光伏制氢可行性调研报告

1、 1光伏制氢可行性调研报告氢在自然界中分布广泛，并且在自然状态下仅存在着极少量的游离态氢。工业氢气是指通过肯定的手段，从工业原料中大规模制取的可燃气态氢产物。这种通过能量输入从含氢原料中提取工业氢气的过程，被称为人工制氢，包括化石燃料制氢、 水分解制氢、生物技术制氢和太阳能制氢等。氢能作为氢的化学能表现为物理与化学变化过程中释放出能量，是具有二次能源属性的一种重要的能源类型。这种大规模人工制氢并利用氢能的产业被称为氢工业，包括上游制氢、中游储运和下游应用。氢工业体系中各个产业部门之间基于肯定的技术经济关联即为氢工业产业链，包括氢工业价值链、氢工业企业链、氢 工业供需链和氢工业空间链。氢能是被公

2、认的清洁能源，被誉为 21 世纪最具进展前景的二次能源。氢能在解决能源危机、全球变暖及环境污染等问 题方面将发挥重要的作用，也将成为我国优化能源消费构造、 保障国家能源供给安全的战略选择。据推测，炼油业、能源 汽车以及清洁能源发电等将是氢能利用的最大终端市场，其中 工业氢气在全球炼油业中的用量将占到全球工业氢气消耗总量的 90%。随着燃料环保要求的日趋严格，炼油厂加氢精制将需要更多的工业氢气来生产低硫清洁燃料，这将极大地刺激工业氢气需求量的快速增长。一、国内外争辩和进呈现状1、国外争辩和进呈现状全球主要国家高度重视氢能及燃料电池的进展，美国、日 本、德国等兴旺国家已经将氢能上升到国家能源战略高

3、度，不 断加大对氢能及燃料电池的研发和产业化扶持力度。美国是最早将氢能及燃料电池作为能源战略的国家。早在1970 年便提出“氢经济”概念，奥巴马政府公布全面能源战略，特朗普政府将氢能和燃料电池作为美国优先能源战略， 开展前沿技术争辩。美国在氢能及燃料电池领域拥有的专利数仅次于日本，尤其在全球质子交换膜燃料电池、燃料电池系统、 车载储氢三大领域技术专利数量上，两国的技术占比总和约超过了 50%。日本提出成为第一个实现氢能社会的国家。政府先后公布了日本复兴战略氢能源根本战略氢能及燃料电池战 略路线图规划了实现氢能社会的技术路线。日本氢能和燃料 电池技术拥有专利数全球第一，已实现燃料电池车和家用热电

4、 联供系统的大规模商业化推广。并以 2022 年东京奥运会为契机推广燃料电池车，打造氢能小镇。欧盟在战略层面提出了 2022 气候和能源一揽子打算2030 气候和能源框架等文件，德国是欧洲进展氢能最具代表性的国家，氢能与可再生能源融合进展是德国可再生能源系 统和低碳经济中的重要组成局部。在传统制氢方法中，化石燃料制取的氢占全球的 90%以上。化石燃料制氢主要以蒸汽转化和变压吸附相结合的方法制取高纯度的氢。利用电能电解水制氢也占有肯定的比例。太阳能制氢是近 30-40 年才进展起来的。到目前为止，对太阳能制氢的方法争辩主要集中在如下几种方法：直接热分解法、热化 学循环法、光催化法以及光电化学分解

5、法。经了解，美国、日 本、德国等兴旺国家进展快速。德国长期致力于推广可再生能 源发电制氢技术，在可再生能源制氢规模上全球第一。燃料电 池的供给和制造规模全球第三。2、我国争辩和进呈现状中国是全球氢能利用的大国，已形成京津冀、长江三角洲、 珠江三角洲、华中、西北、西南、东北等 7 个氢能产业集群。2022 年以来，政府相继出台了战略性兴产业进展规划中国制造 2025能源技术革命创行动打算2022-2030 年等文件。提出了氢工业氢的制取、储运及加氢站、先进燃料电池、燃料电池分布式发电等 3 个战略进展方向，以及大规模制氢技术、分布式制氢技术、氢气储运技术、氢气 / 空气聚合物电解质膜燃料电池 P

