氢燃料电池技术在中国的开发和应用进展报告.pdf
《氢燃料电池技术在中国的开发和应用进展报告.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氢燃料电池技术在中国的开发和应用进展报告.pdf(28页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、氢燃料电池技术在中国的开发和应用进展报告聚焦全球挑战解洪兴*彼得 奥克森(Peter Oksen)*郭星星*何新*边悦*中关村创蓝清洁空气产业联盟,北京*WIPO GREEN,日内瓦联合国开发计划署(UNDP)驻华代表处王婉伊和中国佛山环境与能源研究院王子缘对本文亦有贡献2内容提要氢能作为一种能源形式和储存介质,在气候变化和环境影响方面具有重要的潜在优势。然而,目前利用的氢能几乎完全基于化石燃料,因此不是气候中性或有益于应对气候变化。绿色氢气生产取得了重大的技术进步,但其成本仍然高于基于化石燃料的氢气生产。氢能使用技术也正在开发中,但可实现规模化的技术却寥寥无几,因此,氢能作为一种清洁能源在很
2、大程度上仍然属于未来的技术。然而,由于氢能具有巨大的吸引力,在全球范围内,许多政府制定了氢能开发计划,并与私营部门携手对氢能的研究与开发进行了大量投资。在中国,氢能和燃料电池预计将为实现 2060 年国家碳中和的官方承诺发挥重要作用,并已被纳入多项经济发展计划和政策。中国制定了 100 多个规范氢能生产和使用的标准,这是实现规模化的重要先决条件。近年来,该领域的创新发展突飞猛进,这反映在目前中国的专利申请在全球占领先地位。中国的多个省级政府和工业城市集群已在着手实施雄心勃勃的计划,以发展和促进氢能在交通运输(特别是重型和长途运输)和工业中的应用。尽管氢能的规模化和主流化面临着技术和经济性障碍,
3、但有明显的迹象表明,氢能的潜在优势具有巨大的吸引力,政治意愿和经济手段都已到位,使氢能成为其他新能源和可再生能源的重要补充。导言氢能在许多国家、研究机构和公司的政治和创新议程上占有重要地位。它是一种用途十分广泛的储能介质,在促进向碳中和能源转型中具有巨大潜力。目前,氢能主要来源于化石燃料,规模化使用氢能的技术和经济挑战仍然相当大。本报告概述了当前国际上的氢能和燃料电池技术趋势,并重点回顾了氢能和燃料电池在中国这个全球最大应用市场的进展。近年来,中国积极推动氢能技术的研究和开发(研发)、示范和商业应用。本报告对当前中国氢能和燃料电池发展的政策、规划、标准、专利、试点项目和示范活动进行了解析。3氢
4、能和燃料电池技术国际趋势和潜力氢能作为储能介质的优势氢能作为一种能源在全球范围内的发展正在加快,并在商业和政策上得到大力推广。有多项技术可以发挥氢能的优势。然而,为了使氢能在经济上具有吸引力,需要对其进一步开发和规模化(IEA,2019)。这就为评估氢能作为能源和储能介质在未来所发挥的作用带来了不确定性。氢是一种无色无味的气体,是地球上和宇宙中含量最多的元素。它的能量密度高,可与氧气燃烧并产生热能,剩余物质为水,因此它是一种燃料,在最终使用过程中没有二氧化碳(CO2)或其他有害的气体排放。例如,在交通部门,这可以帮助改善大城市的空气质量。它是一种潜在的清洁和可无限供应的能源,也被用于许多化学和
5、其他行业。遗憾的是,在自然界中不存在氢单质,因此必须通过生产才能得到氢气。1清洁和会产生污染的氢气:绿色、灰色、棕色和蓝色目前生产的氢气有95%以上来源于化石燃料,其中天然气是最主要的来源。全球开采的约6%的天然气和2%的煤炭被用于生产氢气(IEA,2019)。天然气是最便宜的氢气来源,蒸汽甲烷重整(SMR)是最常见的生产方法。这通常被称为灰色氢气。该工艺在700摄氏度至1100摄氏度的温度下进行,需要消耗大量能源。此外,其副产品包括二氧化碳和其他温室气体。生产一吨氢气可能会产生超过9吨的二氧化碳,这接近于汽油燃烧所产生的排放水平(一公斤氢气的能量相当于一加仑汽油,后者的二氧化碳排放量约为9公
