氢能源的发展逻辑和发展现状.docx

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1、氢能源的发展逻辑和发展现状目录引言11什么是氢能源12.氢能源发展整个产业链22. 1.氢气何处来？23. 2.绿氢何处去？33.氢能源不同环节的发展现状（简述）。34. 1.制氢端33.1.1.化石能源重整制氢33.1.2.电解水制氢43.1.3.生物制氢83.1.4.工业副产气制氢113. 2.储运端134. 3.消纳端135. 结语：14引言为了让大脑保持活跃，还是喜欢自己独立的思考一些事情，错对都不重要，也无所谓，只是自己的一种独立思考！偶然的机会进入了一个与自己专业和经历没有一点关系的行业，但既然进入了就努力让自己去理解这个行业，从完全没有概念到不管对错至少能独立思考，经历了很多，也

2、学习了很多，感谢一路同行的朋友，感恩自己有幸经历的各种场景，今天的我总是能发现自己昨天的不足，对自己也算是在学习中进步；于别人是不是自己活得太累。都不重要哈，自己开心要自始至终！趁着还没有迷糊，就简单梳理一下氢能应有的发展逻辑和自己所掌握的发展现状，更多是科普大众。1什么是氢能源首先我们先来了解一下什么是氢能源。氢能源是公认的清洁能源，它比之其他能源具有很多优势，比如：一是能量密度高，氢气热值大约是石油的3倍；二是零污染，产物只有水，水可以再次分解氢，实现良性循环；三是储量丰富，在海水中就可以开发，而海水资源的在地球上储量可谓取之不尽，用之不竭。氢能作为“电能替代”的一种，它的应用范围很广，包

3、括交通运输、工业生产、能量传输、电网储能调配等领域，是未来能源转型的重要支柱产业。氢能源的产业链涉及到很多方面，如：上游的氢能制备，中游氢能储存运输，下游氢燃料电池及氢能源燃料电池的应用等等。目前，国内的氢能正处于快速发展的阶段，虽然相关产业的发展比欧、美、日、韩都要晚，但其发展势头却非常强劲，产业链的布局已经逐步与西方国家接轨。在氢能源产业链中，绿氢、储运、燃料电池和动力系统中的关键材料等是最受关注的，因为这些环节的技术含量很高，需要有与之匹配的相关生产要素，比如人才、设备等等。近年来，随着全球化能源转型和低碳发展，氢能技术日趋成熟，氢能源发展速度空前，而氢能源概念股也获得了大量资金流入，值

4、得我们密切关注。2.氢能源发展整个产业链实际上我们关注氢能源发展更应该关注整个产业链的两端，一是氢气何处来；二是氢气何处去？2.1. 氢气何处来？现状氢气还没有被大众熟知，甚至普通大众听起来这两个字都陌生。略了解一些的大概能明白来自高炉煤气或者甲烷裂解或者工业副产，当然也包含现在如火如荼的电解水制氢或者其他新技术路线的制氢。这些都不是我表达的重点。我想说的是两个点，如果我们在主观上一定要发展氢能源以及了解发展氢能的意义则一定要明白以下事实。1）终极目标一定是要尽可能脱离以开采和购买化石能源基的方式去制氢。2）大力发展可再生能源，并以低代价获取广义的再生能源为前提大规模去制取氢气，是发展氢能源的

5、基本面，没有这个前提存在就不存在氢能源。这是一种主动的行为，绝不是大家口头上的“弃风弃电”，弃风弃电方式制氢只是让原本不以制氢为目的的大型再生能源发电项目更有经济性一些。3）发展的初级阶段必须有来自化石能源的氢源继续去延续或发挥其该有的必不可少的价值，直到绿氢堪当大任。4）由于化石能源在材料应用领域的特殊性，至少可见的未来很难完全脱离炼化化石能源的材料属性，所以也会有部分工业副产的持续存在。顺便提一下，不必要太过于纠结成本，当赋予其能源和材料的双重价值以及脱碳的必要手段时，应该有其特殊的定价机制。2. 2.绿氢何处去？笼统来讲绿氢的消纳场景不外乎一是去置换原有存量使用场景（更多是材料属性）；二

