本文摘要:氢气是一种清洁的二次能源。

氢气是一种清洁的二次能源。近年来,随着氢能应用技术的逐渐成熟和全球应对气候变化压力的不断增加,氢能产业的增长引起了全世界的关注。美国、德国、日本等蓬勃发展的国家先后将氢能产业的增长提升到国家能源战略层面。2016年,国家增长和创新委员会、国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》(F&G能源[2016]513号)提出了能源技术革命重点创新的行动路线图,部署了15项详细任务,其中“氢能和燃料电池技术创新”被列为重点,标志着氢能产业已被纳入中国国家能源战略。

国内外实践表明,氢气可以广泛应用于燃料电池汽车、发电和储能,也可以与天然气混合用于工业和生活用气。氢能作为一种清洁的二次能源,具有大规模储存的特点。

它的广泛应用可以替代石油和天然气,成为能源消耗的重要组成部分,对应对气候变化和确保能源供应的宁静具有一定的支撑作用。丰富利用氢能的优势和特点。在我国风电、光电、水电过剩或弃风、弃光、弃水的地区,以及大都市电网峰谷时段电力负荷差异较大的大都市和地区,通过电解水制氢获得氢源。

根据各地区的经济增长状况、工农业产品和人民生活水平等。电-氢-电、电-氢-用或其混淆的模式被接受和消费中国氢能产业增长现状氢能产业链主要包括氢的生产、储存、运输和应用。氢气不仅可以广泛应用于传统领域,还可以应用于新兴的氢能汽车(包括乘用车、商用车、物流车、叉车、轨道车等)。)和氢发电(包括热电联产扩散发电、发电储能、备用电源等。

).为了加快中国氢能产业的发展,根据目前的资源条件和能源产业现状,我们应在提高氢安静度的基础上,努力促进氢源的多样化和氢能的多样化和大规模应用。氢源多元化除了上述利用剩余风电、水电、光伏制氢外,中国丰富的煤炭资源也应得到充分利用。经过多年的研发,煤化工生产已经具备了良好的规模和经济增长状态。

将煤制氢、煤制油制氢和煤化工产品综合利用,可以获得经济、丰富的氢源。我国炼油工业和化工行业种类多、规模大,工业含氢废气是重要的氢气来源。据统计,2015年,我国纯度约99%的氢气产量为700亿m3,其中约70%被各种工业含氢气体接受和使用。

因此,工业含氢废气是我国不可忽视的氢源。要统筹规划,合理丰富利用,孝顺孝顺,促进氢能产业增长,节能降耗,减少碳排放,消除污染物。

氢气作为原料气和工业气体,在我国已经大规模生产和应用。据初步统计,用于炼油化工产品生产和工业生产的纯度99%的氢气年产量约为700亿m3(约600万t),其中从各种含氢废气或吹扫气、煤制合成气、天然气转化气和甲醇转化气中提纯获得的氢气占90%以上,水电解获得的氢气占2%~4%。

从获得氢气的方法来看,变压吸附提纯氢气的比例最大,这主要是因为其规模大,原料气与含氢废气的比例最高,经济性好。近年来,随着扩张
同时,越来越多的装置可以从化工产品(包括合成氨、甲醇等)生产过程中产生的含氢吹扫气中接收纯度大于99%的氢气。).近年来,一些地区接受了大城市电网的剩余水电、弃风、弃光或谷电,开展电解水制氢示范工程,形成小规模生产,提供工业氢气。消耗水电、风能、光能等可再生能源电解水制氢是绿色二次能源。

大城市电网谷电制氢是否也形成“绿色二次能源”需要详细分析。在水电、风电蓬勃发展的地区,或者进口可再生能源电力的地区,“绿色电力”在大都市电网中占有一定比例,应该称之为“淡绿色电力”。接受“浅绿色动力”制氢是消除碳排放、提供“绿色二次能源”的重要举措。

水电解制氢包括碱性电解、纯水质子交换膜(PEM)电解和固体氧化物电解质(SOE)电解。前两种设备在中国运营,国有企业正在发展中。三种装置的比力如表1所示。表1三种水电解技术将比储氢和运输更大规模地发挥储氢的特点,将是解决未来能源领域“能源生产和使用(供需)不平衡”问题的重要途径之一,尤其是提高颠簸和间歇可再生能源利用率的重要途径之一。