6、斤)(Rapier,2021)。煤的气化在一些国家是一种广泛的氢气来源,通常被称为棕色氢气。煤炭利用水和热量产生合成气,这是一种二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷和乙烯的混合物。这种已延续了数百年的工艺会产生大量污染物,所生成的物质通常被称为“城镇燃气”(Farmer,2020)。1 不同于石油、煤炭、风能或太阳能,氢气不是一次能源,而是更类似于电力等能源载体或介质。在本报告中,我们不赘述这一区别,因为它不会产生任何实际影响。因此,我们把氢既作为一种能源,也作为一种储存介质。目前,氢气生产所产生的二氧化碳排放量相当于印度尼西亚和英国排放量的总和(IEA,2019)。因此,目前的氢能利用没有实现碳中
7、和,因而可以将其视为与石油、煤炭和天然气同属一类的化石燃料。然而,生产碳中和或绿色的氢气是完全可能的。这一领域的技术正在迅速发展,尽管其成本仍然高于天然气。相比使用天然气作为原料的氢气生产方法,可以通过电解将水分解成为氢和氧,其中阳极产生氧气,阴极产生氢气。这个过程需要消耗大量电力,但如果这些电力来自可再生能源,那么氢能将可能或接近达到碳中和。富含可再生能源的地区,如拥有太阳能的中东、北非、南美和澳大利亚,可以成为氢气生产地区。绿色氢气最早至2030年就可达到与灰色氢气同等的成本,这是有可能实现的目标(氢能委员会和麦肯锡,2021)。欧洲联盟的目标是其电解槽装机容量到2030年达到40吉瓦,这
8、表明欧盟在快速发展绿色氢气方面具有强烈的政治意愿。预计到2030年,中国生产的所有氢气中约有17%是绿色氢气,年产绿色氢气总量将超过1800万吨(中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟,2019)。尽管如此,绿色氢气仍需要大幅增产,才能与灰色和棕色氢气竞争。对绿色氢气和灰色氢气之间平衡点的乐观计算包括提供碳税等政策支持举措(氢能委员会和麦肯锡,2021)。另一个选项是在氢气生产过程中用沼气代替天然气。沼气最常见的生产方法是通过废弃生物质的厌氧消化、气化或提取垃圾填埋场气体来生产,但所产生的物质必须升级为甲烷含量与天然气甲烷含量相当(90%)的生物甲烷。这一过程也需要能源,但其效率可以达到相当高的
9、水平,沼气中包含的高达87%的甲烷可被分离出来。然后可以使用SMR工艺从生物甲烷中生产纯氢,其方式与使用天然气的工艺类似(Saur和Milbrandt,2014)。还可以将沼气直接转换为氢气。一个由欧盟资助的试点工厂正在意大利运行。它使用一种基于钯的膜反应器技术(化学转换和膜分离联合工艺),可以在500摄氏度左右的相对低温下生产氢气,转换率达70%(CORDIS,2020)。4通过在天然气开采过程中使用碳捕获和储存(CCS)技术,可以生产低碳氢气。CCS技术可以去除对气候有害的副产品。尽管仍需要为此开展大量开发活动,但有人预计低碳氢气到2030年就可以实现与灰色氢气的商业竞争(氢能委员会和麦肯
10、锡,2021)。然而,其他人则不那么乐观(Barnard,2021)。使用CCS技术从化石燃料生产的氢气通常被称为蓝色氢气。本报告主要侧重于关于氢能利用的现有技术和正在开发的技术,而非氢气的生产过程,因而没有过多涉及有关氢能供应侧的内容。但应注意的是,本文所讨论的技术是否为绿色技术或碳中和技术取决于其使用的氢能是否环保或达到碳中和。因此,基于氢能的技术本身并不一定是绿色技术。氢能技术氢能在多个经济部门有很大的潜力。一般来说,它作为储存介质或燃料进入能源系统。可以通过直接燃烧或燃料电池的电化学转换来提取能量。它可以作为气体或以液体形式运输,类似于液化天然气。膏状氢燃料也正在开发中,这可能会扩大氢
