前被广泛用于煤气化制氢系统中。经WGS变换后，气体产物主要通过低能耗的低温甲醇清洗，同时实现对C02和含硫气体的脱除。煤制氢技术发展已经有200余年，技术已相当成熟，是目前最经济的大规模制氢技术之一，尤其适合于诸如中国等化石能源结构分布不均、多煤炭而少油气的国家。煤炭资源的丰富储量和低成本使得煤气化制氢工艺具有更好的经济优势，其产氢成本仅为8.319.5元人民币(下同)kg7但该技术所需设备投资随着煤制氢规模的扩大而上升，这一

11、点也不容忽视；止匕外，大量C02与含硫污染物的排放也是一大困扰。为了降低能耗、提高煤制氢效率，煤超临界水气化将是煤制氢技术的关键攻关方向。II 3、甲醇制氢与天然气和煤炭相比，以甲醇为代表的二次石化能源产品来源丰富且更易储输。甲醇制氢具有反应温度低、氢气易分离等显著优势，近年来一直备受关注。蒸汽重整法是目前使用最为广泛的甲醇制氢技术路线9,甲醇和蒸汽在高于200C环境中通过催化剂床层，其主要化学反应式如下：CH3OH+H2O-CO2+3H2(4)反应热力学和反应机理的研究结果证实，该反应是通过甲醇裂解与WGS变换两步反应完成的：甲醇裂解CH3OH-CO+2H2(5)WGS变换COH2O-CO2

12、+H2(6)甲醇蒸汽重整全流程需要吸收大量的热量，必须保证外部热源平稳供热。适用于该技术的催化剂种类则较为丰富，主要有根系、杷系、铜系等几大类型，例如Cu-Zn-AKCu-Ni-Al体系等。对于氢气产物，可以通过变压吸附法、WGS变换反应、杷膜分离技术、CO甲烷化等方式除去其中的CO进行纯化。当前，甲醇制氢技术具有原料丰富且易储运、反应温度低、技术成熟、氢气产率高、分离简单等优势，已可满足氢气生产的技术需求，尤其适合于中小规模的现场制氢。但其所需原料甲醇属于二次能源产品，较之于天然气和煤炭成本较高，不具有经济优势，另外CO的充分清除也是一大挑战。未来该技术的重点将集中在催化剂与反应器的开发上。

13、目前国内甲醇制氢技术领先的企业有四川亚联高科、天采科技等，可以实现10万m3h的单装置制氢效率。1.1.4、化石燃料结合CCS制氢CCS技术能够大幅度减少化石燃料使用过程中的C02排放量。将CCS技术与化石能源制氢技术相结合，可以将“灰氢”转变为“蓝氢”，在满足低成本、大规模制氢需求的同时大大减少碳排放量。天然气制氢，如采用SRM路线并结合CCS技术，以日产氢气379t的SRM工厂为例，产氢成本将从2.08美元kg上升至2.27美元/kg。而MATR路线与CCS技术的结合,则能使得蓝氢的成本降至1.48美元/kg。在煤炭制氢领域，BUnniStrZ等研究了在不同煤炭种类、不同工艺路线的情况下，

14、煤炭制氢技术与CCS耦合前后的制氢碳排放量情况，分别为19.4225.28kg(C02)kg(H2)和4.14-7.14kg(C02)kg(H2)o另有研究表明，结合CCS技术的煤炭制氢工艺将实现83%的温室气体减排率，而相应地制氢成本则仅上升8%O受限于CCS技术的发展现状，当前蓝氢项目极度依赖国家提供的巨额补贴，规模不大，主要由德国、英国、美国、日本等发达国家主导。在雪佛龙、BP、道达尔等众多跨国油气公司的氢能发展计划中，“蓝氢”都占有一席之地。韩国SKE&S株式会社宣布，计划到2025年成为全球最大的蓝氢供应商，实现年产蓝氢25万t的目标。对于现阶段蓝氢的制备，应当积极开展与各类主流化石

15、能源制氢技术相配套的CCS技术，大力开展基础研发与应用示范，促进蓝氢成本的下降。如果为化石能源制氢所产生的大量碳找到应用市场，在碳捕集封存技术的基础上对其加以利用，蓝氢的价格还将进一步降低。1.2、电解水制氢电解水制氢是在直流电作用下将水进行分解进而产生氢气和氧气的一项技术，其中阴极反应为析氢反应（HydrOgenEVOIUtiOnReaction,缩写为HER）,阳极反应为析氧反应（OXygenEVoIUtionReaction,缩写为OER）O该技术可以采用可再生能源电力，不会产生C02和其他有毒有害物质的排放，从而获得真正意义上的“绿氢”。电解水理论转化效率高、获得的氢气纯度高，但目前在中国的氢能源结构中，电解水制氢仅占现，主要限制因素是高成本，其中电价占总成本的60%-70%o电解水制氢技术主要分为碱性电解水、酸性质子交换膜电解水、高温固体氧化物电解水以及其他电解水技术，以下分述之。1.2.1、碱性电解水碱性电解水（AlkalineWaterElectrolysis,1.K）制氢技术已有数十年的应用经验，单槽产氢量最高可达1000Nm3hNm