【百人会直播】顾大钊:神华氢能产业的规划和实施情况

by admin on 2020年4月6日

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6月26日中国氢能联盟发布《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》中干货很多,传递了大量重要信息。为了让大家有更加清晰的认识和理解,联盟小氢带你解读白皮书。本期,我们将对标全球,探究我国氢能技术发展现状和问题,并结合其他国家先进经验,展望我国未来氢能技术发展路线。

中国工程院院士顾大钊

“氢能是多能源传输和融合交互的纽带,是未来清洁低碳能源系统的核心之一。氢能燃料电池技术正成为全球能源技术革命的重要方向和各国未来能源战略的重要组成部分。”中国电动汽车百人会燃料电池分论坛上,中国汽车工程学会常务副理事长兼秘书长张进华如是说。

随着能源转型、生态环境改善的日趋紧迫,氢能在全球范围内的能源地位也越来越明晰。广泛使用氢能不仅有助于减少碳排放,同时有助于能源安全和可持续利用。近年来,世界各国政府都致力于研究氢能及燃料电池技术,从而实现雄心勃勃的减排目标。

顾大钊:女士们,先生们,大家下午好!下面我简要汇报一下“神华,氢能产业的规划和规划的实施情况”。


“十三五”国家新兴战略产业发展规划》中明确强调,要系统推进燃料电池汽车研发与产业化,这表明了国家对于燃料电池汽车发展的支持和肯定。论坛上,多位燃料电池领域的行业专家从成本、技术、产业前景等方面探讨了氢燃料电池汽车的发展。

白皮书系统介绍了国际上氢能及燃料电池产业链各环节的最新技术现状:制氢方面,目前化石能源重整仍是全球主流的制氢方法,电解水制氢技术不断进步;储运方面,现阶段以高压气态储氢和长管拖车运氢为主;加氢站方面,以35MPa和70MPa气氢加氢站占70%,液氢加氢站数量紧随其后;燃料电池汽车方面,国际先进水平电堆功率密度已达到3.1KW/L。

我们知道,能源发展的方向是清洁低碳,而且氢能可以说是最低碳的清洁能源,因此说氢能将促进产业革命。我们认为氢能大规模产业化最少在三个方面要取得突破:一是低成本大规模的制氢技术。二是氢能基础设施。三是燃料电池技术。

氢能产业打下基础

制氢:氢气的脱碳之路

神华为什么要介入氢能产业吗?大家知道,神华是世界最大的以煤炭为基础的综合能源企业,现在神华提出要建成世界一流的清洁能源企业,不仅要提供世界一流的清洁能源产品,还要提供世界一流的清洁能源技术,因此氢能产业和神华总体战略的契合度非常高。

氢能燃料电池首先需要回答的疑问是,推动新能源汽车发展重点是插电式和纯电动,还有必要做氢能燃料电池吗?张进华认为,氢能燃料电池由于续时里程、加氢速度、成本优势,决定它在重载、长距离、大型的车辆中一定会有重要应用。“2020年后,特别是财税政策调整后,这种趋势会更加明显。”

我国已经是世界第一大制氢国,2018年,中国氢气产量就有约2,100万吨。然而伴随高产量的还有高碳排放。

神华在氢能产业方面有一定的优势,首先,我们有装机800万千瓦的风电光伏等可再生能源,这为可再生能源的制氢创造了条件。更重要的是,神华是世界最大的煤化工产业。神华现有的煤气化设施,如果全部用来制氢,每年可生产氢气400万吨,可以提供4千万辆燃料电池乘用车供氢。但是有人可能会说,煤制氢会产生大量的二氧化碳,为了解决这个问题,神华在鄂尔多斯已经成功的进行了30万吨二氧化碳的CCS(二氧化碳的捕捉和封存),技术上没有问题,现在每吨二氧化碳的捕捉和封存的成本大概在250元。

