《2019200672-王文涛-氢能利用与发展综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019200672-王文涛-氢能利用与发展综述（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、硕士研究生课程论文课程名称： 能源转化工程 题 目： 氢能利用与发展综述 题目类型： 课程论文 学 院： 化学工程学院 专业名称： 化学工程 姓 名： 王文涛 学 号： 2019200672 任课教师： 陈明强 提交时间： 2020年7月11日 氢能利用与发展综述王文涛（安徽理工大学化学工程学院化工安全专业2019级硕士研究生 2019200672）摘要：氢能是有极大发展潜力的清洁能源。文章介绍了氢的制备、储存、运输以及氢燃料电池汽车、加氢站等基础设施、氢燃料电池发电等方面氢能产业发展前景。最后根据中美氢能产业发展现状提出思考与建议。关键词：氢能；制氢；储氢；氢燃料电池汽车；氢能产业一、概述随
2、着能源体制变革、技术发展、系统形态升级，能源服务形态呈现出新的特点。综合能源服务能够满足用户多元化需求、拓展企业盈利空间、提升社会整体能效。大规模储能技术是综合能源系统中实现“心脏”功能的直接工具，能够在综合能源系统中发挥缓冲器、聚合器和稳定器的作用，而氢能作为一种清洁、高效、易规模化的能源储存与转化技术，已广泛应用合成氨和冶炼厂加氢等大规模工业中。近年来，受能源政策、市场以及相关氢能利用技术的驱动，氢能为综合能源系统中难以实现电气化的行业和应用提供了更多可行和适用的选择。截至2019年底，50多个国家制定了相关政策激励措施来支持氢能在能源系统中的应用研究。人们日益增长的能源需求等问题，对洁净
3、新能源和可再生能源的开发成为21世纪人类面临的首要问题。氢气作为一种清洁、安全、高效、可再生的能源，是人类摆脱对“三大能源”依赖的最经济、最有效的替代能源之一。同时，氢能作为一种洁净的能源载体，具有利用率高、燃烧热值高、能量密度大、存在广泛以及可储可输等优点。美国、日本、德国等发达国家更是将氢能规划上升到国家能源战略高度，氢能开发与利用已成为发达国家能源体系中的重要组成部分。日本是资源短缺型国家，故而非常积极的探索石油以外的其他能源，日本是氢能源发展最为积极的推动者，其氢能研究一直走在世界最前端。澳大利亚作为世界上最大的煤炭出口国和第二大液化天然气出口国也开始计划以太阳能、风能制氢，并向东亚地
4、区出口液氢，打造下一个能源出口产业，目标是到2030年在中、日、韩、新加坡4国开发70亿美元市场。我国也正在大力发展氢能源，自2011年以来，我国政府有关部门从战略、产业结构、科技、财政等方面相继发布了一系列政策，引导并鼓励氢能相关产业的发展。2016年江苏省如皋市被联合国开发计划署命名为“中国氢经济示范城市”；2017年佛山市建成国内首个商业化运营加氢站；2018年经国家能源集团牵头成立了“中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟”；2019年山东省计划在济南建设“中国氢谷”并启动山东氢能源中长期发展规划方案编制。从长远来看，氢能可以从根本上解决人类未来的能源安全问题。氢是宇宙中最常见的元素。氢
5、气作为二次能源的载体，来源广泛，可用化石能源制取，还可来自炼化冶金等工业副产气。氢气无毒，燃烧性能好，单位质量热值是汽油的3倍，燃烧产物仅有水，无CO2和污染物排放，利用形式多样，因此，氢能被誉为2l世纪的终极能源。巴黎协定生效以来，国际社会为实现可持续发展目标，建立清洁低碳、安全高效的能源体系，积极探寻低碳绿色发展转型路径。全球范围看，以美国为代表的发达国家从国防航天、能源安全、低碳环保等战略角度出发，将氢能视为实现低碳社会发展目标的关键能源之一。二、分析1氢气的制备表1氢气不同制取工艺的比较制氢的方法非常多，无论是一次能源还是二次能源都可以制取氢气。目前，氢气的制取路线主要有四大类：一是电
