浅谈氢能源业务未来发展前景分析_李燕燕.pdf

3232 2023 年第 1 期 上海煤气上海煤气 浅谈氢能源业务未来发展前景分析 华润燃气(郑洲)市政设计研究院有限公司 李燕燕 安阳新城华润燃气有限公司 田文中 宋恒钰 安阳华润燃气有限公司 魏 军 摘要：在对国内外氢能源产业发展现状分析的基础上，提出氢能源的发展方向和补贴政策，并阐述了氢能源的特性，通过分析氢能源应用的优劣势，以河南省和安阳市为例指出氢能源应用前景非常广阔，进一步指出解决氢能源应用中遇到的问题，更能实现氢能源利用的跨越式发展。关键词：氢能源 燃料电池 加氢站 应用前景 氢能是来源广泛、灵活高效、零排放的二次能源，是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，是推动能源结构向清洁化、低碳化转型的重要途径。2020 年 10 月 9 日，国务院常务会议正式通过新能源汽车产业发展规划，同时国家技术监督情报协会发布的 T/CATSI 02 0072020车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶团体标准正式实施。10 月 10 日山东省济南市发改委发布关于加快新能源汽车推广应用的若干政策(征求意见稿)，两年内建设 1 座加氢站、采购 60 辆氢能公交；同日，中国石化集团资本有限公司等企业在北京签署意向书共同促进电解水制氢技术的开发及推广，国家电投与吉林省长春市就氢能产业布局达成意向。10 月 15 日上午，中国西部氢谷(榆林)氢能产业园暨华秦一期项目开工仪式在榆横工业区举行，这标志着榆林创建国家级能源革命创新示范区又一项重大工程正式落地，一场氢能源飓风正在中华大地形成。1 国内外氢能源发展现状 1.1 国外氢能产业化发展的形势 国外一些国家早就明确氢能产业发展战略，并制定相应的产业支持政策，如：美国、日本、韩国、欧盟等国家。通过持续的氢燃料电池技术研发支持、推进氢燃料电池试点示范及多领域应用、结合其资源禀赋特征确立制氢技术路线等措施，这些国家已在燃料电池汽车技术研发、产业链构建及加氢站建设方面取得优势1。1.2 国内氢能产业化发展的形势(1)氢能政策支持力度持续加大。近年来我国密集出台一系列支持政策，已初步形成涵盖宏观综合、行业管理、科技创新、财税优惠等方面的支持政策体系。2020 年 4 月 23 日，财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委联合发布了关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知，将当前对氢能源汽车的购置补贴，调整为选择有基础、有积极性、有特色的城市或区域，重点围绕关键零部件的技术攻关和产业化应用开展示范，中央财政将采取“以奖代补”方式对示范城市给予奖励。(2)氢能产业链体系加快建立。初步形成京津冀、长三角、珠三角、中部地区等产业集群。近年来，我国已有 25 个省市及自治区发布氢能或燃料电池汽车产业规划，加快推动地方氢能源汽车产业发展。(3)氢能技术研发取得积极进展。目前，我国已初步掌握原材料、燃料电池电堆、系统、整车等关键技术，初步建立具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台，实现关键部件及原材料的国产化，具备万辆级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力。(4)氢能示范应用步伐逐步加快。截至 2020 年底，我国燃料电池汽车累计销量达到 6 705 辆，其 上海煤气上海煤气 2023 年第 1 期 3333 中，客车、货车等商用车占比达 99%，乘用车占比1%。在加氢站建设方面，我国已建成并投入运行的加氢站已达 109 座。3 氢能源的特性 3.1 氢能源的制取及对比 目前我国工业规模化制取氢气，主要有以下 5种方式2，其制取方法及对比见表 1。