另一方面,氢能产业的规模扩大也为氢燃料电池发展打下基础。据中国工程院院士干勇介绍,目前山东结合高速服务区的全省的加氢站网络已经开始布局,并开始打造中国氢谷,并设立500万元的中国氢谷创新发展基金打造氢能源的运营示范区规划,现在已经开始顶层设计。“这不是以一家企业为主体,而是一个整体的规划,这样氢能源和燃料电池的企业才能健康发展。”

从历史上看,我国一直以来都贫油少气富煤,能源禀赋决定着我国的制氢来源也是以煤炭和天然气等化石能源为主,其中原料煤是煤制氢中的主要消耗原料。据国际能源署报告预测:全球氢气产量来自煤炭的占比约20%,大多集中在我国。

这张表是氢能制氢的完全成本的对比,这里面我们只选了两个,一个是煤制氢,再一个,现在用弃风的电来制氢,就是说用电解水最便宜的方式和煤制氢进行比较。研究表明,煤制氢综合成本在12元左右,这里面每公斤氢气生产成本8元多,每公斤氢气的生产会排放出16公斤的二氧化碳,要捕捉和封存这些二氧化碳大概要12元,这样算起来大概12—13,一公斤氢,这是完全成本,包括了CCS。对弃风制氢,大概完全成本是13—23元,也就是18元左右。所以说煤制氢的成本优势是相当明显的。

据干勇介绍,山东的高速公路由两家国有企业完全占有,120个高速公路服务站都可以建立加氢站,所以回收氢、储氢和运氢可以系统进行。这为发达的物流专用的氢燃料电池车创造了条件。

根据白皮书研究,目前国外主流的制氢方式是天然气重整制氢。

为了推进氢能产业,神华首先在神华系统内对工程用车、运输用车等车辆采用燃料电池技术进行产业化。神华在氢能方面有战略定位,刚才说了,神华总体的目标是要建成世界一流的清洁能源企业,氢能在这其中将扮演着重要的角色,最起码是在三个方面:一是氢能将成为神华耦合传统化石能源与可再生能源的核心。二是氢能有助于实现化石能源清洁化与清洁能源规模化的宏伟愿景。三是氢能及燃料电池技术是神华打造世界一流清洁能源企业的重要战略举措。

氢能是无污染、零排放的绿色能源,但拿什么来制氢才是能影响能源结构的关键。中国工程院院士杜祥琬曾表示,要规模用氢,首先要解决规模制氢的问题。如果用高碳排放的方式制氢,显然违背了用氢的初心。要发展氢能,首先要有足够的可再生能源。

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具体来说,为了实现世界一流清洁能源企业的目标,我们将充分发挥低成本制氢的优势,参与产业投资和技术研发,产业投资包括氢能的制备、氢能储存和运输,加氢、供氢设施。技术研发,包括制氢技术、储运氢技术、燃料电池技术。神华氢能产业发展的主要路径是重视下游,下游就是燃料电池技术,用以带动上游,上游是供氢和制氢技术,所以要用燃料电池技术来促进氢的消耗,这样为神华发挥低成本制氢的优势创造条件。

中国工程院院士顾大钊介绍,神华能源现有的煤气化设施,如果全部用来制氢,每年可生产氢气400万吨,可以为4000万辆燃料电池乘用车供氢。为了解决煤制氢会产生大量二氧化碳的问题,神华在鄂尔多斯已经成功进行了30万吨二氧化碳的CCS(二氧化碳的捕捉和封存),技术上没有问题。

澳门新蒲京官网网址,我国煤制氢与天然气制氢比较

神华在氢能产业方面取得一些进展。首先,积极参与国家氢能产业路线的制定,去年我们参与了“节能与新能源汽车技术路线图”、“中国氢能产业基础设施发展蓝皮书”等制定工作,今年我们正在参与“关于加快促进氢能燃料电池汽车产业发展的指导意见”。产业化方面,神华与美国的空气产品公司签订了战略合作协议,共同推进中国氢能基础设施建设。我们在张家口开展了可再生能源制氢及氢能应用的示范项目,还有一些产业化的项目。对于研发,我们正在承担北京市科委、北京未来科技城氢能联合项目,神华自身也立项了一系列的研究课题,我们还和丹麦进行国际合作。

