氢能源与燃料电池产业发展战略研究

资源开发利用方式从矿藏资源消耗型向天然资源碳氢燃料的开发利用方式从高碳燃料向低碳燃料转变（加氢减碳过程化石能源低碳化、零碳能源规模资源开发利用方式从矿藏资源消耗型向天然资源碳氢燃料的开发利用方式从高碳燃料向低碳燃料转变（加氢减碳过程化石能源低碳化、零碳能源规模人类的能源利用一直朝着低碳的方煤石天然能源种生物碳氢比03p我国拥有全球最大的能源系统，也是最p“一大三小”（煤、油、气、非化石能源）的能源生产结构；非水可再生能源pp我国拥有全球最大的能源系统，也是最p“一大三小”（煤、油、气、非化石能源）的能源生产结构；非水可再生能源p推动经济增长模式的绿色低碳转型不会一蹴而就，我国国情能情的特殊性决定p须依靠科技进步，走出具有中国特色的nnnn4Ø节能与提高能效的减排潜力Ø节能与提高能效的减排潜力巨Ø能源结构优化是长期减碳的根氢能拥有独特优势资源化利热值为143最高综合转化效率达5氢能应用的可能方向与作氢能应用的可能方向与作•①•②③④⑤⑥⑦67深入贯彻7深入贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略，把发展氢能作为实现碳达峰、碳中和目p氢能是全p氢能是全球能源技术革命和产业发展的重要方向，各国氢能发展各具特色--不同的发展Ø澳大利亚以出口氢气，发展氢能贸易为主Ø欧洲发展氢能以工业脱碳为目标 美国氢能产业主要以固定式发电为主，保障电力供给可 韩国主要发展氢燃料电池汽nn近百nn近百位院士专家开展了2年多研 承办2019年中n召开项目全体会议4次，项目综合组召开研讨会近209123412342.1Ø氢气：全球“纯氢”产量7000万吨/年，主要用于化工精炼、合成氨等领域，交通领域消费量不足 02.1Ø氢气：全球“纯氢”产量7000万吨/年，主要用于化工精炼、合成氨等领域，交通领域消费量不足 02.2Ø截止2021年底，全2.2Ø截止2021年底，全球共有659座在营加氢站，其中中国在营183座（建成255座），日本在营157座，韩国80座；欧洲173座（其中德国92座）；北美54座（其中美国49座）；其他Ø我国供氢产业的社会投入强度显著提升，加氢站数量和规模持续增长，覆盖省份从我国各省加氢基础设施运营概况（截止2020年底2016-2020年中国加2.2*空白；国内2.2*空白；国内35Ma加氢站技术已趋于成熟，加氢站的设计、建设以及三大关键设备（45Ma大容积储氢罐、Ma加氢机整机和a隔膜式压缩机）均已实现国产化；2021年1月，首座液氢油电综合（樱花）2.2（氢2.0新动向2.2（氢2.0新动向，到2030年，日本的发电用燃料中氢和氨将各占Ø欧盟启动了EU-projectShipFC项目，计划2023年实现2MW的氨燃料SOFC发电系统，由20个100kW模液 - 甲 液 项 储存温度 压力 能量密度 含碳量，着火点，爆炸范围 2.32.3（千台（来源SOFC粗氢及碳氢燃料、能量转化率高，在大型集中供电、分布式发电、热电联供乃至交通领域p氢燃料电池汽达到17940辆；韩国现代NEXO达到22337辆Ø国外p氢燃料电池汽达到17940辆；韩国现代NEXO达到22337辆Ø国外基本都是以乘用车为主，商用车为辅；以乘用车技术的发展来带动和促进燃料电池叉车，Ø我国燃料电池汽车主要是商用车，截止到2021年底，数量为93150Ø公交、重卡等商用车是最符合我国国情的氢燃料电池商业发展Ø国内物流园区及港口发达，对重卡、叉车需求巨大，同时排放要求越来越严格。氢燃料电池重卡在矿山、煤炭、港口等固定运输专线、支线短倒以及一些封闭性场景下的推广逐渐趋在机车领域，调车机车、铁路专用线机车、支线机车目前还都是内燃机车，与之相比，氢燃料电池车不用重新架设取电网，在站场、港口、城市轨道交通等地存在一定应用空间，燃料氢能在船舶等领域应用（支持远程运输，可快速加氢）。