氢能工业现状、技术进展、挑战及前景

在中国实现“碳达峰、碳中和”战略目标的要求下,作为一种可再生清洁高效二次能源,氢气能源得益于资源丰富、来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样、可作为储能介质及安全性好等优点,将成为助力能源、交通、石化等多个领域实现深度脱碳的现实途径,也将成为我国构建现代清洁能源体系重要的接替能源,加快氢能发展步伐已成为全球共识。为了给氢能相关产业加快发展和能源公司加速转型提供理论支持,并为构建“氢能中国”提供依据和参考,阐述了氢产业链中制备、储运、应用等重点环节主要关键技术进展,分析了氢能工业化现状与发展趋势,探讨了氢工业发展所面临的挑战,展望了氢能产业的发展与未来。综合研究认为：(1)我国的氢能技术将走向成熟并进入产业化之路,氢能工业全产业链体系正在逐步形成,将逐渐实现由灰氢、蓝氢到绿氢的跨越式发展;(2)加快推进制氢、储氢、运氢、氢燃料电池、加氢站及其他用氢场景等氢能全产业链整体发展,注重与油气工业深入融合协同,将有效推进氢气工业体系快速高质量发展;(3)推进和实施“北氢东输”“西氢东输”“海氢上岸”等重大工程,利用加油气站等基础设施,可以在产氢、加氢等产业链节点发挥油气公司的先天优势,实...     

碱性水电解制氢装置大型化的研究进展

发展基于水电解制氢的绿色氢能有助于消纳波动的可再生能源“弃光”“弃风”并显著降低氢能成本。碱性水电解制氢技术是未来大规模制备绿氢、连接可再生能源与高碳排放行业、协同实现“双碳”目标的关键性技术。实现绿氢低成本制取的核心是高效大功率碱性水电解制氢装置的高效化、规模化、大型化研制。碱性水电解制氢装置大型化技术攻坚与装备研发的重要方向是高电流密度、大功率和低能耗。电解槽的性能参数决定了整个系统的技术性能。文中从电解槽关键材料的研究、电解槽结构设计优化及相应配套设备大型化面临的挑战等方面描述了实现碱性水电解制氢装置大型化发展的方向。     

燃料电池车产业化是氢能应用的突破口

<正>2022年,我国氢气产能约4882万吨,同比增长1.2%;产量约3533万吨/年,同比增长约1.9%。可再生能源制氢项目加速推进,西北、华北地区引领大型可再生氢基地示范工程规划建设。目前,我国已规划超过300个可再生能源制氢项目,其中建成运营项目达到36个,合计可再生氢产能约5.6万吨/年。以规模化工业应用推动供应链建设,将成为我国氢能产业发展的重要抓手。2022年,     

水电解技术发展及在绿氢生产中的应用

利用风电和光伏电等可再生电力生产的绿氢符合新时代能源发展的要求。可再生电力具有突出的间歇性、波动性、随机性特点,对水电解技术提出了更高的要求。电解水技术发展关键在于材料,本课题从析氧电催化剂、电解质、膜材料、扩散层材料等方面回顾了碱水电解和质子交换膜纯水电解制氢技术的发展;介绍了可再生电力制氢技术应用开发现状,分析了存在的技术难题,并对未来利用可再生电力的电解水生产绿氢技术的攻关发展提出一些建议。     

绿氢产业链安全风险与防控技术研究进展

发展大规模绿氢产业是推动我国能源结构转型和实现“双碳”目标的战略选择。利用可再生能源制备绿氢,将规模性替代化石能源制氢,有效降低能源生产消费过程碳排放,支撑构筑新型能源体系。绿氢产业链主要包括上游绿氢制取、中游绿氢储运和下游绿氢应用。通过分析绿氢制取、储存、运输及应用过程的技术发展现状,总结了绿氢生产各环节存在的安全风险;并基于系统安全及保护层安全防护理念,从技术、标准、政策法规、创新平台等方面提出了相应的风险防控建议,为筑牢大规模绿氢利用安全基础,保障绿氢产业安全高质量发展提供参考思路。     

质子交换膜（PEM）电解水制氢技术进展及应用前景

介绍了PEM水电解制氢的国内外应用与示范案例，结合未来可再生能源发电发展趋势，剖析了PEM水电解制氢在“双碳”目标下的应用方向和前景；同时，对PEM水电解制氢的阴阳极催化剂、质子交换膜、膜电极、集电器、双极板等关键材料和部件技术研究进展进行了综述，重点阐述了低Ir阳极催化剂、非Ir和低Pt阴极催化剂未来发展的几种技术路线，总结了PEM水电解制氢的主要问题和未来发展方向。     

