科技发展与新能源技术

汇报提纲1三、氢能发展形势四、氢能技术一、能源科技发展二、新能源技术概览一、能源科技的发展2一、能源科技的发展3服务人类能源能源科技能源科技的范围能源科技进步的动力能源科技进步的方向世界能源科技中国能源科技一、能源科技的发展41.能源科技的范围能源的开采1能源开采技术的发展是能源结构更新换代的前提2开采技术的发展，使化石能源的储备增多，同时开采成本降低。3“非常规”能源是未来开采技术的发展方向一、能源科技的发展51.能源科技的范围能源的转化和利用电能电能替代进程迅速发电技术的发展方向：高效粉煤燃烧技术的推广应用流化床燃烧技术。天然气联合循环发电技术（NGCC）整体煤气化联合循环发电技术（IGCC）热电联合技术可再生能源发电技术氢能氢能潜力大，起步阶段1继续降低内燃机能耗和碳排放的技术。2新能源汽车技术，用其他能源形式替代内燃机，从本质上改变交通工具的用能方式。25%的能源用于交通领域，主要体现在：一、能源科技的发展62.能源科技进步的动力1满足自然资源限制2应对全球气候变暖和温室气体排放问题3其他领域新技术的推广使用电子计算机自动化和人工智能技术储能技术新型材料技术一、能源科技的发展73.能源科技进步的方向1安全、有效、可持续的为人类提供更多的能源2能源利用从低效到高效OIL&GASWINDMILLNUCLEARHYDROGOALSOLAR汇报提纲8三、氢能发展形势四、氢能技术一、能源科技发展二、新能源技术概览二、

新能源技术概览核能9核能技术核电技术可控核聚变技术核能供热反应堆技术第三代EPR/AP1000/EDF等第一代试验性和原型反应堆第二代重水堆、压水堆、沸水堆等第四代铅冷快堆、钠冷快堆、气冷快堆等EAST托卡马克装置ITER国际热核聚变实验堆后处理技术中间贮存技术最终处置库技术高放核废料处理技术模块式反应堆技术核燃料和核反应堆技术核能制氢技术核能海水淡化技术二、

新能源技术概览太阳能10太阳能技术光化利用光电利用光热利用光热发电光伏发电太阳能电池技术系统组件技术并网系统技术光伏建筑一体化槽式、蝶式、塔式、菲涅尔式太阳能集热器型式太阳能热利用形式太阳能储热技术太阳能海水淡化技术太阳能热化学制氢技术太阳能微藻技术太阳能光热利用与石油化工的结合光电化学作用光敏化学作用光分解光合作用目前太阳能电池多用晶硅材料晶硅材料占主体地位生产成本低、轻型化、耗材少、弱光响应良好薄膜材料是发展趋势产业体系基本建立，但仍受本质不稳定性影响城市并网与独立离网前景巨大横跨建筑/光伏，挑战与机遇并存光伏器件与建筑的集成二、

新能源技术概览风能风能技术风电场群技术风电设备分散式风电整机技术其他关键零部件低风速风电机组技术分散式风电应用场景分散式风电工业化非并网应用叶片技术单机容量功率调节方式传动链结构垂直轴风力机海上风电机组叶片材料技术叶片设计技术发电机、变流器、轴承、塔架等二、

新能源技术概览生物质能生物质能技术生物沼气生物质发电燃料乙醇畜禽粪便生产沼气秸秆发酵制沼气垃圾填埋生产沼气工业有机废水制沼气沼渣沼液利用技术沼气提纯技术垃圾发电直接燃烧发电混合燃烧发电沼气发电以合成气为原料的生物法制乙醇木薯/红薯燃料乙醇甜高粱燃料乙醇微藻燃料乙醇纤维素燃料乙醇生物质固体成型燃料生物柴油生物航煤第三代生物柴油技术—气体合成第一代生物柴油技术—酯交换第二代生物柴油技术—催化加氢藻类生物柴油工艺技术油脂加氢技术其他技术生物质气化-费托合成技术生物质水相催化合成技术生物质热裂解催化裂解技术生物异丁醇转化技术生物质制氢生物质气化二、