清华大学教授李建秋预测,到2020年国内的燃料电池汽车大概是万辆级的规模,下一步清华大学要开展的工作,主要是在基础设施当中氢电互动跟车辆端的氢电互动协同发展,在氢能源比较富足的城市推广燃料电池汽车。此外,李建秋希望各个地方要因地制宜,在有氢气富余的地方、氢基础设施比较好的地方推广。

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总的来说,神华氢能产业发展的愿景就是以我们自己的优势专注于低成本氢能源的开发,同时,参与加氢基础设施建设,携手各方共同推动燃料电池的商用化与氢能的产业化,通过开放合作,与政府间的合作,与国内企业间的合作,与科研机构的合作,与国外企业间的合作,我们想把氢能产业打造成支撑神华建成世界一流清洁能源企业的重要板块,同时,也想促进甚至引领我们国内乃至国际氢能产业的发展。

技术之争与人才缺失

2018年不同地区天然气制氢成本

我的汇报就到这里。谢谢大家!

“氢燃料电池工作原理就是氢气和氧气变成水放出电来,但是转换过程需要有合适的压力。”武汉理工大学教授潘牧表示,燃料电池在什么压力下进行运转,目前有两种技术路线:一个是高压下,需要两个大气压到三个大气压;另外一个就是低压,几乎接近常压的技术路线。

但是不论煤制氢或天然气制氢,都属于化石能源制氢,都需结合碳捕集与封存技术以降低碳的排放,改善环境污染问题。

(根据速记整理,未经本人确认。)

“高压的系统化学反应是峰压越高化学反应速度越快、功率越高,丰田的Mirai就采用了这样的技术。低压系统反应慢一点,体积大一些,但是也带来了结构简单的优点。”潘牧表示。

白皮书指出,CCS作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新技术,是中国未来减少二氧化碳排放、保障能源安全和实现可持续发展的重要手段。当前,国内CCS技术尚处于探索和示范阶段,需要通过进一步开发技术来推动能耗和成本的下降,并拓展二氧化碳的利用渠道。

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而两种路线也存在技术之争。中国在2000年到2010年十年间的燃料电池汽车发展中,由于缺乏高压风机技术,而放弃了高压路线。“高压系统需要高压压缩机,要足够小以便装在汽车里面,这是非常难的技术。”潘牧说,近几年国家示范车辆都是用的低压技术路线来做,“从长期来看,要把燃料电池装到小轿车、乘用车里去,用低压路线是不行的,必须开发高压路线”。

另一方面,我国是全球最大的焦炭生产国,工业副产氢气也被广泛应用在钢铁、化工等行业,但该路线同样面临碳捕捉封存问题。

技术路线之外,氢燃料电池行业的另一个瓶颈是人才。早在两年前李建秋就向北京市科委建议,希望通过科委支持,支持高校催化剂材料项目立项,“让老师把学生带出来”。

而电解水制氢因其绿色环保、生产灵活、纯度高以及副产高价值氧气等特点,被认为是理想的制氢方法。但其制取成本受电价影响大,若采用市电生产,制氢成本较高且考虑火电占比较大,依旧面临碳排放问题。

“目前,已有专门支持高校做机理分析和电堆设计的项目立项。课题虽然不大,也不可能做到产业化,但主要的目标是让这些高校为行业培养人才。”李建秋表示,以前汽车系培养的人主要是以发动机、变速箱、传动、底盘这方面的人为主,但是现在搞动力学的学生也需要增加电化学这一领域的专业知识,具体包括催化剂载体、膜和膜电极等。