11、能在交通运输中的应用(Burgess,2021)。这种形式的氢气以化学的方式被结合在稳定的固体氢化镁中,并且可以通过在一个受控过程中添加水来释放。与目前基于电池的电动汽车相比,以氢能作为燃料的重型和长途运输以及个人车辆具有更佳的燃料补给频次和续航里程。氢能在用于储存过剩的可再生能源(如风能或太阳能)方面也具有相当大的潜力。过剩能源可作为水电解工艺的原料,由此产生的氢气可用于储存、运输和消耗。直接燃料氢能可以作为燃料用于多个行业。它可以用在燃气轮机中来发电。在建筑中,它可以在已有的天然气管网中与天然气混合用作家用燃气。它还可以用作内燃机的燃料,这对于卡车等重型车辆尤为相关,同时氢能也越来越多地被
12、视为航空和航运的替代性低碳燃料(IEA,2019)。航运产生的温室气体排放占全球温室气体排放总量的2%,其中80%来自长途船只。目前,实现航运零排放的最经济的途径是在内燃机中使用氨作为燃料。氨可以通过哈伯-博施制氨法将空气中的氮气加入氢气来制备。与液态氢不同,液态氨不需要制冷到极端温度。它还具有更高的能量密度,因此运输效率高。然而,要想所有长途航运都使用氨作为燃料,则需要目前全球的氨产量增加三到四倍(氢能委员会和麦肯锡,2021,雅苒,2021)。燃料电池燃料电池通过电化学法,从氢气和氧气中产生电力,没有任何中间储存或燃烧。据报道,这一方法的效率是内燃机和涡轮机的两倍(Nahar等,2017)
13、,废产物是水,某些类型的燃料电池还会产生二氧化碳。燃料电池的功能类似于电池,但需要以氢气和氧气(空气)的形式持续供应燃料。燃料电池可扩展,可以作为小型、低瓦数的电源装置(如家用或车用),或作为大型工业储能装置或兆瓦级发电厂。该技术自20世纪60年代以来一直在使用,因此相对成熟。它的一个著名应用实例是在美国国家航空航天局(NASA)的航天飞机计划中被用于提供机载电力和饮用水。与电池一样,燃料电池由阳极、阴极和电解质组成。它们根据所使用材料的不同存在多种形式。在某些情况下,电极(阳极和阴极)由铂金等贵金属制成,这使得成本增加。电解液可以是固体或液体。电化学反应产生热量,一些系统在高温下运行(700
14、-1000摄氏度),而其他系统在远低于100摄氏度的温度下运行。能量转换效率从60%到70%不等,但如果产生的热量在热电联产系统中得到有效利用,则能量转换效率可提高到80%以上(Hydrogen Europe,2021)。最常见的燃料电池类型有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和磷酸燃料电池(PAFC),它们各自具有不同的效率、成本和维护特点。5PEMFC是最常用的汽车燃料电池。它采用一种聚合物膜作为电解质以及含有铂金的碳电极。后者使这种电池相对昂贵,但它可以回收,并且人们正在研究可能会降低成本的铂金替代品。
15、这种电池只需氧气和纯氢作为燃料,且只产生水这一种剩余物质。它们在80摄氏度左右的低温下运行,可以满足车辆在初始阶段对高密度动力的高需求(图1)。在使用纯氢驱动电动机的燃料电池电动汽车(FCEV)中,除了水以外没有任何尾气排放。为了使氢能得到广泛采用,必须建设造价不菲的加气基础设施。加气不像汽油等那样简单。原则上,氢气可以通过增加一个电解槽(承载水电解工艺的装置)以及一个电源和水源在现场生产(图2)。这样就不需要对氢气进行液化和运输到加气站。但是,所产生的氢气在加注给车辆之前必须进行压缩,压缩过程产生的热量随后必须通过冷却工艺去除。严格来说,液化并不是运输的必要条件,但可以提高效率。液化过程包括
