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氫能與燃料電池
來源:山西省煤化工發展促進中心
時間:2019/6/9

氫能與燃料電池(一)

全球范圍來看,世界主要發達國家從資源、環保等角度出發,都十分看重氫能的發展,目前氫能和燃料電池已在一些細分領域初步實現了商業化。

2017 年全球燃料電池的裝機量達到 670 兆瓦,移動類裝機量 455.7 兆瓦,固定式裝機量 213.5 兆瓦。

截至 2017 12 月,全球燃料電池乘用車銷售累計接近 6 000 輛。豐田 Mirai 共計銷售 5 300 輛,其中美國 2 900 輛,日本 2 100 輛,歐洲 200 輛,占全球燃料電池乘用車總銷量的九成以上。

截至 2017 年年底,全球共有 328 座加氫站,歐洲擁有 139 座正在運行的加氫站,亞洲擁有 118 座,北美擁有 68 座。

目前氫燃料電池及氫燃料電池汽車的研發與商業化應用在日本、美國、歐洲迅速發展,在制氫、儲氫、加氫等環節持續創新。

美國氫能與燃料電池發展現狀

美國氫能的生產和儲運有 Air ProductsPraxair 等世界先進的氣體公司,并且有技術領先的質子膜純水電解制氫公司,同時還掌握著液氫儲氣罐、儲氫罐等核心技術。

液氫方面,美國在液氫生產規模、液氫產量、價格方面都具有絕對優勢。

美國燃料電池乘用車和叉車保有量領先全球:豐田 Mirai 在美國銷售了超過 2 900 輛燃料電池汽車。美國擁有世界最大的燃料電池叉車企業 Plug Power,目前已有超過 2 萬輛燃料電池叉車,進行了超過 600 萬次加氫操作。

加氫站建設方面,目前北美分布的 68 座加氫站僅 1 座位于加拿大,其余全部分布在美國,其加州地區集中度最高。

美國燃料電池汽車液氫使用量非常高,全年液氫市場需求量的 14% 都被用于燃料電池車。

日本氫能與燃料電池發展現狀

日本由于資源短缺,政府對氫能和燃料電池的推廣力度在世界范圍內都是最大的。目前,日本在家庭用燃料電池熱電聯供固定電站和燃料電池汽車商業化運作方面都是最成功的。

早在 2014 4 月制定的“第四次能源基本計劃”,日本政府就明確提出了加速建設和發展“氫能社會”的戰略方向。所謂“氫能社會”是指將氫能廣泛應用于社會日常生活和經濟產業活動之中,與電力、熱力共同構成二次能源的三大支柱。據此,2014 6 月,日本經濟產業省制定了“氫能與燃料電池戰略路線圖”,提出了實現“氫能社會”目標分三步走的發展路線圖:

2025 年要加速推廣和普及氫能利用的市場;

2030 年要建立大規模氫能供給體系并實現氫燃料發電;

2040 年要完成零碳氫燃料供給體系建設。

截至 2018 1 月,日本燃料電池乘用車保有量約 2 000 臺,燃料電池大巴預計 2020 年增加到 100 臺。從目前的燃料電池汽車價格、保有量和加注站數量來看,日本尚處于燃料電池汽車社會的搖籃期,預計 2050 年將是日本燃油汽車全面向燃料電池汽車過渡之年。

歐洲氫能與燃料電池發展現狀

近期,歐洲燃料電池和氫能事業聯合組織(FCHJU)發布了“歐洲氫能路線圖”。該路線圖提出了歐洲氫能未來 30 年的發展規劃,并得到歐洲 17 家氫能公司和組織的支持。

 

歐洲氫能未來市場需求

該報告認為,氫是歐洲能源轉型的重要元素,到 2050 年可占最終能源需求的 24% 并提供 540 萬個工作崗位。為了實現歐洲二氧化碳減排目標,必須發展氫能。對于諸如天然氣網、運輸(特別是重型車輛)關鍵部分的規模脫碳、高級燃料和化學原料需要大量使用氫氣。此外,氫氣可以解決大規模整合可再生能源以及實現低成本季節性儲能和跨區域有效清潔能源運輸中的技術難題。報告認為,到 2050 年,氫能將在各個領域發揮重要作用,并為了實現歐洲 2050 年氫能產業目標,設置了短期和中期目標。