6、解水制氢，其制取的氢气纯度可达99.7%；二是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；三是以焦炉煤气、氯碱工业为代表的工业副产提纯制氢；四是利用可再生能源制氢。各工艺的对比如表1所示。由表1整体分析，甲醇裂解制氢是一种经济的制氢方式，虽然其生产规模小，但原材料易得、投资成本低、并且经过变压吸附净化后的氢气纯度可高达99.99%，作为氢气间断性、补充性的制造是完全可以的。另外，可再生能源制氢一直是各国大力研究发展的项目，它可以利用弃风、弃光等能源，从而减少了能源的浪费，是未来制氢行业中最具潜力和前途的工艺。2氢储能与常规储能系统比较2.1常规储能技术储能系统（energystoragesyste
7、m，ESS）具有以电荷形式存储电能并在需要能量时允许放电的能力。随着技术的不断发展，能量储存方式多种多样，常见的机械储能方式有抽水蓄能（pumpedhydrostorage，PHS）、压缩空气储能（compressedairenergystorage，CAES）、飞轮储能（flywheelenergystorage，FES）等；电磁储能有超级电容储能（supercapacitors，Super-C）、超导储能（superconductingmagneticenergystorage，SMES）等；电化学储能主要指电池储能系统，包括铅酸电池、镍铬电池（nickelcadmiumbattery,N
8、iCd）、锂离子电池（lithiumion,Li-ion）、钠硫电池（sodiumsulphurbattery，NaS）等；相变储能主要指热储能（thermalenergystorage，TES），目前研究较多是采用熔盐储能；化学储能3个常见途径是氢气、氨和合成气，其中氢储能（Hydrogen）最具吸引力的能量储存方式之一。2.2储能技术比较 2.2.1 技术成熟度大规模储能技术中PHS、CAES的技术相对成熟，但两者均依赖特殊的地址条件，其大规模发展受到制约，但由于其启停灵活、反应迅速，具有调峰填谷、紧急备用和黑启动等功能，国家电网公司与南方电网公司仍相继投建数座PHS。为了提高效率、更好地
9、调整电网频率，研究人员正在开发变速涡轮机。现有超过180GW的PHS存储容量，80%位于欧洲、中国、日本和美国。其他较为成熟的是电池储能系统，由于原材料市场供应充足、技术进步较快，成本进一步降低，电池储能系统将进一步发展。近期，太平洋天然气和电力公司（PG&E）的Elkhorn电池储能项目（182MW/730MWh）已获批准，未来将为全球知名的科技中心硅谷供电。随着氢利用技术的发展和进一步成熟，以及可再生能源的氢供应成本下降，人们已认识到氢能可在未来清洁、安全的能源系统中发挥更关键的作用，技术成熟度上升较快，呈现规模性效应。2.2.2 系统效率及寿命ESS循环效率最高的是SMES，它将电流储存
10、在由电流流过超导线圈产生的磁场中，由于超导线圈没有电阻，损耗几乎为零，仅有附属电力设备如交流/直流转换器造成的2%3%的损耗。FES和Li-ion的系统效率也较高。ESS的能量损耗主要来源于不同组件之间的能量传递过程，通过调节充电和放电过程中的能量损耗，可以提高ESS的效率。机械储能方式中PHS和CAES的使用寿命最长，分别为4080年和2560年。电池储能系统随着工作时间的延长，电池的化学性能变差，使用寿命相对较短，大多低于20年。氢储能系统的循环效率为35%55%，低于常规ESS，其主要受氢价值链中采用不同技术路径的影响，如汽车中氢燃料电池效率约为60%，而通过内燃机的效率约为20%，综合