6、EMFC技术、甲醇/空气聚合物电解质膜燃料电池MFC技术和燃料电池分布式发电技术等 6 项创行动。其中在大规模制氢技术方面，争辩基于可再生能源低本钱制氢技术，重点突破太阳能光解制氢和热分解制氢等关键技术，建设示范系统；在分布式制氢技术方面，争辩可再生能源发电与质子交换膜/固体氧化物电池电解水制氢一体化技术，把握适应可再生能源快速变载的高效中压电解制氢电解池技术，建设可再生能源电解水制氢示范并推广应用。目前我国的很多有名的科研院所对制氢的争辩工作也在有声有色的进展。“973”打算“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的根底争辩”工程首席科学家清华大学毛宗强教授，主要从事化石燃料制氢等方面的争辩工作

7、。西安交通大学 郭烈锦教授主要从事生物及有机废料的超临界水热化学制氢的争辩。中国科学院大连化学物理争辩所、中国科学院兰州化 学物理争辩所主要进展的是光催化分解水制氢等方面的争辩工作。我国氢的制取产业主要有以下三种比较成熟的技术路线：一是以煤炭、自然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉 煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢；三是电 解水制氢，年制取氢气规模占比约 3%。生物质直接制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术路线仍处于试验和开发阶段，产 收率有待进一步提升，尚未到达工业规模制氢要求。化石能源制氢主要是由自然气CH4、原油烃或煤等原料，与水蒸汽在高温下经蒸汽转化法、局部氧化法、煤气

8、 化法等工艺生成。在转化过程中，化石能源中的碳首先变为CO或 CO2，再通过水汽变换反响 CO+H2OH2+CO2 获得氢气，而CO 进一步转化为 CO2。所以，由化石能源制氢就会排放 CO2，其 CO2 排放量：煤油自然气，这是由原料的碳氢比所打算的。当前在中国氢气制取本钱是较高的相对于 其它国家来说，主要是由于我国一次能源是以煤为主，煤比 石油、自然气含氢量少，制氢过程就需要用更多的蒸汽，消耗 较多的能量。依据中国氢能联盟 2022 年 6 月 26 日公布的中国氢能源及燃料电池产业白皮书推测展望，我国在现阶段主要为化石能源重整制取氢，平均本钱不高于 10 元/公斤；在 2025 年前将乐

9、观利用工业副产氢，大力进展可再生能源电解水制氢示范， 平均本钱不高于 20 元/公斤；中期在 2026-2035 年，将以可再生能源发电制氢、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，平均本钱不高于 15 元/ 公斤；远期在2036-2050 年，将以可再生能源发电制氢为主，煤制氢协作 CCS技术、生物制氢和太阳能光催化分解水制氢等技术为有效补充，平均本钱不高于 10 元/公斤。全国各地将结合自身资源禀赋，兼顾技术进展、经济性以及环境容量，因地制宜选择制氢 路线。以下为不同类型制氢本钱比较表。不同类型制氢本钱比较表制氢类型制氢方式能源价格制氢本钱元/kg低谷电0.3 元/KW.h

10、20电解制氢大工业用电0.6 元/KW.h38可再生能源弃电0.1 元/KW.h10自然气3 元/m13化石能源制氢煤炭550 元/t10工业副产氢：焦炉气、氯碱8 至 14综上，我国与兴旺国家相比，在氢能技术研发、装备制造、 根底设施等方面仍有肯定差距。但产业化态势全球领先。二、电解水制氢技术争辩目前，电解水制氢技术主要有碱性水电解槽AE、质子交换膜水电解槽PEM和固体氧化物水电解槽SOE。其中，碱性电解槽技术最为成熟，生产本钱较低，国内单台最大产气量为 1000m/h；质子交换膜电解槽流程简洁，能效较高， 国内单台最大产气量为 50m/h，但因使用贵金属电催化剂等材料，本钱偏高；固体氧化物

11、水电解槽承受水蒸气电解，高温环境下工作，能效最高，尚处于试验室研发阶段。电解水制氢具有绿色环保、生产机敏、纯度高通常在99.7%以上以及副产高价值氧气等特点。但其单位能耗约在4-5 千瓦时/立方氢，制取本钱受电价影响很大，电价占到总本钱的 70%以上。假设承受市电生产，制氢本钱约为 30-40 元/公斤， 且考虑火电占比较大，照旧面临碳排放问题。一般认为当电价低于 0.3 元/千瓦时，电解水制氢本钱会接近传统化石能源制氢。依据当前中国电力的平均碳强度计算，电解水制得 1 公斤氢气的碳排放量为 35.84 千克，是化石能源重整制氢单位碳排放的 3-4 倍。将来，可再生能源发电制氢的潜力很大，一方