氢能源在船舶方面的应用研究才起艇提供动力，仍需通过更多的研究来寻找适合利用氢能来推动船舶的动力转化家用热电联产系统的出货数量众多，其中日本ENE-FARM项目的出货是主固体氧化物燃料电池（SOFC）Ø分布式及数据中心应用：固体氧化物燃料电池（SOFC）Ø分布式及数据中心应用：BloomEnergy公司为苹果、沃尔玛、谷歌及可口可乐等提供SOFC分布Ø大型发电：三菱重工自1980s开始研究SOFC大规模发电系统，截止2019年9月三菱与日立合资的Ø家庭热电联供：日本ENE-FARM计划2020年、2030年分别实现家用燃料电池累计装机量达140万ApplePark独立微电网SOFC-MGT合发电系SOFC可在公园、路边等工作休闲区域固体氧化物燃料电池（SOFC）Ø“十二五”期间固体氧化物燃料电池（SOFC）Ø“十二五”期间，中国矿业大学（北京）作为依托单位，完成第一个SOFC方向国家“973计划”项“十二五”期间，中科院大连化物所、宁波材料所、华中科技大学和中科院上硅所分别承担了“863计划”项目ØØ“十三五”期间，大型能源集团如国家能源集团、国家电网、华能集团、潍柴动力、晋煤集团、中广核、新奥集团等开始介入Ø2017重点研发计划“CO2近零排放的煤气化发电技术”兆瓦级IGFC示范基地和20千瓦IGFC系CO2近零排放CO2近零排放的煤气化燃料电池发电整体煤气化燃料电池发电IGFC—IntegratedGasificationFuelCell中国矿业大学（北京）p承担了国家重点研发计划、“7”、“”，中美、中瑞、中丹国际合作、中国工程院战略咨询（重大及重点）、北京市未来科学城建设专项、山西省煤基重点科技攻关等二十余项国中国矿业大学（北京）p承担了国家重点研发计划、“7”、“”，中美、中瑞、中丹国际合作、中国工程院战略咨询（重大及重点）、北京市未来科学城建设专项、山西省煤基重点科技攻关等二十余项国家及省部级科研项目，目前已突破/C关键材料-器件-模块-系统的系列关键技术，实现了千瓦级电堆的批量化生产，大大提高了电堆寿命及一致性可靠性，正在进行25~100千瓦级SOFC系统示范推广工作，并同时开展100千瓦级SOEC电解水制氢的示范技术开发100kW级SOEC系单电池和kW级电100kW级SOFC系模块化结构，功率可调，安全保障•••单电池：40电堆：额定功率1千瓦直流电效率•••2.4pu日本、德国、瑞典、奥地利等国家率先进行了大量的氢冶金技术开发和示范应用，日本是最早用氢气进行炼铁工艺尝试的国家，早2008年日本启动了环境和谐型炼铁项目（COURSE50），最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳2.4pu日本、德国、瑞典、奥地利等国家率先进行了大量的氢冶金技术开发和示范应用，日本是最早用氢气进行炼铁工艺尝试的国家，早2008年日本启动了环境和谐型炼铁项目（COURSE50），最终目标是实现炼铁工艺二氧化碳排放量减少u随着国内钢铁冶金行业碳排放的逐步增加，相关企业也开始着手布局氢冶金，宝武集团、河钢集团、酒钢集团、天津荣程集团、中晋1华放2月3月4府月5月6干重整制还原气H2/CO71日本23年减排45672.4p欧洲——技术可行，商业化运行，最高掺氢比例可达2.4p欧洲——技术可行，商业化运行，最高掺氢比例可达2.4pØ船舶行业每年的碳排放量为2.4pØ船舶行业每年的碳排放量为11.2亿吨以上，约占世界CO2排放总量的4.5％，国际海事组织目Ø2021年2月，丰田与加拿大船用电池供应商CorvusEnergy联手开发和生产船用燃料电池系统；巴拉德动力宣布与GlobalEnergyVentures签署备忘录，旨在开发一款命名为C-H2船的新型Ø我国交通部提出推广燃料电池等动力船舶，推进氢能等在行业的应用，2021年2月，中国船2.4p氢储u2.4p氢储uØ根据美国能源部的统计，截至2018年底，全球共有13个氢储能项目，装机规模共计20.23MW；有7个位于德u我国氢储能起步较晚，在2019年之前多处于实验室研发阶ØØ2019年8月，我国首个MW级氢储能项目——安徽省六安市1MWØ2019年12月，广州供电局招标“十四五”氢调峰综合能源站总体规划研究，预示着国内又一个氢储能项目进入Ø2021年1月，吉林省发改委对大安市舍力镇风光制氢储能示范项目进行了核准批复，项目总建设规模50MW 