白皮书认为,未来,我国可再生能源发电制氢的潜力很大。首先我国可再生能源资源十分丰富;其次可再生能源制氢本质虽然也是水电解制氢,但使用的却是弃风、弃光、弃水和弃核产生的富余电力,既降低成本,也更为环保。

扶持政策研究

减少氢气生产的碳排放是一项挑战,也是增加清洁氢气利用规模的机会。白皮书预计,氢能市场发展远期,我国能源结构将从传统化石能源为主转向以可再生能源为主的多元格局,整体氢能供给充裕,可实现千万吨级绿色氢气出口。

优势与瓶颈并存的情况下,如何推进氢燃料电池的发展?2017年,科技部委托中国汽车工程学会组织国内相关企业研究机构,开展了氢能燃料电池扶持政策研究工作。

储运氢:成本与技术的平衡

“技术是关键。”张进华介绍扶持政策建议时说,要创新研发组织模式,突破关键核心技术。技术持续创新和突破是推动氢能燃料电池技术进入市场的核心驱动力,是培育和发展燃料电池汽车首要任务。

氢的储存和运输是氢能产业链中的重要一环,高度依赖技术进步和基础设施建设,是产业发展的难点。我国目前高压气态储运氢技术相对成熟,但实现大规模、长距离储运技术的商业化仍需要解决成本与技术的平衡问题。整体技术发展与国际先进水平也有一定距离。

产业链培育仍然是重要的任务。“产业链缺失严重,除了关键零部件,辅件都严重缺失,因此,要抓关键领域,补短板环节,培育壮大产业链。”张进华表示。

高压气态储运氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点,是现阶段主要的储运方式。目前,70MPa碳纤维缠绕Ⅳ型瓶已是国外燃料电池乘用车车载储氢的主流技术,而35MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶仍是我国燃料电池商用车的车载储氢方式,70
MPa碳纤维缠绕Ⅲ型瓶只是少量用于我国燃料电池乘用车中。

另外,要大力推进示范应用,以点带面,有序推进示范应用。“我们也不主张大家一窝蜂全上,在有资源优势和应用需求的区域开展系统的示范,验证技术商业模式。”张进华说,建立氢能供给系统,也需要科学布局、因地制宜,根据资源特色和优势,制定氢能供给模式。

液氢储运通常适用于距离较远、运输量较大的场合。采用液氢储运能够减少车辆运输频次,提高加氢站单站供应能力。日本、美国已将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。我国尚无民用液氢输运案例。

“对于氢能燃料电池在交通领域的应用,中国一定会起至关重要的作用,如果中国做起来,那将推动全球的发展。如果中国的氢能燃料电池在交通领域不能形成主流技术,全球有可能步伐延迟。”张进华说,要大力推进国际化,整合对接国际资源。中国要推动燃料电池的应用需要国际资源的合作与支持。

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张进华介绍,中国汽车工业协会2017年发起成立了国际氢能燃料电池协会,该协会定位于覆盖氢燃料电池全产业链、推进燃料电池商业化的非政府国际组织,在中国发起,但不限于中国。希望有志于燃料电池技术、产业化方面工作的专家和机构联合起来,共同推进技术和产业化的发展。

多种储运技术对比

标准法规也是氢燃料电池产业非常重要的制约因素。目前从车辆到关键零部件本身法规标准不健全,特别是从制氢、储氢到加氢站,程序不明确。加氢站严重欠缺,目前加氢站都是各地在做,标准法规的突破至关重要。

运氢方面,管道输运是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式,具有输氢量大、能耗小和成本低等优势,但建造管道一次性投资较大。白皮书统计,美国已有2500公里的输氢管道,欧洲已有1598公里的输氢管道,我国则仅有100公里的输氢管道。关于国内外氢气管道建设造价的研究尚未有权威统计,其中管道氢气价格是影响加氢站内部收益率的首要因素。