新能源技术概览氢能氢能技术氢能应用氢能制备氢能储运天然气蒸汽转化制氢重油制氢煤焦化/气化制氢甲醇水蒸气转化制氢电解水制氢副产氢新能源制氢高压储氢液氢储存有机液态载体储氢储氢材料低温燃料电池高温燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池碱性燃料电池小型蒸汽转化制氢氢燃料站设计氢气长输管道工程服务二、

新能源技术概览储能储能技术电化学储能机械储能电磁储能抽水储能超导储能锂离子电池钠硫电池液流电池压缩空气储能负极材料正极材料隔膜铅酸电池超级电容器石墨烯电解液全钒氧化还原液流电池汇报提纲15三、氢能发展形势四、氢能技术一、能源科技发展二、新能源技术概览三、氢能发展形势1.什么是氢能Source:IEA201916三、氢能发展形势1.什么是氢能Source:BPEnergyOutlook2020氢能源发展历程：氢气从工业气体到二次能源转变能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源——能源百科全书2020年，国家能源法征求意见稿中首次将氢能列为“能源”。17三、氢能发展形势1.什么是氢能18燃料电池燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。中科院为代表的新源动力清华为代表的亿华通上海交大、同济大学为代表的全柴动力引进外资技术合作和开发为代表的潍柴动力自身研发如东方电气三、氢能发展形势1.什么是氢能2020年12月9日，丰田宣布第二代Mirai正式上市，在电机动力输出功率上有所提升，储氢罐由2个增至3个，续航里程提升至WTLC工况下850km。与时同时新车在日本地区的售价从740万日元降至710万日元（约合人民币44.48万元，享受日本环保车补贴后，最低售价为570万日元（约合人民币35.71万元）。19三、氢能发展形势2.为什么是氢能制备方式多样、