202111月，中电新源公司220千伏氢气储能发电工程初步设计通过评2.5NatureElectronics大众集团卡车部门Traton公司观点，“电池电动动力系统的效率优于燃料电池电动动力系统；电动卡车，载重402.5NatureElectronics大众集团卡车部门Traton公司观点，“电池电动动力系统的效率优于燃料电池电动动力系统；电动卡车，载重40ppppp12341234基础n相关核心设基础n相关核心设备主要依靠进口，氢能产业装备制造等方面相对滞后，缺乏完备的产业储氢、燃料电池关键部件、监测测试装备•燃料电池核心技术、储运技术存在短板，氢能基础设施发展滞后，包括制氢设施、氢能储存与输送设施、加氢•差）制氢技术可行，规模化发展潜力巨大碳排放：煤制氢>天然气制氢>化石燃料制氢+CCS>）制氢技术可行，规模化发展潜力巨大碳排放：煤制氢>天然气制氢>化石燃料制氢+CCS>煤气化制氢的成本最低，天然气蒸汽重整制氢成本略高。在可再生能源制氢当中，水电-电解水制氢的成本与煤电制氢成本相当，风电、光伏发电制氢的成本相对较高对于可再生能源制氢而言，降低电费会显著降低成本，而从长远来看，可再生能源的持续大规模发展会使其发电成本越来越低，以分布式光伏发电为代表的就近供电方式会进一步降低制氢成本反观化石能源，原材料的价格波动会较大地影响制氢成本碳价提升未来影响氢气供•••• 目前的电制氢技术主要是碱性、质子交换膜（PEM）和固体氧化物 目前的电制氢技术主要是碱性、质子交换膜（PEM）和固体氧化物电解池 随着电解运行温度提高，电解所需要的电能（∆G）逐渐减小，单位产氢的能耗大大降 SOEC还可以电解二氧化碳或共电解制合成气，进一步制甲烷、甲醇等，实现碳循 SOEC实现大规模可再生能源电力转化、长周期存储的同时，还能够转化利用CO2，为交通及化工提供绿氢和烷、甲醇、氨气等，为“氢2.0”提供标方氢电耗60-55%-4.6-60%-电堆价格(元*系统效率=H2低热值（LHV）+对应每公斤H2电耗SOEC电转化效率更高，能耗更（2）我国储运氢及加注成本分析（2）我国储运氢及加注成本分析（3）燃料电池技术发展和产业政策存在的问题产业政策制（3）燃料电池技术发展和产业政策存在的问题产业政策制SOFC技PEMFC技12341234尊重市场、稳妥尊重市场、稳妥区域协同、试点关产业扶持政策利于国内区域性网络的构建，加域氢能产业生态方式调整为选择分城市围绕燃料汽车关键零部件技术攻关，开展电池产业化示范技术为本、自主战略引领、政策（1）（1）各地根据资源与工业的发展情*完善我国可再生能源制氢技术链，*氢燃料电池车保有量5-10万辆，建研（2）燃料电池产业发展总体目标：进一步优化部件生产水平，提高车用电池系统性能，开展在船舶、重卡等领域的应用示范；基于副产氢、天然气等燃料，开发千瓦级至兆瓦级分布式发电系统；研制性能达到目前国际水平的国产大型（2）燃料电池产业发展总体目标：进一步优化部件生产水平，提高车用电池系统性能，开展在船舶、重卡等领域的应用示范；基于副产氢、天然气等燃料，开发千瓦级至兆瓦级分布式发电系统；研制性能达到目前国际水平的国产大型M制氢电解槽2021-2025建立国产化低成本材料与部件批量生产线；提高高温PEMFC电堆的性能及稳定性，降低成本；电堆额定功率可根据实际需求调节，电堆比功率6kW/L，寿命大于30000h，成本小于500元/kW；Pt小于0.2mg/cm2；建立燃料电池汽车完整产业链，满足100万辆以上燃料电池车需求，实现高温PEMFC在分布式冷热电联供系统应用2026-20352036-2050高性能、高耐久性的新材料及电堆生产与规模化商业应用，拓宽燃料电池在不同领域规模化应用，建立自主化燃料电池完整产业链。实现不同额定功率电堆及系统产品开发，电堆比功率9kW/L，寿命大于40000h，成本小于300元/kW；关键材料及部件量产规模满足不同应用场景需求（3）燃料电池产业发展总体目标：突破关键材料、核心部件、系统集成、过程控制等关键技术；在电堆寿命方面取得实质性突破；建立健全SOFC/SOEC应用的设计、检测平台；实现（3）燃料电池产业发展总体目标：突破关键材料、核心部件、系统集成、过程控制等关键技术；在电堆寿命方面取得实质性突破；建立健全SOFC/SOEC应用的设计、检测平台；实现100-500kW级SOFC及SOEC系统的自主设计、制造与示范运行；2021-2025完全掌握SOFC/SOEC电堆及系统集成技术，加快SOFC/SOEC行业标准建设工作；50M