目前主要有高压气态储氢、液态储氢和固态氢化物储氢。在氢燃料电池汽车领域,高压气态氢储存是最成熟和应用最广泛的技术。

高压气态储氢装置包括固体储氢罐、长管气瓶和长管管、钢瓶和钢瓶组、车载储氢罐等。我国固体储氢罐的研发取得了重大成就。乐城在克服几项关键技术的基础上,开发了具有抑爆防爆、缺陷排空和运行状态在线监测的多功能全多层高压储氢罐。

现在压力等级可达45、77、98 MPa,相关技术指标达到国际领先水平。压力等级为45兆帕和77兆帕的容器见图1。我国已经制造了长管气瓶和长管拖车,并在一些制氢装置、用氢企业和加氢站安装和运行。

图2显示了45兆帕的长管气瓶。中小型固体氢化物储存装置已用于质子交换膜备用电源和一些氢气装置。图1多层高压储氢罐图2国内已经制造出长管储氢罐和液氢拖车,并应用于航空航天等领域。一艘15立方米的液态氢油轮可以运输约1.05吨(约12000立方米)的氢。

固体液体储氢罐储存能力可依据需要设计制造,但液氢的储存、输送应注意其蒸发损失的接纳使用。近年来,一种低温高压复合的移动式储氢容器引起广泛关注,该容器既可存储液态氢,也可存储低温气态氢气。

与传统液态氢储罐相比,低温高压复合储氢具有更高的储氢密度和更少的蒸发损失。现在,氢气输送方式有高压气态、液态氢和管道输送。这3种方式海内均已应用,氢长输管道近年已在一些地域建设、运营。

据相识已有数条约50 km、2.0~4.0 MPa的输氢管道正在运行中,管道内径已达400 mm。但总体而言,仍需在管线钢与高压氢的相容性、管道的运营治理等方面开展系统的基础研究事情,为建设长距离、高压力的“规模”输氢管线缔造条件。加氢站2006年以来,中国建成并有运行记载的加氢站8座,划分是北京氢能示范园加氢站、北京飞驰竞立制氢加氢站(已拆除)、上海安亭加氢站、上海世博牢固及移动加氢站(已拆除)、广州亚运会加氢站(已拆除)、深圳大运会加氢站(已拆除)、郑州宇通加氢站等。

到2016年底,海内仅有北京、上海和郑州3座加氢站尚在运行。而现在正在计划、建设中的加氢站约莫有20座以上,加氢能力均小于400kg/d,属于示范性加氢站。

具有恒久运营能力的加氢站尚需从计划、设计、制作至运营举行系统的分析、总结,才气确保其技术科学性和运行经济性。加氢站的焦点设备主要包罗氢气储罐、氢压缩机、加氢机及控制系统等。

现在已建和在建加氢站的焦点设备主要接纳“入口+国产”的形式,且完全国产化的条件基本具备,但应不停强化现有尺度的实施、检测手段的建设,加大监视治理力度等。氢气的应用在中国,氢气除用作合成氨、甲醇等化工原料气外,约莫90%或更多纯度99%左右的氢气用于炼化产物生产历程中的加氢。仅有2%~4%的氢气作为工业气体用于治金、钢铁、电子、建材、精致化工等行业的还原气、掩护气、反映气等。由于氢能燃料电池车辆既具有传统燃油车辆的续能里程长、加注时间短的特点,又具有零碳排放的优良性能,越来越受到海内相关政府机构及企业的关注。

2008年北京奥运会期间及其后期的燃料电池大巴车共举行氢的加注约2600次,加氢量约为22 t;2010年上海世博会的燃料电池大巴车和燃料电池摆渡车运营了近10个月,氢气加注次数(牢固加氢站和移动加氢站)近2万次,加氢量约为25 t。整体上说,现在海内氢能燃料电池车辆的运营尚处于示范阶段。2015年以来,河南郑州、广东云浮、江苏如皋等地相继建成或在建加氢站,云浮已生产燃料电池大巴车28辆并投入示范运营。

上海汽车团体股份有限公司、郑州宇通团体有限公司、北汽福田汽车股份有限公司等企业已取得通告的燃料电池车型,可以预见氢能燃料电池车辆在中国的应用日趋广泛。同时,氢燃料电池发电装置在中国的应用正在兴起,其作为备用电源已在通信基站等场所实现应用。2016年10月,辽宁营口的2 MW热电联供氢燃料电池发电装置投入运行,该装置以氯碱厂副产氢作为原料,在发电同时供应一定温度的热水。