新能源制氢技术发展现状及前景分析

介绍了化学链制氢、生物质制氢、利用弃风/弃光电解水制氢、太阳能光催化分解水制氢等新型清洁能源制氢技术的研究与应用现状,对各种制氢技术的产业发展前景进行了分析。在氢燃料电池汽车产业发展过程中,化石原料制氢(包括工业副产氢气及化合物热分解制氢)仍将是制氢技术中的主流工艺路线,而生物质制氢、"绿电"电解水制氢、太阳能光催化分解水制氢等新能源制氢是化石原料制氢的重要补充,未来的氢气生产将呈现化石原料路线和可再生原料路线优势互补、多元化并存发展的格局。为推动新型清洁制氢技术的快速发展,建议我国政府应从国家层面持续做好顶层设计,对新能源制氢产业化项目给予产业政策扶持;国内科研院所应加强与企业的技术研发合作,加大开发绿色、低碳、低成本制氢技术,推动制氢技术进步和氢燃料电池汽车产业快速成长。     

集中式制氢技术进展及成本分析

氢能具有质量能量密度大、来源多样化、应用场景丰富、终端零排放等特点,在保障国家能源安全、应对气候变化、推动产业升级、实现高质量发展等方面具有重要意义。本文重点介绍集中式制氢的主要类型,包括天然气制氢、煤制氢、工业副产氢和电解水制氢,并分析其制氢成本。对于煤制氢和天然气制氢,技术比较成熟,全球范围内应用广泛,原料价格对成本影响较大;对于工业副产氢,现阶段最具市场竞争力;对于电解水制氢,发展潜力最大,若与可再生能源结合,生产的氢气属于“绿氢”,更符合未来绿色能源需求。     

“碳中和”背景下的液氢发展之路探讨

全球环境问题的凸显加速了能源结构向降低化石燃料依赖方向的转型,以风光发电为代表的可再生能源得到快速发展,其中氢能的发展成为热点之一。随着氢能规模化发展,液氢是突破整个氢能体系规模化、商业化运营瓶颈的必由之路,也是实现“碳中和”目标的必由之路。为此,以可再生能源与液氢结合的电氢体系为基础,制订了基于液氢的产业发展路径,分析了液氢路线优缺点,探讨了“碳中和”目标下液氢所应承担的角色,梳理了液氢加氢站中液氢储运的液氢加氢（L-LH2）、高压气氢加氢（L-CGH2）、高压低温加氢（L-Cc H2）三种技术模式,指出了液氢产业链需要解决的难题。研究结果表明：(1)参考国外氢能发展路线和LNG的发展历程,建立可再生能源与液氢结合的电氢体系,制订基于液氢的产业路径,可实现新能源的优势互补良性发展;(2)液氢路线具有储存和运输方便、安全性高、纯度高等优点和技术难度大、能耗较高等缺点,与风光电结合可规避因能耗高而成本高的缺点;(3)“碳中和”目标下液氢承担了储能介质、能源媒介、工业原料三大角色,将在储能领域发挥重要作用;(4)液氢产业链需要解决的主要难题包括中大型氢液化装置、大型液氢球罐、高压液氢泵、液...     

电解水制氢之提效降本

氢能作为一种绿色清洁能源，被誉为未来最有前景的替代能源之一。近年来，电解水制氢作为一种绿色制氢技术受到了广泛关注与研究，但因电解水反应阳极析氧过程受热力学限制以及动力学反应速率缓慢，导致阴极的产氢效率很低，且产物氧气的附加值不高。基于电解水制氢之提效降本目标，从高效电解水催化剂设计、海水电解制氢以及电解水制氢耦合氧化等角度综述了电解水制氢的最新研究进展，特别是分析了催化剂设计与系统设计对制氢效率的影响。最后，对电解水制氢领域现阶段存在的挑战以及未来发展方向进行了展望，期望为电解水制氢技术的发展提供借鉴。     

川渝地区天然气产业与氢工业融合发展路径

“双碳”背景下,天然气产业与氢工业融合发展将势在必行,天然气与氢气同属气体能源,两者在产业链及生产制备—储运—利用等相关技术上存在交集,产业融合发展具有较强的理论和实践可行性。为此,通过研究天然气和氢气的制备及储运基础技术、储存—运输—加注等环节技术革新和管制放松的产业融合理论,构建了产业融合模型,结合川渝地区产业基础优势,提出了天然气产业与氢工业融合协调发展实施路径。研究结果表明：(1)依托川渝地区丰富的天然气资源,积极发展天然气制氢业务;(2)依托该区天然气管网优势,重点突破天然气管网掺氢运输,适应后期规模化用氢需求,降低终端成本,逐步“西氢东输”;(3)依托天然气装备制造优势,转型升级,大力发展超高压及低温液氢储运装备;(4)依托该区庞大的加油、加气站群,改扩建站点,合理布局具有加氢功能的综合能源补给站;(5)依托该区巨大的天然气消费需求,稳步推进混氢天然气在交通、民用和工业领域的示范应用。结论认为,川渝地区天然气产业与氢工业融合协调发展将助力低碳清洁能源体系的构建和能源结构的转型升级,能够为中国的天然气产业与氢工业高质量融合发展提供川渝实践样板。     