用途广泛0

1Source:IEA:ProjectedCostsofGeneratingElectricity2020Edition可再生能源的快速发展0

2碳减排、碳中和0

3氢与电的互补关系04氢气具有能量密度高、来源广泛、绿色低碳环保等特点随着氢能技术，特别是燃料电池技术的日趋成熟，氢能产业的发展正在受到前所未有的广泛关注。氢能电能制备方式广泛广泛储运成本一般高WelltoWheel效率(NG)31%→37%35%加注速度快慢加注成本很高一般续航性高一般安全性未有定论20氢能与电能比较（2019年）Source:Well-to-WheelsAnalysisofFutureAutomotive，CONCAWE三、氢能发展形势3.世界氢能产业现状世界正处在前所未有的氢能“热潮”当中212020年，全球氢气产量约9000万吨，其中79%来自专用的制氢厂，21%为副产氢气。全球对于氢气的需求不断增长，2020年，全球氢气需求量近9000万吨，其中化工行业对于氢气的需求约4500万吨，主要用于生产氨和甲醇。三、氢能发展形势3.世界氢能产业现状222021年加氢站数量持续增长，2021年全球共有685座，其中仅亚洲地区就有超350座加氢站世界范围内氢能发展受到广泛关注，燃料电池汽车迎来产业化发展窗口期，引领行业发展截至2021年底，全球氢燃料电池汽车保有量49,562台三、氢能发展形势3.世界氢能产业现状23德国：推动深度脱碳，促进能源转型日本：保障能源安全，巩固产业基础美国：储备战略技术，缓推实际应用澳大利亚：拓宽出口渠道，推动氢气贸易三、氢能发展形势4.我国氢能产业现状特点一：氢能是中国构建多元化能源体系关键一环富煤、贫油、少气+可再生能源丰富我国碳减排任务艰巨氢电耦合是构建我国现代能源体系的重要途径中国氢能兼具产业基础及应用市场，综合优势显著24三、氢能发展形势4.我国氢能产业现状特点二：氢燃料电池技术使氢能产业实现商业化注：数据来自中国汽车工业协会发布的《2016年汽车工业经济运行情况》《2017年汽车工业经济运行情况》《2018年汽车工业经济运行情况》《2019年汽车工业经济运行情况》。2016—2019年，国内燃料电池汽车销量大幅增加我国在燃料电池汽车方面保持了较强的产业扶持力度。定位与客用车与运输车辆，定位明确。25三、氢能发展形势4.我国氢能产业现状特点三：我国可再生能源制氢潜力巨大：风能、太阳能资源丰富，制氢成本低廉26三、氢能发展形势3.我国氢能产业现状272021年11月，工信部印发了《“十四五”工业绿色发展规划》，表明应加快基础设施建设，推动氢能多元利用；2022年1月，国家能源局综合司发布的《2022年能源行业标准计划立项指南》中落实了氢能发展的重点方向；2022年3月，国家发展改革委、国家能源局印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》明确了各阶段氢能产业发展的基本目标；2022年4月，《“十四五”能源领域科技创新规划》中提出了突破氢能及燃料电池等关键技术的要求。中国：明确氢能协同互补定位，构建多元化应用场景2025年2030年2035年基本掌握核心技术和制造工艺燃料电池车保有量5万辆可再生能源制氢量10-20万吨/年二氧化碳减排100-200万吨/年形成较完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系形成氢能多元应用生态可再生能源制氢在终端能源消费中的比例明显提升三、氢能发展形势3.我国氢能产业现状28注：数据来自中汽协、华经产业研究院、隆众资讯。2016-2021年，我国燃料电池汽车产销情况总体呈现增长态势，2020年受疫情影响略有滑坡。根据中汽协，2022年1-2月氢能源汽车产销量分别达到了355辆和370辆，行业或将迎来爆发期。我国在燃料电池汽车方面保持了较强的产业扶持力度。定位明确，主要用于客用车与运输车辆。截至2021年底，全国共建成加氢站212座，其中正运营的加氢站数量为126座。我国加氢站主要分布于广东、江浙沪、山东等燃料电池车发展较快的省市，其中广东地区所有加氢站41座，占全国总加氢站数量的19.3%。三、氢能发展形势29北京冬奥会示范运行超1000量氢能源汽车，成为运输主力。氢燃料电池低温性能优越，可实现-30℃低温启动，-40℃低温存放和停机自动保护，大巴车续航里程可达400公里以上。冬奥会的氢燃料电池汽车有3个车型，分别是丰田Mirai乘用车、丰田柯斯达中巴车和丰田-福田合作开发的12米大巴车。与同级别燃油车相比，三款氢燃料电池汽车每百公里可减少排放二氧化碳分别约为18.79公斤、47.01公斤和57.86公斤。企业合作，利用由光伏、风能等所产生的“绿电”进行氢气的制取工作，实现“绿电制绿氢”，不间断为北京冬奥会提供氢能支持。2022年北京冬奥会配备了30多个加氢站，保障比赛期间的氢能供应。汇报提纲30三、氢能发展形势四、氢能技术一、能源科技发展二、新能源技术概览四、氢能技术氢能产业技术全景31氢能产业技术全景四、氢能技术制备储运应用化石能源制氢电解制氢副产氢气生物质制氢核能制氢光催化制氢物理储氢化学储氢材料储氢加氢站(交通领域)家用热电联产燃料电池炼油厂化工原料冶金行业……32四、氢能技术1.制氢技术332019年我国各类制氢平均成本与碳排放对比如Source:IEA2019.Allrightsreserved.灰氢蓝氢绿氢四、氢能技术1.制氢技术：化石能源制氢天然气蒸汽转化煤气化副产氢气甲醇重整分

