人工制氢及氢工业在我国能源自主中的战略地位.doc

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1、人工制氢及氢工业在我国能源自主中的战略地位摘要全球正经历从化石能源向氢能等非化石能源过渡的第三次能源体系重大转换期。为给我国实现能源体系转型和“能源自主”战略目标提供参考，综述了国内外氢工业的发展现状和发展趋势，探讨了人工制氢、储氢技术的发展途径，明确了氢工业的战略地位。研究结果表明：发展氢工业，是优化能源结构、保障国家能源安全的战略选择，在实现我国“能源自主”的战略中占有重要地位；全球氢工业发展初具规模，人工制氢仍主要依靠化石资源，煤炭地下气化制氢符合我国的国情，具有较大的发展潜力；与氢工业相结合的新能源，将是未来能源消费的主体；电解水制氢将贯穿于氢工业发展的全过程；安全、高效储运氢技术是氢

2、能实用化的关键，液态储氢将是未来主要的储氢方式。结论和建议：氢工业基础设施建设处于起步阶段，但发展迅速；我国发展氢工业，近期应在煤炭地下气化制氢方面取得突破，初步形成产业链；中期促使氢工业成为新的经济增长点和新能源战略的重要组成部分；远期力推氢能成为我国能源消费结构的重要组成部分，力争实现“氢能中国”，依靠新能源等实现国家“能源自主”。引言全球正经历从化石能源向氢能等非化石能源过渡的第三次能源体系重大转换期1。2017年我国能源生产量为25108t油当量，消费量达31108t油当量，整个能源需要进口20%，尤其是石油进口量为4108t，其对外依存度达到70%，对能源安全造成不利影响。为给我国实

3、现能源体系转型和“能源自主”战略目标提供参考，综述了国内外氢工业的发展现状和发展趋势，探讨了人工制氢、储氢技术的发展途径，明确了氢工业的战略地位。氢在自然界中分布广泛，并且在自然状态下仅存在着极少量的游离态氢。工业氢气是指通过一定的手段，从工业原料中大规模制取的可燃气态氢产物。这种通过能量输入从含氢原料中提取工业氢气的过程，被称为人工制氢，包括化石燃料制氢、水分解制氢、生物技术制氢和太阳能制氢等2。氢能作为氢的化学能表现为物理与化学变化过程中释放出能量，是具有二次能源属性的一种重要能源类型。这种大规模人工制氢并利用氢能的产业被称为氢工业，包括上游制氢、中游储运和下游应用。氢工业体系中各个产业部

4、门之间基于一定的技术经济关联即为氢工业产业链，包括氢工业价值链、氢工业企业链、氢工业供需链和氢工业空间链。为了更好地阅读和理解本文的内容，笔者建议首先界定和明确上述5个基本概念（工业氢气、人工制氢、氢能、氢工业、氢工业产业链），并由此建立氢工业概念体系。储氢是实现氢能有效利用的关键技术之一，包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、有机化合物储氢、微球储氢和碳纳米材料储氢等。基于大规模低成本制氢和高密度储氢，以燃料电池为关联的氢工业应用将推动能源转型和新能源汽车、分布式供能等新兴产业的发展，从而改变能源结构，进而实现从能源供给端到消费端的全产业链转变。01氢工业的发展现状随着氢能应用技术

5、的不断发展和逐渐成熟，以及全球应对气候变化的压力持续增大，促使我们积极布局、发力推动氢工业的发展。1.1全球氢工业初具规模全球氢工业发展迅猛，市场规模从2011年的1870.82亿美元增长到2017年的2514.93亿美元，图120112017年全球工业氢气市场规模及其走势增速达34.4%（图1）。其中，美国是工业氢气最大的进口国，20122016年进口总额达2.48亿美元，而荷兰则是工业氢气最大的出口国，20122016年出口总额达3.42亿美元。人类社会已经历了三次工业革命（图2），从20世纪中叶起，伴随着第四次工业革命全球向新能源转型已经开始（图3）。纵观能源发展史，三大能源升级换代体现