此外,部门研究单元正在举行漫衍式氢能燃料电池发电装置的研究与开发,有望近期有所突破。氢宁静氢能的宁静性是社会各界关注的重点。国际海内应用实践证明,只要根据尺度规范和法例生产、存储及使用氢能,氢能宁静可以获得保障。

近年来,中国努力开展氢能宁静性研究和相关尺度制定事情,陆续开展了质料高压氢相容性、高压氢气泄漏扩散、氢气瓶耐火性能、氢气快充温升、快速充放氢疲劳、量化风险评估、失效预测预防、高压氢喷射火、氢爆燃爆轰、氢泄爆、氢阻火等研究。但总体而言,海内氢宁静研究刚刚起步,投入较少,宁静检测能力和保障技术滞后于氢能工业生长的需要,缺乏具有第三方公正职位的实验室,与国际先进水平相比有不小的差距。氢能宁静未来将以对氢事故原因、机理、结果,以及事故预测、预警和控制方法的研究为基础,制定合理的宁静技术规范尺度,以本质宁静为理念设计氢能工业装备/设施,建设完善的氢能使用风险量化评估体系,防止和淘汰氢能宁静事故,促进氢能工业康健宁静生长。

氢能工业支撑政策及尺度体系中国自2001年启动国家高技术研究生长计划(863计划)“电动汽车”重大科技专项,开始着手燃料电池动力系统集成研发,直到“十二五”期间,氢能技术及应用领域一直是由科技部牵头公布相关的政策和计划,这从另一方面印证了这一时期氢能工业在海内尚处于技术研发和储蓄期。2016年5月,国务院印发《国家创新驱动生长战略纲要》,明确提出开发氢能、燃料电池等新一代能源技术。

2016年6月,国家生长和革新委员会、国家能源局团结公布《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》,将“氢能与燃料电池技术创新”作为15项详细任务之一,这些都标志着氢能工业已纳入中国国家能源战略。在氢能与燃料电池尺度体系建设方面,全国氢能尺度化技术委员会(SAC/TC 309)和全国燃料电池及液流电池尺度化技术委员会(SAC/TC 342)停止现在共研制氢能相关国家尺度26项、燃料电池相关国家尺度41项,中国氢能和燃料电池国家尺度体系框架开端建设。固然,在推动氢能工业的历程中,氢能领域相关尺度另有待进一步完善,还存在一些不协调、不配套的问题,与国际接轨的水平也有待提高,因此需要进一步强化支撑氢能工业生长的尺度化事情,切实发挥尺度对工业生长的支撑和引领作用。

加速生长中国氢能工业的思考“十三五”以来,氢能工业在一些地方相继兴起,许多地方政府或企业正努力举行氢能工业园区等的计划、建设,氢能工业生长一时展现出勃勃生机。可是如何制止“一哄而起”、“高热之后的冷落”,确保氢能工业沿着科学、可连续的门路康健生长,仍是现阶段面临的重要问题和挑战。

笔者凭据对氢能工业内在的相识,在吸取和分析海内外的履历教训及相关工业关联性的基础上,提出以下几点思考,供正在或即将涉足氢能工业的地方、企业及专业人士参考。选择多元化的氢源凭据中国的经济生长现状和资源漫衍,氢能工业所需氢源应是多元化的。各地方和企业一定要凭据其自身情况选择技术可行、经济性良好、情况友好的氢源来生长氢能工业。

如前所述,中国氢源具备多元生长、多元开发的条件,在选择氢源时,应综合思量技术经济性、碳排放、情况影响、能源消耗、资源条件等因素。在资源条件许可时,应优先选择工业含氢气体提纯氢气或可再生能源(富余水电、弃风、弃光)制氢,但均应凭据技术经济性分析选用最佳方案。

在用氢规模较大且可与化工产物或煤制油综合使用时,宜接纳煤制合成气提纯氢方式,在气化炉型、工艺流程等配套合理时,可获得较低成本的氢气。在资源条件受限时,凭据甲醇、天然气供应状况和都会电网“浅绿水平”,经技术经济性分析,可接纳天然气转化或甲醇转化制氢、谷时段水电解制氢,仅在小型制氢规模或示范项目才推荐选用水电解制氢。