离

净

化H2序号工艺路线成本元/Nm3技术规模Nm3碳排放kg/GJ1煤炭气化0.6~1.21000~20x1041932天然气SMR0.8~1.5200~20x104693甲醇裂解1.8~2.550~500734液氨裂解2.0~2.510-20005水电解3.0~4.010-200034四、氢能技术1.制氢技术：副产氢气纯化GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》燃料电池用的氢气更关心杂质组成工业氢气燃料电池用氢气研究机构纯化方法研究成果中石化吸附法已开发出氢气纯化成套（S-PSA）技术工艺包北京佳安氢源吸附法开发的“模块化定向除杂（MDP）”技术可来自于化石能源制氢，将工业尾气、废气的富氢纯化后用于燃料电池。四川天一科技吸附法已开发出焦炉煤气净化和提氢技术，可满足氢燃料电池的使用要求。国家能源集团吸附法开发了自有的氢气纯化技术，并在北京建立了纯化技术平台。美国的杜克大学，NASA，AkzoNobel等膜分离主要是钯膜的研究，实现商业化。35四、氢能技术1.制氢技术：电解水制氢水电解：阴极：阳极：总反应：特性碱性电解水制氢质子交换膜电解水(PEM)固体氧化物电解水(SOE)能源效率60%-75%70%-90%85%-100%运行温度℃70-9070-80700-1000电流密度A/cm20.2-0.41-21-10能耗kWh/Nm34.5-5.53.8-5.02.6-3.6启停速度启停较快启停快启停慢动态响应能力较强强--电能质量需求稳定电源稳定或波动稳定电源电解质20-30%KOHPEM（常用Nafion）Y2O3/ZrO2系统运维有腐蚀液体，后期运维复杂，成本高无腐蚀性液体，运维简单，成本低目前以技术研究为主，尚无运维需求电解槽寿命可达12000h已达到10000h--商业化规模Nm3/单电解槽1000-1500200无占地面积较大占地面积小未知特点技术成熟。已实现工业大规模应用，成本低较好的可再生能源适应性，无污染，成本高（PEM更换与贵金属电极），商业化水平低部分电能被热能取代，转化效率高，高温限制材料选择，尚未实现产业化水可以通过电流分解为氢气和氧气，该原理已长期用于工业制氢。电解过程与燃料电池过程相同，只是与电化学反应方向相反，主要有以下三种技术路线：36四、氢能技术1.制氢技术：电解水制氢-碱性水电解碱性水电解技术特点技术成熟，寿命可靠耗电量高(4.5-6kWh/Nm3)规模较大(5.3MW)需提高能量密度提高系统的动态响应能力开发新材料，提高分离膜片寿命国外代表企业：法国Mcphy，美国Teledyne，挪威Nel国内代表企业：中船重工718所，苏州竞立，天津大陆制氢，中电丰业，技术特点：Diaphragm:Asbestos(past)PPS,PTFE,PSF,Zirfon®(current)LiquidelectrolyteKOH50-120℃，1-60bar产业化情况：津巴布韦:28×3.5MW-21000Nm3/h秘鲁：7×3.5MW-5200Nm3/h埃及Aswan:165MW-3700N3/h新能源领域：2006年加拿大Idaho风电制氢项目德国勃兰登州ENERTRAG制氢项目德国美因茨风能制氢项目(Linde)河北沽源200MW风电,10MW制氢项目金风吉林长岭20万千瓦风电和制氢37四、氢能技术1.制氢技术：电解水制氢-PEM电解PEM电解技术特点采用纯水能量密度大理论耗电量更低(3.8-5kWh/Nm3)快速响应能力膜需要贵金属国外代表企业：ITM，德国西门子、美国Proton、加拿大Hydrogenics国内代表企业：中船重工718所，大连物化所，安思卓，中国航天科技507所产业化情况：加拿大安大略省电网调度机构，利用PEM技术制氢，并协助平衡电网。该项目于2017年建成，制氢能力1,000公斤/天，增加了电网调度备用容量，加大可再生能源并网的能力。2018年壳牌与ITM能源公司计划在莱茵炼油综合体内的Wesseling炼油工厂安装一个大型电解槽制氢装置。该装置容量为10兆瓦，2020年下半年基本完工。法国液化空气公司完成了世界上最大的PEM(质子交换膜)电解槽的建设，通过利用可再生能源，该装置现在每天能够生产8.2吨低碳氢，位于加拿大Bécancour。38四、氢能技术1.制氢技术：电解水制氢-固体氧化物电解国外代表企业：德国Sunfire公司、日本产业技术综合研究所国内研究机构：清华大学核能与新能源技术研究院、华南理工大学、中国矿业大学高温下高温固体氧化物电解技术以固体氧化物（如氧化锆-氧化钇）为电解质，在约700-1000°C的高温条件下进行，为高温热源的应用提供了新途径。电解水蒸气制氢与常规水电解相比，具有更高效、环境友好等优点。高温下，电解水的电量需求可显著降低。固体氧化物技术特点转化效率高耗电量更低(2.6-3.6kWh/Nm3)投资成本高技术不够成熟全球首套商业规模的高温固体氧化物电解设备将在荷兰投入使用，电力来源为绿色电力，德国Sunfire供货一套2.6MW的高温固体氧化物电解设备是全球首个高温固体氧化物电解水制绿色氢气项目。39四、氢能技术光解水制氢-主要挑战-效率的提高催化剂成本可见光谱范围Fujishima(1972年)，TiO2载体日本三菱化学ARPChem南京工学院,邹志刚教授课题组生物质制氢核能制氢生物质气化：撬块化，安全和环保，稳定性，原料的适应性，成本和效率，发电到制氢的转变…生物质厌氧发酵：总体上处于试验室阶段。