6、了“三大经济”形态。瓦特发明蒸汽机促使木柴向煤炭的第一次重大转换，表现为“高碳经济”；戴姆勒发明内燃机，完成煤炭向油气的第二次重大转换，呈现出“低碳经济”；现代科技进步与当今环保要求推动传统化石能源向氢能等非化石新能源的第三次重大转换，全球可能逐步迈入非碳的“氢能时代”3-4。图2人类经历的历次工业革命示意图图3全球能源体系转型示意图（18502150年）1.2人工制氢主要依靠化石资源全球工业氢气市场具有较强的地域性，已形成亚太、北美、欧洲三大区域版图。化石资源是当前主要的制氢原料，其中煤气化制氢发展潜力巨大5。1.2.1工业氢气生产具有区域性亚太地区工业氢气生产量居全球首位，北美地区紧随其后

7、（图4）。2017年亚太地区工业氢气的生产规模为1071.36亿美元，北美为555.80亿美元，而欧洲则为517.57亿美元。中国和印度等亚太发展中国家经济快速增长，由此带来了亚太地区对氢能等清洁能源的强劲需求。图4全球工业氢气生产市场占比饼图中国工业氢气的需求量和生产量旺盛，呈逐年上升的态势，目前保持着供需平衡的状态，需求量和产量均居世界首位。作为全球氢能利用的大国，中国自2009年产量首次突破1000104t以来，已经连续9年保持世界第一（图5）。图5中国工业氢气产量与需求量变化图1.2.2化石资源制氢居主导地位当前，人工制氢原料主要以石油、天然气、煤炭等化石资源为主，较之于其他的制氢方法

8、，化石资源制氢工艺成熟，原料价格相对低廉，但会排放大量的温室气体，对环境造成污染。2017年，全球主要人工制氢原料的96%以上都来源于传统化石资源的热化学重整，仅有4%左右来源于电解水（图6）。煤炭和天然气是我国人工制氢的主要原料，占比分别为62%和19%（图7）。电解水制氢在日本氢工业中占有特殊的地位，其盐水电解制氢的产能占该国所有人工制氢总产能的63%。图62017年全球人工制氢原料占比饼图图72017年中国人工制氢原料占比饼图1.2.3煤气化制氢发展潜力大煤的气化是指煤在高温常压或加压条件下，与气化剂反应转化成气体产物。随着煤制合成气、煤制油产业的发展，煤制氢产量逐年增多，其规模较大、成

9、本较低，制氢成本约20元/kg。此外，化工产品（包括合成氨、甲醇等）生产过程中，从含氢弛放气中回收纯度大于99%工业氢气的装置也日趋成熟与增多。煤炭地下气化制氢发展潜力很大，也是煤炭清洁化转型利用的有效途径。煤炭地下气化制氢技术具有资源利用率高、地表环境破坏少等优点，符合我国“富煤贫油少气”的资源结构特点，但该项技术目前仍然处于探索阶段，离商业化利用还有不短的距离。1.3高效储运氢技术是发展的重点安全、高效的储运氢技术是实现氢能实用化的关键6-7。氢能的存储方式主要包括低温液态储氢、高压气态储氢、固态储氢和有机液态储氢等，不同的储氢方式具有不同的储氢密度，其中气态储氢方式的储氢密度最小，金属氢

10、化物储氢方式的储氢密度最大（图8）。图8不同储氢方式的储氢密度对比图1.3.1低温液态储氢成本高工业氢气的规模化廉价生产和储运是实现氢能实用化利用的基础。气态氢在253时为液体，液态氢的密度是气态氢的845倍。液氢存储的重量比介于5.0%7.5%，体积容量约为0.04kgH2/L。氢气液化费用昂贵，耗能较高（410kWh/kg），约占液氢制取成本的三分之一。液氢贮存容器需要具有极高的绝热能力，以避免液氢沸腾气化。当前，液态氢主要作为航天火箭推进器燃料，其储罐和拖车已在我国航天等领域应用。随着人类太空计划的发展，液态氢贮存容器正趋于大型化，目前已能建造贮存量超过1000m3的大型液氢绝热贮槽。1