16、压缩和冷却到低于240摄氏度,这需要大量的能量。加气系统的所有组件都需要能源和设备,这使得加气相对复杂和高成本。PEMFC 质子交换膜燃料电池 电解质:水基酸性聚合物膜 亦称聚合物电解质膜燃料电池 两个电极均使用铂基催化剂 通常以氢气为燃料 在相对较低的温度下运行(低于100C)高温型燃料电池使用矿物酸电解质,最高可在200C运行 电力输出可以变化,是车辆的理想选择电子流氢气过剩氢气水氧气电解质氢离子阳极阴极CATHODEANODEH2O212345H2电解槽上游加氢站低压存储高压存储预冷加氢机压缩机Shell Hydrogen Study Shell图 1-PEMFC 燃料电池的工作原理 (
17、Hydrogen Europe,2021)图 2-加氢过程 (Hydrogen Europe,2021)6目前的国际趋势和潜力尽管存在经济和技术挑战,氢能的发展正在加快。由于它具有许多用途和多功能性,特别是作为一种潜在的清洁、可无限供应和气候变化中立的能源,许多国家的私营和公共部门正在进行密集的研发。寻找绿色氢气的替代性和低成本生产方法已成为一个高度优先事项,因为绿色氢气将是氢能技术规模化的一个主要卖点。各国政府正越来越多地采取氢能政策,到2021年初,已有超过30个国家制定了氢能路线图。在全球范围内,各国政府承诺为氢能开发提供超过700亿美元的公共资金(氢能委员会和麦肯锡,2021)。产业界
18、开始注意到氢能的潜力,一些氢能产业公司经历了股票市场价格的飙升,引起了人们对金融“氢能泡沫”的担忧。但行业大公司进入该领域表明氢能存在真正的潜力,并且各方期望在不久的将来获得市场收益。中国、韩国、日本和德国经常被认为在开发氢能解决方案方面处于领先地位,但澳大利亚、法国、美国、英国和加拿大也很活跃(彭博社,2021)。欧洲的项目数量最多,尤其是大型工业规模的项目(氢能委员会和麦肯锡,2021)。2020年,欧盟委员会发布了至2050年的氢能战略和路线图,其中概述了雄心勃勃的绿色氢气生产和使用计划。发展呈现多样化,多个国家齐头并进日本多年来一直致力于向氢能经济过渡。丰田Mirai是第一辆商业化量产
19、的氢能FCEV,于2014年上市(WEF,2018)。这款中型汽车的续航能力为500公里,其最大的市场是美国。日本还拥有世界上最大的装机容量达10兆瓦的水解工厂,并由附近的一家20兆瓦光伏工厂提供电能(Godske,2021b)。2020年,韩国发布了氢能经济路线图,设想到2040年生产620万辆氢能和燃料电池汽车,并建造1200个加气站(Engie,2020,彭博社,2021)。印度计划在2021年对绿色氢气生产进行公开拍卖,以推动绿色氨气生产,可能以此作为一些行业强制性最低绿色氢气采购的一部分。从印度最近的招标中可以看出,随着太阳能发电成本的下降,绿色氢气的电解工艺在经济上变得更加可行。公
20、开拍卖可以帮助降低价格,就像风电和太阳能发电的情况一样(Saurabh,2021)。智利已经启动了第一个绿色氢气国家招标,截至2021年9月,有10家公司投标。中标者将获得高达3000万美元的政府项目融资。拥有巨大太阳能潜力的智利正在制定一项战略,计划通过海上油轮以氢能的形式“出口阳光”。而这可以帮助降低全球绿色氢气的价格(全球能源奖,2021)。德国有超过30个电转气示范项目正在进行中。氢能被认为是未来可持续发展的关键技术,德国政府已拨款70亿欧元,以支持直至2030年的氢能发展(Godske,2021a)。2021年初,联邦教育和研究部已拨出7亿欧元来支持三个主要项目,即电解装置批量生产、
21、利用离岸风车直接离网生产氢能以及开发储存氢能的高压罐和管道(BMBF,2021)。世界上迄今为止最大的电解厂正在莱比锡附近建设。它的计划装机容量为24兆瓦,将主要通过管线为当地产业提供氢能。在汉堡,一个更大的100兆瓦工厂将于2025年完工(Godske,2021b)。在德国北部,一列由氢燃料电池驱动的火车在100公里长的轨道上运行。该列车由法国铁路运输制造商阿尔斯通公司建造,一罐氢气的续航里程达1000公里,不直接使用的能量被储存在电池中(WEF,2018)。2020年,类似的列车在荷兰格罗宁根测试成功,表明它可以成为在同一路网运行的柴油列车的完全可持续的替代品(阿尔斯通,2021)。7奥地