11、考虑氢能的价值链，氢储能的寿命为1550年。3氢气的运输氢气的运输方式主要有4种：1、高压气态输氢主要有长管拖车运输和管道运输两种方式，当前长管拖车运输设备产业在国内较为成熟是近距离运输的主要方式，管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的方式；2、液态输氢可以满足运输量大的要求液氢槽罐车运输在国外应用较为广泛，国内目前仅用于航天及军事领域；3、有机液体输氢在储氢密度和储运便利性上兼具优势，但存在催化剂成本和效率难以兼容、装置复杂等问题，并不是氢气的主流运输方式；4、目前对于固体储氢材料的研究还处于探索和改进阶段，其原料成本也较高，实现规模化的运输仍然面临着挑战。4氢能的应用4.1氢能热电联供系统
12、燃料电池是氢能应用中最重要的形式，主要是以氢燃料电池系统作为建筑、社区等的供能载体和备用能源。微型燃料电池热电联供装置是氢能固定式应用的重要分支，也是一种备受关注的新型分布式能源技术。日本是世界上推广商业燃料电池利用系统规模化最大且最成功的国家，自20世纪末，日本就开始进行燃料电池基础研究，2004年生产出示范产品，2009年政府开始加大产品购买补贴与基础研究力度加速推进了商业化，目前已形成完整的家用燃料电池系统产业链，为各国展示了一条清晰的发展路线。4.2氢能源汽车氢燃料电池汽车是目前最主要的交通利用方式，近两年氢能燃料电池汽车的发展受到各界重视，逐渐成为资本和企业追逐的热点，丰田、本田等公
13、司都宣布实现燃料电池汽车商业化。氢能作为汽车内燃机的直接燃料主要有两种，一是直接使用氢气作为燃料的全氢发动机，二是在传统内燃机燃料（如汽油、柴油）中掺入微量氢气燃烧。与传统燃油车相比，燃料电池汽车发动机在工作过程中具有冷启动性能好、热量损失小、能源转换效率高等优势；与纯电动车相比，燃料电池车的续航里程更远，燃料加注时间也更短。然而燃料电池气车仍然存在着制造成本与使用成本高昂的缺点。我国对于燃料电池的研究起步晚、产业基础薄弱，氢经济相关技术与国外相比存在一定差距，但政府、学界和企业都高度关注氢能源汽车的研发和生产，中央和各地政府陆续出台了相关扶持和补贴政策鼓励氢能源汽车的发展，预计2030年左右
14、可以实现氢能源汽车大规模的推广和市场化。加氢站是为氢燃料电池汽车加注氢燃料的重要基础设施，其建设和商业化与氢燃料电池汽车商业化发展有着密不可分的关系。截止2017年年底，全球共有328座加氢站，欧洲有139座，亚洲有118座（其中日本91座），北美有68座，南美有1座，澳大利亚有1座，阿拉伯联合酋长国迪拜有1座私人加氢站。其中227座可以像传统加油站一样，不需预约直接使用；24座需要预约才可使用，其余的加氢站则主要为特定巴士或车队提供氢气燃料。公开资料显示，未来5年，全球主要国家将加快加氢站建设，到2020年，全球加氢站保有量将超过435座，2025年有望超过1000座，日本、德国和美国分别有
15、320、400和100座。据了解，我国目前投入或即将运营的加氢站仅为14座。已建加氢站情况见表2。表2 我国已建加氢站情况另外，上海世博会、广州亚运会、深圳大运会所建临时加氢站已经拆除。从表2可以看出，我国加氢站等基础设施建设远落后于发达国家，也是制约氢燃料电池汽车发展的重要瓶颈。截止2018年7月份，我国已建成及在建的加氢站共有41座，分别位于北京、上海、江苏、大连、安徽、河南、广东、成都等地，全国各地很多城市也都正在规划建设加氢站。按照中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016），到2020年，加氢站数量达到100座；氢燃料电池车辆达到10000辆；到2030年，加氢站数量达到1000座，氢燃料电池车辆保有量达到200万辆。5燃料电池发电最近几年，日本推出氢燃料电池系统，为微型氢能热电联供机组或装置，主要以质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）和固体氧化物氢燃料电池（SOFC）为主：整个系统由氢燃料电池和储热水箱两部分组成，氢燃料电池主要作为发电单元，储热水箱则储存发电余热产生的热水作为家庭供热，包