報告預測,到 2050 年,歐洲 10%18% 建筑的供暖和供電可以由氫能提供;工業中 23% 的高級熱能可由氫能提供。

報告指出,氫能的使用將帶來巨大的社會、經濟和環境效益。到 2030 年,氫能的預計部署將為歐盟公司的燃料和相關設備創造約 1 300 億歐元的產業;到 2050 年達到 8 200 億歐元。氫能將為歐盟工業創造一個本地市場,作為在全球氫能經濟中競爭的跳板。2030 年的出口潛力估計將達到 700 億歐元,凈出口額將達到 500 億歐元。

韓國氫能與燃料電池發展現狀

韓國在氫能和燃料電池領域也有較強的規劃布局,但是其相關技術實力較歐、美、日略遜一籌。

以現代等汽車企業為依托,韓國政府未來 5 年內用于氫燃料電池以及加氫站的補貼將達到 20 億歐元。目標是到 2022 年為 15 000 輛燃料電池汽車和 1 000 輛氫氣公交車提供資金。其中資助計劃包括 310 個新的氫氣加氣站,政府還將制定使用法規。

韓國政府于 2019 1 月發布“氫能經濟發展路線圖”,旨在大力發展氫能產業,以引領全球氫燃料電池汽車和燃料電池市場發展。根據該路線圖,韓國政府計劃到 2040 年氫燃料電池汽車累計產量由 2018 年的 2 000 余輛增至 620 萬輛,氫燃料電池汽車充電站從現有的 14 個增至 1 200 個。韓國政府表示將開始為燃料電池出租車和卡車提供補貼,到 2022 年燃料電池公交車數量將增加到 2 000 輛,并預計在 2021 年開始用燃料電池車取代燃油警車。

在固定式燃料電池方面,韓國目前的發展重點在于大型燃料電池發電站。韓國斗山集團是推動該項目建設的主體。2017 6 月,該集團完成了韓國最大的氫能燃料電池發電站的建設,而該發電站的建設成本大約有 3 600 萬美元。據報道,該發電站每年可生產 144 440 千瓦的燃料電池系統,可以滿足市場的需求。

氫能與燃料電池(二)

國內氫能產業鏈的結構分析

氫能產業鏈主要包括:氫的制取、儲存、運輸和應用等環節。氫既可廣泛應用于傳統領域,又可應用于新興的氫能車輛(包括乘用車、商用車、物流車、叉車、軌道車等)以及氫能發電(包括熱電聯供分布式發電、發電儲能、備用電源等)。為加快發展中國的氫能產業,依據目前的資源條件和能源產業狀況,應在加強氫安全的基礎上,積極推行氫源多元化及氫能多元化和規模化應用。

我國近年來每年純度 99% 以上氫氣的使用量約 700 億立方米(約 600 萬噸),年產值 1 200 億元人民幣以上。目前國內發展氫能的生產方式,主要有煤制氫、天然氣制氫和工業副產氫,其中工業副產氫追溯其上游一次能源主要還是煤和天然氣。因此,目前國內氫能生產主要還是依靠化石能源,而電解水制氫僅占比 2%—4%,占比較為有限。對于氫能的消費,國內大約 90% 或更多純度 99%左右的氫氣都用于煉化產品生產過程中的加氫,以及合成氨、合成甲醇、石油煉化等化工領域,僅有 2%—4% 的氫氣作為工業氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細化工等行業的還原氣、保護氣、反應氣等,而在燃料電池汽車領域氫能的利用更少。總體看,目前我國具備一定的氫工業基礎,但是仍然還是以工業原料為主。氫作為能源消費的市場規模依然較小。

在氫能和燃料電池發展方面,我國也一直不落后。2016 年 10 月,中國標準化研究院資源與環境分院和中國電器工業協會發布的《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》首次提出了我國氫能產業的發展路線圖。對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發展目標進行了規劃。

氫能與燃料電池(三)