氢能多元化应用氢能燃料电池车辆的研发和上路运行在海内外都引起了广泛关注。近两年,海内一些地方和企业努力到场氢能车辆的开发研究,相关工业连续升温。但氢能工业的加速生长应提倡多元应用,可包罗氢能燃料电池车辆、氢能燃料电池发电、漫衍式氢能系统、燃料电池热电联供、氢储能系统等的研发、示范或商业化运营等。外洋有报道称,一些氢能燃料电池发电系统(图3)的耗氢量或减排量将大于氢能燃料电池车辆。

因此,不能一味片面强调氢能工业在燃料电池车辆方面的应用和推广,实施氢能的多元化应用是生长氢能工业的必由之路,从现阶段起就应该深入研究“多元化应用”模式,作好计划建设,并推广试点示范。多元应用的生长、种种应用类型的相互增补,必将加速氢能工业生长历程,而且随着应用规模增大,其社会效益、经济效益和情况效益越发突显,社会各界对“氢能”的认知度将进一步提升。图3 氢能漫衍式热电联供示意近年来,中国风电、光电、水电等可再生能源的占比逐年增加,由于这类电力的颠簸性和一些地域、都会电网的峰谷负荷差异较大,造成了电网储能系统的设置需求显着,种种储能方式(系统)的开发研究逐渐兴起,压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能等均在研究和实验。图4为种种储能方式的投资比力。

其中,在海内已建设多座抽水蓄能电站,只管其有较好的削峰填谷效益,但同时受地理条件限制和投资的影响较大,此类项目的建设应十分慎重。陪同着氢能技术和工业的生长,氢储能系统应用将成为较为现实、可行的选择。

2015 年国际能源署(IEA)公布的《Technology roadmap hydrogen andfuel cells》(《氢能和燃料电池技术门路图》)中提出氢储能系统应用的内容。图4 种种储能方式投资比力综上分析,凭据中国经济生长现状和氢气在传统领域的广泛应用以及氢能工业生长的需求,应努力生长“电-氢-电”、“电-氢-用”或两者混淆的氢储能系统(图5)。

其中,电力可以是各种可再生能源(风电、水电、光电等)和都会电网的谷时段电,经水电解制取氢气举行储存备用,后面的“电”是以氢燃料电池发电装置凭据电力负荷的需求所发生的电力;“用”是将储存氢或直接使用水电解获得的氢气,用于其他行业(即外销氢气),与此同时水电解装置的副产氧(氢产量的1/2)也可作为产物外销。图5 氢气储能系统示意氢气储能系统可凭据规模分为大、中、小3种类型,并可依据需求侧/供应侧的富余电量、电力负荷的不平衡性和氢气/氧气销售(使用)状况等因素确定。这其中焦点的问题是氢储能系统的整体能效以及氢气、外供电的成本等技术经济指标与其他储能方式的可比性,这也是判断差别储能方案是否可行的关键。

按现在成熟或即将成熟的水电解制氢装置、燃料电池发电装置的技术状态,据开端预计:“电-氢-电”的整体能效约为40%左右,“电-氢-用”的能效在75%~80%。若接纳混淆系统应视“发电”与“用”氢的占比而定,若各占50%,则预计整体能效约可达60%。以氢气的成本30元/kg左右盘算,从以上数据的分析中可以看出:在风电、水电、光电较为丰盛的地域和电网为“浅绿”的峰谷差异较大地域均可思量推广举行氢储能系统的示范,其规模可依据当地已有传统氢用户和正规化的“氢能车辆”、氢能发电的需求,并经技术经济性分析后确定。

固然,工程的建设投资也是十分重要的条件,宜控制在4000~6000元/kW。氢气储存、运输应接纳多种方式凭据中国多年在氢气储存、输送技术的开发、运行方面履历的积累,高压(35、45、70、98 MPa)气态氢的牢固及移动储存容器、气瓶已具备一定设备制造能力和运行治理履历,并制定了相应的法例、尺度。液氢储罐及其运输的生长状态与高压气态氢储存、运输状态相似。