6、是基于脱碳以及狭义能源形式多样化的背景下的增量市场（比如氢储能、各种燃烧以及燃料电池的氢电转换、氢冶金和氢在建筑行业中的应用）。所以基于以上来看，我们对氢应用的理解不要局限于氢燃料电池以及交通领域，更多目光应该投向于全场景的发展进度。记得BP首席打过一个比方，把氢比作“香槟”还是“瑞士军刀”，这种比喻有着明显的对比是基于不同阶段的不同属性或者成本考量。也记得曾经有一个场景朋友之间在争论氢燃料用作交通到底应该定位于高端市场还是极具民意基础的二三四轮以及老头乐。3.氢能源不同环节的发展现状（简述）。3.1. 制氢端在原有化石能源制氢的基本面支撑下，基于再生能源制氢的技术和能力（尽管仍有相对较新的技

7、术在进入，）在距离2025年之前约有两年半的时间内相关企业在不同规模的示范基础上踏踏实实累积实际工程经验基本上是可以具备大规模制氢的能力了。唯一仍需纠结或继续改善的的是使用再生能源的代价或成本（主要是再生能源以及制氢设备的成本）。3. 11化石能源重整制氢目前中国最常见的制氢方法是以煤炭、天然气为主的石化燃料化学重整技术。煤制氢主要分为煤焦化和煤气化两种方式。煤的气化技术制取氢气是我国当前制取氢气最主要的方法之一，煤气化制氢是将煤与气化剂在一定的温度、压力等条件下发生化学反应而气化为以氢气和CO为主要成分的气态产品，然后经过Co变换和分离、提纯等处理而获得一定纯度的产品氢，该技术成熟高效，成本

8、较低；天然气制氢技术主要有:蒸汽转化法、部分氧化法、催化裂解法、甲烷自热催化重整法等，其中以蒸汽转化制氢较为成熟，其他国家也有广泛应用。但化石能源重整制氢技术消耗储量有限的化石燃料不能摆脱对传统能源的依赖，也会对环境造成污染。图1煤气化制氢技术路线图CH1-AC0*H-0AH：*CO：R产品气导炉版H汽化H收储反应日底境篇HfATTRANSCROR.FURNACfFCEOVAPOWtRMtIHANO1CRACKMGRfACTORUETHANO1WATtRSCRUBMRTOWER3.4. 1.2.电解水制氢电解水制氢技术主要有碱性水电解槽(A1K)、质子交换膜水电解槽(PEM)和固体氧化物水电解

9、槽(SOEC)。目前为止，工业上大规模的电解水制氢基本上都是采用碱性水电解槽制氢技术，但其电能消耗较大，制氢成本高。Anode:oxidationCathode:reductionOxygenevo1utionreaction(OER)Hydrogenevo1utionreaction(HER)2H-030,H1O22HQA-2Ok，鹫即见AEM电解水制氧原理示意图质子交换膜水电解槽(PEM)：不需要液态电解液，这很大程度上简化了设计过程。电解液为酸性聚合膜。该技术的主要缺点是隔膜使用期有限。与碱性电解法不同的是，薄膜电解是由于没有电解液(由于更高的密度和更高的运行压力，需要更严谨的设计)，安

10、全性更强。由于相对成本高、容量小、效率低和使用期短，薄膜电解法目前不像碱性电解法一样成熟可用，还需要进一步改进原料和电池堆设计来改善性能。图2AEM电解水制氢原理固体氧化物水电解槽(SoEC):高温电解法基于高温燃料电池技术，是固体氧化物燃料电池(SOFC)的逆向应用。一种典型的技术是固体氧化物电解池。固体电解质高温水蒸气电解槽的操作温度约IOOOC,它由多孔的阳极、阴极、固体电解质和连接材料等组成。固体电解质通常由氧化钮掺杂的氧化错陶瓷构成。IOOoe的高温水蒸气通过阴极板上时被离解为氢气和氧离子，氧离子通过阴极板，固体电解质到达阳极，在阳极上失去电子生成氧气。我国目前碱性水电解槽(A1K)