国内外氢能产业政策与技术经济性分析

氢能作为21世纪人类可持续发展最具潜力的二次清洁能源,受到全球范围的高度重视。分析了国内外氢能产业政策、技术与经济性等发展现状：当前国外主要发达国家结合自身禀赋,形成了深度脱碳、能源独立和资源出口等“氢经济”战略模式,并加速电解水制氢、高密度气液固储氢、大规模地下储氢和长寿命氢燃料电池等氢能核心技术的布局;我国氢能产业发展尚处于初期阶段,上游制氢以灰氢为主,中游的氢储运技术与经济性存在瓶颈,下游氢能应用产业刚刚起步,需要结合不同地区资源状况与产业特点推动氢能差异化和多元化发展,通过研究机构与龙头企业联手引领突破技术与经济壁垒和政府出台政策引导扶持,加快构建具有中国特色的氢能“制-储-运-加-用”产业链与规模化发展。     

海上风电制氢经济评价模型及关键影响参数

全球绿色低碳转型正在加速，多国聚焦可再生能源制氢技术，大力培育绿氢产业。其中海上风电制氢技术具有项目规模大、产能优势明显、毗邻水源地、制氢原料充足等优势，越来越受到各国的关注，但过去对该技术方案经济性的研究多局限于欧洲区域，结论具有局限性。为此，以中国广东省海域某海上风电项目为例，按照输电方式、售电比例、制/输氢技术等设计了5种方案，并计算了不同方案的项目内部收益率（IRR）和平准化制氢成本（LCOH），进而剖析了风场规模、离岸距离、制氢技术、氢气售价等多个敏感性因素对关键指标的影响程度。研究结果表明：(1)离岸距离是决定项目开发方案的关键因素，当离岸距离小于100 km时，采用交流输电技术的并网发电方案IRR最高，当离岸距离超过150 km时，离网制氢方案IRR整体更优；(2)对比不同离网制氢方案，海上制氢配合专用管道输氢模式，无论在IRR还是LCOH方面始终优于岸上制氢模式，两者的经济性差距随离岸距离的缩小而收窄。结论认为，提升项目规模、提高氢气售价、减少或不使用储氢设施以及采用碱性电解槽可以大幅提升海上风电制氢项目的经济性，使LCOH低于22.5元/kg，基本具备市场竞争条件。     

基于MILP模型的氢气供应链路径优化

随着中国对可再生能源重视程度的日益增加，氢能需求量可能会呈大幅度增长趋势。促进氢能产业的发展，首先需要考虑实现高效、经济的氢气供应运输途径。为此，综合考虑氢气需求量、制氢厂产量、供应链运输能力、不同方式运输费率、新建基础设施投资等因素，以氢气供应链系统运行总费用最小为目标函数，建立了混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming,MILP）模型，并以中国南方某区域为研究实例，计算求解获得不同氢气需求量场景下的最佳氢气运输方案。研究结果表明：(1)现有模型主要考虑运输方式在制氢厂至氢气需求地之间的经济性，并在建立的模型上分析氢气供应链的安全性和减碳效果；(2)在现有氢气市场需求量的情况下，氢气通过长管拖车短距离输送、天然气掺氢管道输送是较好的选择；(3)随着未来氢气利用市场规模扩大、需求量增加，新建纯氢管道则逐渐表现出较好的经济性。结论认为，研究建立的MILP模型对优化氢气供应运输方案具有较好的效果，有助于为不同实践场景下的氢气运输方案选择提供参考与借鉴。     

世界氢能产业与技术发展现状及趋势分析

氢作为一种来源广、零污染、零碳排的绿色能源,是推动传统化石能源清洁利用和促进可再生能源规模发展的理想能源载体。美国、欧洲和日本等发达国家和地区十分重视氢能产业与技术创新发展,纷纷出台政策和投入资金,加快氢能产业与技术研发布局,重点推动燃料电池汽车量产和加氢站基础设施建设。世界氢能技术创新十分活跃,氢气绿色制取、高效储运进展显著,氢能产业已进入商业化发展前期。中国氢能技术研发和产业发展布局近年取得积极进展,氢能上中下游产业集群已具雏形。石油公司具有较好的产业基础和资源市场等优势,应谋划产业布局,加快推进氢能发展战略研究和试验示范;通过构建创新联合体、构筑产业联盟,加快氢能科技创新,推进氢能与传统油气业务一体化融合发展,积极培育氢能新兴产业,坚定迈向综合性能源公司。     