氫能與燃料電池的戰略意義

由于能源需求的日益增長, 化石燃料的消耗與 CO2 排放總量快速上升,“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革已是大勢所趨。可再生能源(如太陽能、風能、水電等)作為替代能源大規模使用卻受限于其固有的間歇性、波動性與隨機性;而氫是一種潔凈的二次能源載體,能方便地轉換成電和熱,轉化效率較高,有多種來源途徑。采用可再生能源實現大規模制氫,通過氫氣的橋接作用,既可為燃料電池提供氫源,也可綠色轉化為液體燃料,從而有可能實現由化石能源順利過渡到可再生能源的可持續循環,催生可持續發展的氫能經濟。氫能作為連接可再生能源與傳統化石能源的橋梁,可以為實現“氫經濟”與現在或“后化石能源時代”能源系統起到橋接作用。因此,氫能作為潔凈能源利用是未來能源變革的重要組成部分。

氫燃料電池具有燃料能量轉化率高、噪音低以及零排放等優點,可廣泛應用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等方面。從燃料電池在載人航天、水下潛艇、分布式電站獲得應用以來,燃料電池一直受到各國政府和企業的關注,其研發、示范和商業化應用的資金投入不斷增加。在未來煤電占比相對較低的情況下,由于風能、太陽能等可再生能源技術規模的增大,整個上游的電源結構會越來越清潔。在這種結構下,新能源汽車特別是純電動汽車、基于電解水制氫的燃料電池汽車,排放強度會明顯下降。而燃料電池汽車不同于純電動汽車的是,它實現了上游發電和終端用電在時間上的“分離”,進而使得氫能相比于波動性較大的風能和太陽能(純電動車技術路線)的互補能力更強。因此,發展氫能和氫燃料電池具有巨大的能源戰略意義。

國內氫能與燃料電池發展趨勢

商用車帶動加氫站建設,降低氫氣與燃料電池成本

我國燃料電池汽車發展路徑明確:通過商用車發展,規模化降低燃料電池和氫氣成本,同時帶動加氫站配套設施建設,后續拓展到乘用車領域。優先發展商用車的原因在于:一方面,公共交通平均成本低,而且能夠起到良好社會推廣效果,待形成規模后帶動燃料電池成本和氫氣成本下降;另一方面,商用車行駛在固定線路上且車輛集中,建設配套加氫站比較容易。當加氫站數量增加、氫氣和燃料電池成本降低時,又會支撐更多燃料電池汽車。

發展氫燃料電池汽車產業集群,促進全產業鏈發展

燃料電池關鍵零部件、電堆、系統、制氫儲氫、檢測及整車開發企業,以“產業集群”的形式,目前已在上海、廣州、江蘇等地快速發展。通過氫燃料電池汽車產業集群,可以促進氫能燃料電池全產業鏈的快速發展,有效降低成本。

保障措施與政策需求建議

加強頂層設計,全面規劃氫能燃料電池發展途徑

包括圍繞產業發展重點、產業布局優化、加氫站總體布局、政策措施制定等,從國家層面研究制定氫能燃料電池總體規劃和發展路線圖,從而引導我國氫能燃料電池技術創新和產業的快速與健康發展。

加強研發投入,確保核心技術自主可控

聚焦氫能燃料電池全產業鏈的關鍵核心技術,通過設立氫能燃料電池專項等促進從基礎研究、關鍵技術攻關、應用示范到產業化轉化的創新能力提升,保障我國氫能燃料電池核心技術全面、自主的持續發展。

統籌產業布局,引導產業鏈協調發展

瞄準氫能燃料電池產業鏈缺失環節和關鍵環節,鼓勵有產業基礎的重點地區建設氫能燃料電池產業園區,加快產業集群建設。在氫能基礎設施方面,可通過加大加氫站的國家和地方補貼力度、鼓勵國有和社會資本共同參與建設、支持加油(氣)站與加氫站合建等措施加速加氫站的建設。在此基礎上,通過重點地區的商業化示范運營,帶動全產業鏈的成熟和完善,從而促進我國氫能燃料電池產業的全面均衡發展。

加強標準制定,支撐技術進步與產業發展

建設若干氫能燃料電池國家技術標準創新基地,完善氫能燃料電池全產業鏈的技術和檢測標準。例如,目前相關法規標準仍將氫氣按照危險化學品管理,導致加氫站的審批、建設、運營受到制約。如果明確車用氫氣的能源性質,細化車用氫氣的制備、儲運、加注相關技術標準,將對加速氫能基礎設施建設起到極為重要的保障作用。

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