表 1 氢能源的制取方法及对比 方式 原理 方法对比 氯碱工业副产氢 制取烧碱、氯气时的副产品 成本低，纯度不满足燃料电池需求 化工原料制氢 甲醇裂解、氯气分解制氢 工业排放大，制氢过程的脱硫、脱硝成本高 石化资源制氢 煤、焦炭气化制氢 电解水制氢 水电解制氢 原理简单，工艺成熟，制氢成本低 新方法制氢 膜分离、生物质、光化学制氢等 未进行广泛推广 3.2 氢能源的运输方式 氢能源的运输方式和原理见表 2。其中：气态氢气运输、液态氢气运输为目前主要运输方式，有机液体氢气运输、固态氢气运输受技术、成本等条件制约，尚未进入广泛应用阶段。表 2 氢能源的运输方式和原理 运输方式 原理 气态氢气运输 氢气加至一定压力后,利用集装格、长管拖车和管道等工具输送 液态氢气运输 将氢气深冷至253以下液化，利用槽罐车等输送 有机液体氢气运输 利用不饱和芳香烃、烯炔烃等作为储氢载体实现氢气输送 固态氢气运输 通过金属氢化物吸附氢气实现输送 3.3 氢能源加氢站的规模及投资 依据 GB 505162010 加氢站技术规范 要求，加氢站根据总容量 G，不同分为三个等级3，一级4 000 kgG8 000 kg；二级 1 000 kgG4 000 kg；三级 G1 000 kg。从规模看，加氢三级站规模最小，最低投资费用约 1 000 余万元。通过对国内建设加氢三级站投 资费用的了解，如南海瑞晖加氢站投资约 1 550 万元，而投建佛山的 8 座加氢站中，预算投资最低的为 1 250 万元(佛罗路加氢站)，最高的为 2 985 万元(瀚蓝松岗禅炭路加氢站)。4 氢能源推广的优劣势 4.1 氢能源的优势(1)零排放。通过电化学反应，燃料电池只会产生水和热。如所用氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是不产生有害物质排放的过程。(2)续航里程长、充装耗时短。氢气能量密度143 MJ/kg，是汽油的 3.3 倍、三元锂电池单体的 133倍。目前量产的某些品牌氢燃料电池汽车三分钟即可加满氢气，而续航里程能达到 750 km 左右，有些甚至能达到 1 000 km。(3)电池寿命长、低温性能好。氢燃料电池本质上不存在电池衰减问题，而且低温性能也很好。由于反应自身会放热，故氢燃料电池启动后电池堆内的温度会稳定在 8090 的范围。另外，氢燃料电池冷启动温度达到30，能满足大部分极寒地区的需求。(4)氢资源丰富。氢广泛存在于地球上，空气和海洋中蕴含着取之不尽的氢元素，氢燃料电池本身就是能源再生、重复利用的过程。4.2 氢能源的劣势(1)加氢检测时间长。加氢过程只需几分钟，但加氢前的检查、静电释放等要 1020 min。在不考虑排队的情况下，加一次氢气需近 0.5 h。(2)氢能源车价格高，加氢成本也高。氢能源车的生产、研发成本高，导致整车的售价也高；制氢、运输、运营成本偏高，加氢成本也比传统燃油成本高。(3)加氢站建设投资大、手续繁琐。加氢站投资回报周期较长，手续办理不成体系。(4)储氢罐面临安全问题。储氢压力高(35 MPa或 70 MPa)。氢气在高压高温(30 MPa，300 以上)环境下，产生“氢脆现象”，腐蚀金属，引起裂纹 3434 2023 年第 1 期 上海煤气上海煤气 导致储氢罐破裂。5 河南省氢能源的应用前景 5.1 河南省氢能源的应用(1)政策扶持氢能源汽车发展。2019 年 6 月发布的河南省加快新能源汽车推广应用若干政策的通知，明确提出扩大氢燃料电池汽车的市场应用范围，鼓励省内相关企业加大氢燃料电池汽车推广力度。2020 年 4 月制定的河南省氢燃料电池汽车产业发展行动方案，提出以客车为牵引，促进物流等商用车产业发展，以重点城市群辐射带动全省范围开展氢燃料电池汽车示范应用。(2)整车优势牵引带动产业链。河南拥有宇通客车、海马汽车、德力汽车等燃料电池整车企业。在零部件方面，河南豫氢动力、郑州意昂正加快推动燃料电池电堆、动力系统、电驱动系统的研发应用。在氢能方面，河南具有较强的化工、煤焦化工产业基础，拥有丰富的各类工业副产氢气及可再生能源制氢资源，已形成完备的氢气制备、储存、运输、加注产业体系。(3)推广应用已初步形成规模。以客运公交为特色突破口，加快燃料电池汽车推广应用，目前已累计推广燃料电池汽车超过200辆，累计行驶逾700万 km。