12、面作为全周期零碳排放技术，随着可再生能源发电平价上网，电解水制氢本钱将持续下降，尤其是近年来局部区域弃风、弃光制氢的经济性较为突出，可供给制氢量约 263 万吨/年；另一方面，当波动性可再生能源在电源构造中占到较高比重时，单纯依靠短周期小时级储能将无法满足电力系统稳定运行需要。日间、 月度乃至季节性储能将是实现高渗透率可再生能源调峰的主要手段。国家进展和改革委与国家能源局先后发文，支持高效利用廉价且丰富的可再生能源制氢。四川、广东等地纷纷给与电价支持政策，电解水制氢最高电价限定 0.3 元/千瓦时和 0.26 元/千瓦时。经了解，我国电解水制氢走在前列的主要企业有中国船舶 重工集团公司第七一八

13、争辩所、天津市大陆制氢设备 及苏州竟力制氢设备。国内可再生能源发电制氢的案例如下：一兰州区液态太阳能燃料合成示范工程兰州区液态太阳能燃料合成示范工程是国内首个光伏制氢并与二氧化碳结合制甲醇的示范工程，位于兰州区精细 化工园区内。工程主要由光伏发电、电解水制氢、二氧化碳加氢合成甲醇三个单元组成。工程规模为 10MWp 光伏发电系统、2 套规模各 1000Nm/h 电解水制氢装置(1 套为一般电解槽制氢装置+1 套电解水催化制氢装置,试验室测算，电解水催化制氢装置比一般电解槽制氢装置制氢效率提高约 20%及二氧化碳加氢合成甲醇装置年产甲醇1440 吨。工程总投资：14100万元，其中 2 套电解水

14、制氢及二氧化碳合成甲醇单元投资约 7600万元；光伏单元投资约 6500 万元。工程光伏占地 256 亩；电解水制氢及二氧化碳合成甲醇单元占地面积约 33 亩。工程投资业主单位为兰州区石化产业投资，该公司为兰州区政府直属国有企业；工艺包设计单位为华陆工程科技有限责任公司；施工单位区石化集团下属化学工程公司。核心技术是中国科学院大连化物所李灿院士团队的太阳能电解水催化制氢和二氧化碳加氢合成甲醇专利技术。工程于 2022 年 3 月份开工，9 月初 10MWp 光伏单元全部安装调试完成；目前，电解水制氢单元安装前土建工程完成，设备到场 40%；二氧化碳加氢合成甲醇单元安装前土建工程完成，主要设备就

15、位 40%；估量在 2022 年 11 份全部设备安装完成， 12 月份调试投运转入试运行。二河北张家口沽源县风电制氢综合利用示范工程沽源风电制氢综合利用示范工程由河北省建投能源与德国迈克菲及欧洲安能公司联手打造，2022 年 12 月31 日获得省发改委核准冀发改能源核字【2022】163 号。工程受到国务院李克强总理的高度重视，2022 年 5 月 18 日， 正式签约落地沽源县西辛营乡。工程包含 200MWp 风电场和10MWp 电解水制氢系统及氢气综合利用系统两个局部。工程总投资 20.3 亿元，其中风电场投资约 15.1 亿元，电解水制氢系统投资 5.2 亿元。2022 年 10 月

16、 3 日风电场转商业运营。电解水制氢系统投资 5.2 亿元，分为两期建设：一期投资 2.5 亿元，建设制氢站及年制氢量 280 万标方的电解水制氢系统含配套氢气储存运输设备,制氢站工程位于张家口沽源县西辛营东约 2 公里，场区距离沽源县城 35 公里；二期投资 2.7 亿元，建设年制氢量 420 万标方的电解水制氢系统含配套氢气储存运输设备。电解水制氢系统及氢气综合利用系统引进德国先进储氢 及氢气利用技术。工程规划建设 10MWp 电解水制氢系统，主要由补水系统、碱液循环系统、整流变、电解槽、气液分别装 置、氢气纯扮装置、氢气储存系统等局部组成。规划用地面积 约 28.35 亩。10MWp 电解水制氢系统其中 4MWp 于 2022 年 5 月 5 日开工建设，打算于 2022 年 6 月建成投运，目前处于待调试阶段。三、下一步进展建议光伏制氢虽然可以解决弃光、弃电问题，但如何用氢，如 何形成氢产业链至关重要，进展方向重点是氢燃料电池及其下游产业，利用氢气与二氧化碳合成甲醇技术尚处于研发中试阶段，因此建议如下：1、重点跟进两个示范工程在今年内转产投运后工艺技术路线牢靠性、能耗、