EU联合工程项目:Hyvolution

反应器设计，解决反应器放大的问题，原料适用性，成本控制，菌种开发…40-主要挑战-安全性问题技术本身的成熟度材料的选择核岛和化工岛的连接工程化经验欠缺四、氢能技术2.氢的储运技术:目前氢能发展的最大瓶颈41四、氢能技术2.氢的储运技术——物理储氢42四、氢能技术2.氢的储运技术——高压气态储氢(a)HydrogenstoragetankinHerten,Germany(b)HydrogengasholderofInfraservinHöchst/Frankfurt,Germany@50bar,5300m3(STP),470kgH2,2013.(c)SphericalpressurevesselofWuppertalerStadtwerkeinMöbeck/Sonnborn,Germany12-16bar,15000m3,1988(d)pipestoragefacilityofErdgasZürichAGinUrdorf,SwitzerlandDN1400,64-100bar,2013.~€17m,260tubes,14teach,Thickness25.5mm，6112m3(c)(d)43四、氢能技术不同型号储氢罐的特点型号I型II型III型IV型V型材料纯钢质

金属钢质内胆

纤维缠绕铝内胆

纤维缠绕塑料内胆

纤维缠绕无内胆纤维环绕压力17.5-20MPa26.3-30MPa30-70MPa>70MPa研发中使用寿命15年15年15-20年15-20年成本低中最高高车载使用否否是是在氢气临界温度以上，通过高压压缩的方式实现氢气储存

储氢罐相关厂商：浙江大学、开原维科、东方电气Faurecia（法国）、ILJINComposite（韩国）、HexagonComposites（挪威）、NPROXX（德国）储氢瓶相关厂商：安瑞科、浙江兰能、JFE（日本）国内一般使用国内禁止使用2.氢的储运技术——高压气态储氢44四、氢能技术2.氢的储运技术——液氢将纯氢冷却到-253℃使之液化，然后充装到高真空多层绝热的燃料罐中来进行氢储存在大规模、远距离氢的储运过程中，相比高压气态储运氢，液氢具有明显的成本优势。

技术提供商：LINDE、液空、中科富海美国液氢产能超过300吨/天，其中约33.5%液氢用于石油化工电子行业，18.6%用于航空航天，10%用于燃料电池车辆的加氢站。日本川崎重工神户工厂举行全球首艘液氢运输船“SUISOFRONTIER”下水。45四、氢能技术2.氢的储运技术——化学与材料储氢4