已建并投入运营 4 座加氢站，日加氢能力达 3 710 kg。(4)组合形成“1+N+5”示范城市群。积极相应 关于开展燃料电池汽车示范应用的通知 要求，以郑州为牵头城市，新乡、洛阳、开封、焦作、安阳为参与城市，联合张家口、上海(嘉定、奉贤、临港)、河北辛集、烟台、淄博、潍坊、佛山、保定、宁夏宁东等城市形成“1+N+5”的城市组合，构建功能明确、定位清晰、产业互补、协同合作的燃料电池汽车示范应用城市群。5.2 安阳市氢能源的应用(1)低成本、供应能力较强。安阳工业副产氢规模大、制备成本低，辖区内利源集团、顺成集团、鑫磊能源等焦化企业焦炭年产量合计 1 020 余万 t，年产副产氢气高达 15 亿 m3。以 50%的氢气用于燃料电池汽车，可以满足 6 000 辆燃料电池重型货车或 14 000 辆燃料电池客车的氢能需求。(2)示范应用场景多元化。安阳重载货运需求大，作为京津冀区域“2+26”个大气污染传输通道城市之一，环保建设任务艰巨，未来可实现燃料电池货车对高排放燃油货车的更新替代；红旗渠、大峡谷等特色旅游景区常年存在较高的客运需求，可探索燃料电池汽车旅游示范专线；另外，安阳作为首批“绿色货运配送示范工程创建城市”之一，正加快推动物流运输车辆的电动化发展，氢能源汽车可弥补纯电动汽车长距离运输里程不足的短板。(3)整车制造产业较为完备。安阳已拥有新能源商用车整车制造企业 1 家、专用车制造企业 2 家、汽车零部件企业 300 余家，形成了包含汽车铸件、钣金件、轮毂、动力电池、传统燃油和新能源整车及专用车制造产业体系等在内的产业基础优势。(4)可再生能源发电资源丰富。2020 年，安阳水力发电 512 万 kW h，光伏发电 15.8 亿 kW h，风力发电 30.4 亿 kW h，生物质发电约 6 000 万 kW h，具有丰富的可再生能源发电资源，为下步探索绿电制氢模式提供较好的基础。(5)地理区位辐射能力较强。安阳地处“一带一路”、京津冀协同发展、中原经济区等多重国家战略交汇区，又是豫晋冀三省交界地区区域性中心城市，区位优势十分明显，已形成铁路、高速公路、国道干线、省道干线承东启西、连南贯北的交通网络。同时，安阳与郑州等城市距离在 150 km 以内，可依托自身氢能供给优势，有效辐射周边城市提供稳定的低成本氢源，以氢能应用带动协同化氢能源汽车产业发展。6.结语 氢能源利用在未来的应用前景非常广阔，特别是在国家“双碳”目标的影响下，氢能源汽车的应用将迎来更大的契机，因为氢能源汽车是氢能应用的重要载体，具有环保性能佳、转化效率高、加注时间短、续驶里程长等特点，是未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是带动能源体系向氢能转变的关键领域4。如能进一步解决氢能源应用过 上海煤气上海煤气 2023 年第 1 期 3535 程中的问题，如：氢气运输成本高、加氢站建设投资较大、储氢安全性能还待提高等等，问题的解决能实现较为理想的投资收益及降低运营风险，更能实现氢能源利用的跨越式发展。参考文献：1 何雅玲,李印实.氢能技术科技前沿与挑战J.科学通报,2022(19):7-8.2 张世旭,周宇航,冯寅龙.工业制备氢气的方法和生产工艺的研究J.企业文化,2013(10):185-186.3 刘建虎,李功洲,郑津洋等.加氢站等级划分原则的研究J.煤气与热力,2021(1):63-69.4 徐硕,余碧莹.中国氢能技术发展现状与未来展望J.北京理工大学学报(社会科学版),2021(6):7-18.Analysis of Future Growth Prospects of Hydrogen Energy Business China Resources Gas(Zhengzhou)Municipal Design and Research Institute Co.,Ltd.LI Yanyan Anyang Xincheng China Resources Gas Co.,Ltd.TIAN Wenzhong SONG Hengyu Anyang China Resources Gas Co.,Ltd