最后,还要加强公众宣传教育。“加强宣传至关重要,现在有些官员仍然认为氢与不安全画等号,进行科学普及至关重要。”张进华表示。

因此,白皮书认为,要突破成本制约,除建设纯氢管道运输之外,还可在初期积极探索掺氢天然气等新的技术方式,以充分利用现有管道设施。

燃料电池:走向自主化

进入21世纪以来,美国、日本、韩国等国家作为全球燃料电池倡导者和领跑者,高度重视燃料电池技术的开发,燃料电池在发电和供热站、便携式移动电源、汽车、航天、潜艇等领域得到广泛应用。

我国主要集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池领域开展研发和产业化。其中,质子交换膜燃料电池由于其工作温度低、启动快、比功率高等优点,非常适合应用于交通和固定式电源领域,逐步成为现阶段国内外主流应用技术。我国在质子交换膜方面已具有国产化能力,但生产规模较小,固体氧化物燃料电池整体技术水平则与国外先进水平存在一定差距。

总体来看,我国燃料电池技术还需加强基础研发,引导提升自主创新能力。

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国内外质子交换膜燃料电池系统技术指标对比

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国内外碳基固体氧化物燃料电池主要技术指标对比

在燃料电池应用最广泛的燃料电池汽车上,我国已经基本掌握了车用燃料电池核心技术,具备进行大规模示范运行的条件。但与国际上具有领先水平的丰田“Mirai”、本田“Clarity”和现代“NEXO”相比,我国燃料电池车在动力性能、综合效率、电堆功率以及耐久性等基本性能指标方面仍有不小的差距。

据白皮书研究,国际先进水平电堆功率密度已达到3.1KW/L,乘用车系统使用寿命普遍达到5,000h,商用车达到20,000h;车用燃料电池系统发动机成本相比于21世纪初下降80%-95%,价格在49美元/KW(按年产50万台计算),接近内燃机的30美元/KW。

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国内外主要新能源乘用车比较

另一方面,由于加氢站等基础设施建设的薄弱,燃料电池汽车暂时更适于集中加氢和固定线路运行,因此结合我国实际国情,我国燃料电池商用车会率先规模化推广。

随着氢能及燃料电池技术自主化和规模产业化,用氢成本和制造成本将不断下降,全生命周期的成本优势将持续扩大。燃料电池在我国多领域的商业化应用也将快速发展。

未来:技术路线展望

通过对我国及全球氢能及燃料电池产业和技术发展的系统研究,白皮书做出了我国氢能近中远期的技术路线展望。

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在制氢方面,氢能产业发展初期,将以工业副产氢就近供给为主,积极推动可再生能源制氢规模化、生物制氢等多种技术研发示范;中期,将以可再生能源制氢、煤制氢等大规模集中稳定供氢为主,工业副产氢为补充手段;远期,将以可再生能源发电制氢为主,煤制氢配合CCS技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术成为有效补充。白皮书预计,到2050年平均制氢成本将不高于10元/公斤。

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在储运氢方面,氢能储运将按照“低压到高压”、“气态到多相态”的技术发展方向,逐步提升氢气的储存和运输能力,预计2050年储氢密度达到6.5wt%。

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在燃料电池方面,燃料电池系统技术未来发展将会有四个方向:持续开发高功率系统产品、通过系统结构设计优化以提高产品性能、通过策略优化提高产品寿命、通过零部件优化以及规模化效应持续降低成本。白皮书预计,到2050年系统的体积功率密度将达到6.5千瓦/升,乘用车系统寿命将超过10,000小时,商用车将达到30,000小时。

氢能及燃料电池产业链条长,技术含量高,白皮书认为,有必要系统梳理我国氢能及燃料电池在基础研究、核心材料和零部件的研发创新方面的短板,加大投入、超前部署,提升核心技术和系统集成能力。

每个零件创新的一小步,都是我国氢能及燃料电池技术发展的一大步,与国际先进水平的距离也将被逐渐缩短。

氢能技术,未来可期!

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