22、利于2019年开设了一个6兆瓦水解厂(Godske,2021b)。巴黎有600辆燃料电池出租车。丹麦拥有世界上第一个全国性加氢站网络,现在有一半的人口居住在距任一加氢站15公里的范围内(彭博社,2021)。丹麦能源巨头沃旭正在领导一个联合体,计划在2030年前使哥本哈根氢气生产的装机容量达到1.3吉瓦(Godske,2021b)。丹麦大型石化公司哈尔德托普索公司计划修建一个新的工厂来生产电解装置。该工厂将每年生产装机容量达500兆瓦的机组。欧盟决定在2024年前支持建造至少6吉瓦的电解装机容量,在2030年前支持建造至少40吉瓦,这是丹麦发展背后的动力之一(Andersen,2021)。但丹麦
23、尚未制定一个全面的氢能政策和路线图。在挪威,大型化肥公司雅苒正与挪威公用事业公司国家电力联手,利用水电在波斯格伦建造一个大型商业氨厂。该项目计划利用电解制氢工艺来生产无排放的氨,以用作船舶燃料、肥料,并进行工业应用。重新利用现有氨厂使该项目的资本投资大幅减少,并且该项目可以为具有商业竞争力的绿色氨铺平道路。除了生产氨这一重要的出口产品外,该工厂还可能有助于该国的海运业获得早期竞争优势(Casey,2021,雅苒,2021)。丹麦埃斯比约的汽车加氢站,2021 年 3 月(图:Peter Oksen)8中国十分重视氢能及燃料电池的发展在中国,氢能和燃料电池已经成为了政府、企业以及研究机构的重点关
24、注领域。作为全球最大的电动汽车市场(到2020年累计约为全球市场规模的50%)(IEA,2021),中国也将氢能和燃料电池视为关键的战略能源创新方向。中国的低碳发展承诺以及空气污染防治行动加速了氢能及燃料电池的发展,相关领域的科技研发和应用也在中国得到了快速的推进。在2018年,中国申请人提交了近4000件燃料电池相关的专利申请,在数量上超过了一直主导燃料电池专利申请的日本。碳达峰及碳中和目标的驱动2020年9月,中国国家主席习近平在联合国大会上提出了中国将在2030年实现碳达峰、2060实现碳中和的宏伟目标。在2019年,中国的清洁能源生产量约占一次能源总生产量的四分之一(国家统计局,202
25、0a)。中国需要降低对化石能源的依赖,提高清洁能源的占比。氢能作为一种能量密度高、零排放的新能源已经引起了中国各级政府的重视,尤其是氢能在燃料电池中的应用。此外,在钢铁、化工原料、高品位热力需求等领域的深度脱碳过程中,可再生能源与电气化也难以取代化石燃料的作用,而氢能可以扮演非常重要的作用。未来的中国,随着大比例间歇性可再生能源电力接入电网,保证电力系统的安全稳定运行则需要一系列技术创新的支撑,如大规模储能技术、智能电网技术、分布式可再生能源等。利用氢燃料作为跨季节、跨地区的储能手段将会拥有较大的潜力。相关预测显示,到2050年氢能在中国能源结构的占比或超过10%(中国电动汽车百人会,2020
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 燃料电池 技术 中国 开发 应用 进展 报告
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【Stan****Shan】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【Stan****Shan】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。