石化低碳转型发展绿氢的挑战与建议

将可再生能源生产的绿氢作为工业原料和替代燃料,用于炼油化工、冶金、建材制造和交通运输等脱碳难度大的行业,能够发挥显著的碳减排作用。国际上一些著名的石油公司在新能源和氢能业务发展方面做出了表率,不少项目展示了良好的示范效应。但是,绿氢生产因太阳能和风能能量密度低,电解水制氢经济性差而面临占地多、成本高等难题。石化转型发展氢能不仅能够巩固交通能源供给的优势地位,而且有助于减少自身的碳排放,建议加强该领域的技术创新开发,提高工艺经济性水平,降低投资和运行管理成本;并充分利用社会资源,创新发展模式,降低发展风险,获得更多发展先机。     

“双碳”目标下海洋油气资源高效利用的关键技术及展望

在中国“碳达峰、碳中和”目标下,作为我国油气资源最大增长潜力来源的海洋油气资源的高效利用显得更加重要。以油气资源分子工程与分子管理为指引,分析了中国海洋石油与南海富碳天然气开发面临的机遇和挑战,重点介绍了原油（重油）直接制化学品与材料（DPC）技术、CO₂-CH₄干重整（DRM）技术、CH₄直接转化技术、合成气与烯烃氢甲酰化生产醛醇技术、耦合非化石能源（绿电）制氢（绿氢）的富碳天然气直接生产碳中性燃料和化学品等技术,并结合中国海油的实践探讨相关科学与工程问题,给出了相应建议与展望。     

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研究燃料汽车及其氢源系统是当今国内外能源工业与汽车工业的共同课题，而优选制氢能源则是这一课题的关键。章介绍了利用能源、经济、环境(EEE)——生命周期评估(LCA)这一综合评估方法，针对以天然气、煤或石油作为制氢能源的多种燃料电池氢源供应方式以及配套的燃料电池汽车系统，从经济性、能源利用效率和环境影响三个方面进行了生命周期清单分析和EEE综合评价。结果显示：天然气作为发展燃料电池汽车氢源的一次能源，具有氢制取技术路线多样化、经济上竞争力强、能源利用效率高和环境效益好等诸多优势，应为燃料电池汽车的首选制氢能源。对这一评估模型的敏感性分析显示，即使在天然气价格波动较大时，天然气制甲醇--甲醇车载重整车和天然气制氢--纯氢车这两个方案仍然最具优势。     

CO2和H2O共电解可生产液体燃料

美国哥伦比亚大学Lenfest可持续能源研究中心的研究人员与RisФ国家可持续能源实验室合作,于2010年7月24日宣布,正在研究采用固体氧化物电解电池（SOECs）使CO2和H2O进行高温共电解,以便产生合成气,供转化生产液态烃类燃料。根据闭环燃料循环过程,CO2可被循环为烃类燃料,该过程基于捕集来自大气中的CO2,在固体氧化物电解电池中采用CO2和H2O的高温共电解,产生合成气（CO／H2混合物）,并从合成气催化生成合成燃料。     

“碳中和”目标下分布式制氢技术优选

氢气因其使用过程“零碳排放”,是未来“碳中和”目标下的重要能量载体,并将在交通运输行业中发挥重要作用。然而氢气的体积密度小,运输成本高,在生产和储运过程中存在二氧化碳排放。为了选择合适的制氢用氢方式,对不同氢气运输方式的经济性和能耗进行了系统分析,对不同制氢技术的二氧化碳排放量进行了计算和对比,并分析探讨了制氢过程的二氧化碳减排路径。研究结果表明：(1)分布式站内制氢可以作为降低氢气储运成本,减少二氧化碳排放的重要制氢方式.其制氢技术包括天然气转化制氢、甲醇裂解制氢、水电解制氢和氨分解制氢4种;(2)以水电解制氢和氨分解制氢为基础可开发无二氧化碳排放的制氢技术,如采用分布式风电和分布式太阳能发电配合水电解制氢,可实现制氢和加氢过程的二氧化碳零排放,以可再生能源的弃电生产“绿氨”结合氨分解制氢也可实现二氧化碳零排放;(3)分布式“绿电”需要面临风电或光伏发电选址、储能系统建设以及投资大幅增加的问题,而弃电生产“绿氨”同样面临大量稳定的电源、降低氨合成的能耗以及较大的投资问题。结论认为,以“绿电”为基础的分布式制取“绿氢”技术,是氢能应用于交通领域的发展趋势,同时,经济稳定的“绿电”生产是...