11、.3.2高压气态储氢技术成熟高压气态储氢是目前最常用、最成熟的储氢技术，其储存方式是将工业氢气压缩到耐高压容器中8。高压气态氢储存装置主要有固定储氢罐、长管气瓶、长管管束、钢瓶组和车载储氢气瓶等。钢瓶是最常用的高压气态储氢容器，具有结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快等优点，但存在着安全性能较差和体积比容量低等不足。目前国内已建和在建的加氢站一般都采用的是长管气瓶组储氢设备。1.3.3固态储氢技术尚不成熟固态储氢方式是最具发展潜力的一种储氢方式，能有效克服高压气态和低温液态两种储氢方式的不足，具有储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全程度高等优点，适合对体积要求较严格的场合

12、，如氢能燃料电池汽车。固态储氢技术可分为物理吸附储氢和化学氢化物储氢。前者可分为金属有机框架（MOFs）和纳米结构碳材料；后者可分为钛系、镁系、锆系和稀土等金属氢化物，以及硼氢化物和有机氢化物等非金属氢化物。金属氢化物储氢具有储氢密度高、纯度高、可靠性高（无需高压或低温条件）和储氢工艺简单等优点，主要原理是选择合适的金属氢化物，在低压条件下使氢与另一种物质（储氢合金）结合成准化合物态。目前，金属氢化物储氢仍处于研究阶段，尚未实现商业化应用，主要受到以下因素的制约：储氢合金价格昂贵；结构复杂，由于储氢过程中会释放大量的热，因而储存器内必须增加换热设备；氢化物自身稳定性差，易形成有害杂质组分，多次

13、使用之后，性能明显下降；储氢质量比较低，若以质量计，仅能储存2%4%的工业氢气。1.3.4有机液体储氢备受关注有机液体储氢技术是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反应来实现储氢的。这种储氢方法具有高质量、高体积储氢密度，安全、易于长距离运输，可长期储存等优点。有机液体储氢技术仍处于研发阶段，尚存在着技术要求苛刻、成本昂贵、脱氢效率低且易结焦失活等缺点。催化加氢和脱氢装置设备成本较高，脱氢反应需在低压高温非均相条件下完成，受传热传质和反应平衡极限的限制，脱氢反应效率较低且易发生副反应，导致氢气产物不纯。此外，在高温条件下，容易破坏脱氢催化剂的孔结构，从而导致结焦失活。1.4氢工业基础设施工业氢

14、气输送方式以高压气态或液态氢的管道输送为主，长输管道需开展管线钢与高压氢的相容性等基础研究，并创新管道运营管理方式，以实现长距离、高压力、大规模输氢管线建设。1.4.1管道输氢处于起步阶段管道“掺氢”和“氢油同运”技术是实现长距离、大规模输氢的重要环节。全球管道输氢起步较早，但发展缓慢。欧洲的长距离管道输氢已历时80余年，目前拥有总长度约1500km的输氢管道，其中长度接近400km的法国比利时输氢管道为目前世界最长。美国现有输氢管道的长度为720km，远低于其天然气管道的长度（208104km）。我国已有多条输氢管道在运行，如中国石化洛阳炼化济源洛阳的氢气输送管道全长为25km，年输气量为1

15、0.04104t；乌海银川焦炉煤气输气管线管道全长为216.4km，年输气量达16.1108m3，主要用于输送焦炉煤气和氢气混合气。1.4.2加氢站氢油联建随着氢工业市场的不断扩大，氢工业产业链正趋于不断完善。目前，氢燃料汽车快速发展，工业氢气需求量大增，加氢站建设也相应提速。截至2017年底，全球共有328座加氢站投入运营，其中欧洲139座，亚洲118座，北美68座，南美、澳大利亚、迪拜各1座。中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）对我国中长期加氢站建设和燃料电池车辆的发展目标做出了规划，预计到2020年我国将建成加氢站达100座、2030年将达到1000座。截至2018年2月，中国已建成及在建的加氢站共计为31座，其中正在运营的有12座。加氢站的主要设施包括储氢装置、压缩设备、加注设备和站控系统等。目前一个加氢站的建设成本介于200万500万美元，其中压缩机成本最高，约占总成本的30%（图9）。中国加氢站的建设成本相对较低，介于200万250万美元（35MPa加氢能力）。因此，需加快工业氢气压缩机国产化进程，降低加氢站建设成本，促进氢工业的发展。图9 2017年中国加氢站建设成本构成图笔者预测，全球加氢站将进入快速发展阶段，到20