唯有氢气长输管道的建设处于起步阶段,尚需加速开发研究事情,为种种压力下的氢气或氢混淆燃料气体的长距离输送的建设积累履历。几种氢气储存、运输系统及设备的宁静运行检测、羁系尚需增强,还应逐步建设、健全第三方检测认证机构,为氢能工业的宁静运行提供可靠保证。加氢站的建设与运营现在,海内正在运行的示范性加氢站的加氢能力均小于400 kg/d,一般在200 kg/d左右,其计划设计、工艺流程及设备设置、氢源的选择、自动控制系统等大多不能满足商业化运营的要求,对运营经济性、耐久性的验证较少。当前氢能燃料电池车辆的商业化运营正处于实施阶段,加氢站的计划设计、制作要想到达“商业化运营”的要求,其运营的经济性为首要条件,即要从计划设计阶段就开始关注加氢站类型的选择(合建站、集中/疏散制氢等)和氢源的选择等因素。

对于集中或疏散制氢的选择,通常应选择集中制氢,每个加氢站都自行制氢不太现实,加氢能力一般应确定在不低于400 kg/d的水平。落实加氢能力后,应准确确定工艺流程及设备设置(氢气罐容积和数量,压缩机、加氢机的参数等),尤其应十分关注控制系统的选择。

能够商业化运营的加氢站应满足“一连加氢运行、经济过关(盈利、不能亏)、宁静可靠、自控运行、淘汰运行治理人员”等基本要求。加速生长中国氢能工业应关注的主要问题鉴于数十年来传统氢工业的生长,中国已在制氢、氢的储存输送及其应用技术等方面具备一定履历和能力,氢气系统及设备的设计、制造、运营等方面的尺度和生产能力均有一定储蓄。

同时近年来,为适应氢能工业的示范需求,在技术研发方面也取得了一些结果和技术积累。为了进一步加速中国氢能工业生长的程序,应关注以下问题:1)注意充实发挥各地方、企业已有氢气制备、储存输送设施的能力、技术、人才等在生长中国氢能工业中的促进、参照甚至引导作用;2)高度重视国家氢能工业生长门路图的制订,各地方(区域、都会)在举行氢能工业及其基础设施建设时,首先应做好计划和须要的划定,循序渐进;3)各地方(区域、都会)在选择氢源和氢的储存与输送方式时,应认真观察研究当地区的氢相关资源和电力生产、使用状况,注意颠簸电力、峰谷电力的合理使用以及已有氢气设施的使用;4)在举行氢能工业建设时,应认真联合当地社会、经济和资源条件,采取准确、可靠的信息和数据,举行科学的、实用的分析研究,准确核算能源使用效率、降低碳排放量、提高经济效益,选择最佳能效、碳排放量低且经济性优良的建设方案。结 论氢能作为清洁的二次能源在应对气候变化、掩护情况等方面具有支撑作用。充实使用氢能的优势和特点,在中国可再生能源电力富余地域以及电网峰谷时段电力负荷差异较大的地域,接纳“电-氢-电”、“电-氢-用”或两者混淆的模式构建新型氢储能系统,有助于推动电力行业供应性革新,保障国家能源供应宁静。

氢能工业的生长需要多元化的视角和战略计划,为推进中国氢能工业康健、协调、有序生长,提出如下建议:1)组织人力、物力举行国家、地域的氢能工业合适的上游、下游各阶段的生长计划、落实要求的配套政策;不仅氢能车辆方面有激励政策,氢能发电、储能方面也应有激励政策;2)组织电力及相关行业的高校、科研院所、企业努力开展氢能发电、储能技术与设备的开发和应用研究,增强示范及总结推广;3)鉴于氢能工业多元生长的需要,应组织制定能准确盘算氢能相关的能效、碳排放量的划定,统一方法、数据,实现“真实”;勉励地域(区域、都会)相关行业、企业努力举行氢能工业的示范、商业运营;4)勉励相关单元、企业努力到场氢能工业规范与尺度的制修订。建设氢能工业质量监控体系,增强氢能工业的质量检测、宁静监测机构和实验室。

参考文献(略)(责任编辑 刘志远)本文作者:王赓,郑津洋,蒋利军,陈健,韩武林,陈霖新作者简介:王赓,副研究员,研究偏向为资源与情况尺度化、氢能技术尺度化;陈霖新(通信作者),研究员,研究偏向为氢能技术与应用。注:本文揭晓在2017年第22期《科技导报》,接待关注。

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