11、制氢技术成熟，市场份额高，但在制氢效率等重要技术指标上仍与国外存在一定差距。质子交换膜水电解槽(PEM)技术刚刚起步，性能尤其是寿命尚缺乏市场验证，整体上落后于欧美。另外，值得一提的是，近年来以中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队为主导的“液态阳光”能源转化利用新机制已经逐渐从基础研究走向初步工业化规模生产。“液态阳光”是利用太阳能等可再生能源产生的电力电解水生产“绿色”氢能，并利用产生的氢气进行二氧化碳加氢来生产“绿色”甲醇等液体燃料。目前，全球首个规模化（千吨级）合成绿色甲醇示范装置已经在甘肃省兰州新区的绿色化工园区先行先试，提供了一条从可再生能源到绿色液体燃料甲醇生产的全新途径。通过

12、可再生能源进行电筹制氢的过程OxygenHydrogenCthodReactionUBJqu1n全岸妮一匕0债太图大干处0示负工及JRA1a至ID*tt*.全设化海上碳中和有机大宗化学品生产路线示意图ttttMJ犬*析化学*3. 1.3.生物制氢生物制氢法是以生物活性酶催化为主要机理来分解有机物和生物质制氢，其主要优势是来源广且没有污染，反应环境是常温常压，生产费用低，完全颠覆了传统的能源的生产过程。目前常用的生物制氢方法可归纳为4种：光解水、光发酵、暗发酵与光暗发酵耦合制氢。生物质干燥区热解区轲化区反应区气体分离氧气、PEMH2燃畀电池还原催化4化催化礼先/宓(3-5MPa),160回侬化剂

13、(63-69ppm),90eC麦科HCO2H+氮存储体，核需制氮无需能化Zhang.P.;Guo,Y.-J.;Chen.J.;Zhao.Y.-R.:Chang.J.;Junge.H.Be11er,M.*,U,Y.*,Nat.Cata1.2018,DOI:10.103s41929)18)062-0.生物制氢领域存在一些问题限制了其产业化发展：(1)暗发酵制氢虽稳定、快速，但由于挥发酸的积累会产生反馈抑制，从而限制了氢气产量;(2)在微生物光解水制氢中，光能转化效率低是主要限制因素。凭借基因工程手段，通过改造或诱变获得更高光能转化效率的制氢菌株，具有重要的意义；(3)光暗耦合发酵制氢中，两类细菌在

14、生长速率及酸耐受力方面存在巨大差异。暗发酵过程产酸速率快，使体系PH值降低，从而抑制光发酵制氢细菌的生长，使整体制氢效率降低。如何解除两类细菌之间的产物抑制，做到互利共生，是一项亟待解决的问题。3. 1.4.工业副产气制氢工业副产制氢开发空间较大，可以在提高资源利用效率和经济效益的同时降低大气污染。同时中国生产大量焦炭产生的焦炉煤气，年产量基本稳定在3000万3500万吨之间的烧碱产生的合成气，甲醇及合成氨工业、丙烷脱氢项目的合成气都为工业副产提纯制氢提供了大量原料，且提纯成本较低。获取燃料氢气的技术难点主要在于提纯，99.999%的工业高纯氢都很难达到燃料氢气对于微量杂质的要求。在氢气纯度上

15、，99.99%的高纯氢气可满足燃料氢气99.97%的要求，但难点在于氢气中的微量杂质，尤其是COW0.2ppM是99.99%的工业纯氢甚至99.999%的工业高纯氢都难以达到的。工业氢气关注氢气纯度，而燃料氢气关注特定杂质含量。Co是氢气所含杂质中处理难度最大的，微量CO会导致燃料电池催化剂Pt的中毒失活，要想达到COW0.2ppM的要求，就需要同时将燃料氢气中含量要求不高的N2和Ar等杂质一并脱除至很低的水平，结果就是损失了收率导致燃料氢气成本升高。5.可再生能源制氢制氢路线上由化石能源制氢逐步过渡至可再生能源制氢，大规模低成本氢气是关键，利用可再生能源制取氢气的技术近年来备受关注，研究成果和示范项目也在不断涌现（表1）。“可再生能源+水电解制氢”潜力较大，绿色环保、副产高价值氧气，并可以有效地消纳风电、光伏发电等不稳定，实现富余波谷储能，未来“可再生能源+水电解制氢”有望成为大规模制氢发展趋势。企业行要技术内容日本东北电力公司和东芝公司2016年3月开始实验利用太阳能电解水制氢,再由获得的由进行发电。实验设缶由50kW太阳能发电设备、60kWh蓄电池、5NmVh水电解制氢装置、200Nm虱吸附合