氢能产业发展发展基础研究

氢能产业发展发展基础研究 一、 氢能产业发展发展基础 从省内来看，我省氢能产业发展已初步涵盖制、储、输、用各个环节，并在相关技术研发和装备、材料制造等领域启动布局，为氢能产业发展打下了一定的基础。 （一）氢气制备和应用初具规模 制氢方面，据初步统计，我省从事氢能制备的企业已有十余家，主要集中在九江、赣州等区域，氢气年产量约30万吨。其中，九江两个制氢项目分别年产氢18．1万吨和7．5万吨，为目前省内规模最大的制氢项目；其他年产氢1000吨以上的项目主要为氯碱工业副产氢和甲醇重整制氢，成本相对较低，具备进一步扩大规模的潜力。氢能服务方面，部分企业拥有氢气制备、提纯和管束车运输能力，已成熟运营市场化氢气供应服务。氢能应用方面，当前主要集中在石化、化工、有色领域，此外在医药、电子等领域也有一定规模的应用，氢能应用领域与我省传统优势产业的契合度较高，应用前景较好。基础设施方面，九江市已建成全省第一座日加氢500公斤的油电氢混合站，积极推进氢能船舶研制和应用，为氢能在水陆交通领域示范应用的启动提供了先决条件。 （二）氢能相关科技创新势头积极 省内重点高校和氢能产业骨干企业充分发挥创新主体作用，搭建了一批氢能科技创新和产品研发平台，在储氢合金材料研制、燃料电池电堆与材料制备、工业固废提取制氢剂等领域取得了积极进展。省内相关研究机构建立了稀土储氢合金研发试验线和镍氢电池研发试验线，完善了储氢合金及镍氢电池性能的测试平台，提升了我省在储氢材料领域的技术研发水平，提高了性能测试能力，加快了储氢合金粉新产品的产业化发展。南昌大学共青城光氢储技术研究院研发的工业固废提取制氢剂项目，能够以相对较低的成本从工业固废中提取制氢剂。部分企业在多种类型氢燃料电池电源系统的研发上取得了积极成果，已具备年产1000件以上相关产品的生产能力，并正在着力攻关具有更高水平的产品研发。重点高校和骨干企业的创新实践，为我省氢能产业聚集专业人才、探索产学研结合创新模式提供了有利条件。 二、 氢能源的缺点 （一）氢能源价格昂贵 电解和蒸汽重整是氢提取的两个主要过程，非常昂贵。这是其在全球范围内未得到广泛使用的真正原因。如今，氢能主要用于为大多数混合动力汽车提供动力。需要大量的研究和创新才能发现廉价和可持续的方式来利用这种形式的能源。在此之前，氢能将仅保留给富人。 （二）储存并发症 氯性质之一是它具有较低的密度。实际上，它的密度比汽油小得多。这意味着必须将其压缩为液态，并在较低的温度下以相同的方式存储，以确保其作为能源的有效性和效率。该原因也解释了为什么必须始终在高压下存储和运输氢气，这就是为什么运输和普遍使用远非可行的原因。 （三）它不是最安全的能源 氢的功率绝对不应被低估。尽管汽油比氢危险一些，但氢是高度易燃和易挥发的物质，经常引起人们对其潜在危险的关注。与气体相比，氢气缺乏气味，这使得几乎不可能进行泄漏检测。要检测泄漏，必须安装传感器。 （四）棘手的四处走动 由于氢的轻巧，运输氢是一项艰巨的任务。石油可以安全运输，因为它大部分是通过管道推动的。煤炭可以方便地用自卸车运输。当考虑大量运输氢时，氢也带来了挑战，这就是为什么氢主要只以小批量运输的原因。 （五）生成氢能取决于化石燃料 氢能是可再生的，对环境的影响最小，但是将其与氧气分离需要其他不可再生的资源，例如煤，石油和天然气。生产氢燃料仍需要化石燃料。 三、 氢能的概况 （一）氢气能量密度高，环保性能好 近年来，全球气候变化和化石能源枯竭问题日益突出，作为一种绿色高效的二次能源，氢能具有热值高、无污染、可储存、与可再生能源便捷转换等优点，在交通、工业、建筑等领域具有广阔的应用前景，有望在终端能源消费领域替代石油、天然气等化石能源，有利于保障国家能源安全。 （二）国内氢能产业取得了一些突破 但仍有大量关键技术、零部件依赖国外。在全球气能产业发展提速背号下，宝内企业持续进行自主研发，但与国际先进水平仍存在明显差距，制氢及氢燃料电池中的催化剂和质子交换膜、储氢环节的液氢加工技术、运氢环节的长距离输送技术和用氢环节的加氢站内关键材料制备技术都掌握在加、美、日、韩、德、法等国家手中，进口依赖高，议价能力差，制约我国氢能产业发展。此外，我国加氢站等基础设施总量不足以支撑氢燃料电池汽车大规模使用，技术和基础设施的双重掣肘导致氢能全产业链成本高。 （三）全球范围内正掀起氢能产业发展热潮 将极大推动氢能产业发展，在全球加速能源低碳化转型背景下，发达国家结合自身资源禀赋和产业技术现状，逐步明确氢能源在国家能源体系中的定位，加速引导氢能产业健康发展，全球将迎来氢能社会发展热潮。目前我国正处于氢能产业培育期，但国家层面缺乏顶层设计，尚未明确氢能在国家能源战略层面的重要定位，且部分补贴门槛高、落地困难，大量标准尚为空白或已经过时，近期国家相关部委正在组织制定氢能产业规划和氢燃料电池车发展指导意见，将有效推动氢能产业发展。 （四）国内传统石化能源企业纷纷布局氢能业务 目前，我国氢能产业处在培育期，预计2023年将进入快速发展期。在具体路线图和详细专项规划尚未出台的情况下，国家能源集团、中石油、中石化、国电投等大型传统化石能源企业从加强新能源发电消纳、工业副产氢价值利用等角度出发，超前谋划、抢抓市场机遇，纷纷布局氢气管道、加氢站、油氢电综合智慧能源站等业务，氢能产业已呈现群雄逐鹿态势。 （五）氢能尚不具备应用于储能领域的条件 目前氢储能系统效率仅为电化学储能的50%左右、抽水蓄能的60%左右。未来随着单项技术的突破和研发体系的构建、配套基础设施的加速建设，技术国产化和量产化程度将不断提高，氢储能系统效率有望提升，但超过电化学储能和抽水蓄能系统效率的难度较大。 四、 氢能源的战略地位 整个市场其实大大低估了氢能源未来的发展前景与国家推动氢能源产业链的决心，其逻辑在于绝对的自主可控、产业利润全中国化、减少对石油依赖。目前在新能源汽车中，核心材料就是电池，新能源电池主要有三种，分别是铅酸电池、鲤动力电池、燃料电池，未来小的技术迭代暂且不考虑，大的技术迭代有钠离子电池，但主要是替代铅酸电池和钾电池中的磷酸铁鲤电池的。理电池目前作为新能源汽车与储能电池的主流，使用主要材料为理、镍、锰、钻。但是，目前世界上，鲤矿储量前三位的国家，分别为智利、澳大利亚、阿根廷，镍矿储量的前三位，分别是澳大利亚、法属新喀里多尼亚、巴西;锰矿储量的前三位，分别是南非、澳大利亚、加蓬;钻矿的储量前三位分别是刚果、澳大利亚、古巴这也就意味着什么？一旦中国的锤电池规模发展，中下游企业都将被上游，其次利润主要都集中到上游去大家可以看看头部新能源整车企业，蔚来、小鹏、理想、哪吒等，哪一个赚钱了?中游的核心企业，宁德、亿纬鲤能哪一个赚大钱了?都是毛利率很低，甚至整车企业，越卖越亏，只有-体化的比亚迪还有一定的利润，但也毛利率很低。如果完全依赖鲤镍钻等资源，这个数十万亿的工业体系一旦完成，如果完全离不开钾锦等贵金属，不仅被人死死掐住脖子，新能源产生的利润也会被上游企业，以及背后的华尔街资本全部吸走。因此站在整个大的国家自主可控、长期能源安全、能源低成本的角度上看，氢能源势在必行也就是会出现最近几年开始大规模推动氢能源，现在政策层面几个亿几十个亿的投入，未来就会带来几百亿、几千亿的产业规模和经济效益。 五、 制氢技术分析 尽管氢是自然界最丰富的元素之，但是天然的氢在地面上却很少有，所以只能依靠人工制取。通常制氢的途径有:从丰富的水中分解氢:从大量的碳氢化合物中提取:从广泛的生物资源中制取氢:或利用微生物去生产氢等等。各种制氢技术均可掌握。但是作为能源使用，特别是普通的民用燃料，首先要求产氢量大，同时要求造价较低，即经济上具有可行性，这是今后制氢技术的选择标准。就长远和宏观而言，氢的主要来源是水，以水裂解制氢应是当代高技术的主攻方向。以下简述几种制氢方法。 （一）化石燃料制氢 这是目前大量化工用氢的生产方法，如化肥生产的造气，即以煤在气化炉中燃烧，通过水蒸气还原反应，获得氢气。同样，石油、天然气或生物质燃料，均可用类似的方法制取氢。但是，这样的造气效率不高，需要消耗大量能源，并对环境污染较大。以能源换燃料，是得不偿失的。鉴于化石能源的有限性，应尽可能满足有机原料的需要，而不能作为产生氢能的依靠。 （二）电解水制氢 人们最早的制氢方法就从电解水开始，至今它仍然是工业化制氢的重要方法。尽管改进型的电解槽已把电耗压到了相当低，但还是工业生产中的电老虎。而且电本属二次能源，除了水电，电是用大量燃料换来的，其中经过热能、机械能、电能的转换，本来能耗就不小，再经电解水制成氢，总的能源效率实在太低，以此将氢作能源，无疑也是不可取的。不过现在正继续改进电解水制氢的工艺，并使用丰水期的水电，或利用风能、太阳能等可再生能源来电解水制氢作为这些新能源的贮存手段，自当别论，不能不说是有可取之处。 （三）硫化氢制氢 在石油炼制、煤和天然气脱硫过程中都有硫化氢产出，自然界也有硫化氢矿藏，或伴随地热等的开采也会产生硫化氢。国外已有硫化氧分解方法，包括气相分解法（干法）和溶液分解法（湿法），能同时获得硫磺和氢气。尽管这种工艺需要一定的高温（约600C）和适当的催化剂，或经过光照等措施，但是能化害为利，综合利用，将不失为一种制氢的好方法。 （四）光解海水制氢 80年代末，国际上出现了光解海水制氢的方法，以激光诱导MOCVD制膜技术有所突破，制成新型的金属/半导体/金属氧化物光电化学膜，用此种膜作为海水电解的隔膜，能使海水分离制得氢和氧，其电耗低，转换效率已达10%左右，此方法已引起各国科学家的关注。 （五）光化制氢 利用入射光的能量使水的分子通过分解或水化合物的分子通过合成产生出氢气。在太阳的光谱中，紫外光具有分解水的能量，若选择适当的催化剂，可提高制氨效率。因此在太阳能利用的高技术研究中光化制氢将作为重点。，有的还可将光电、光化转换同时进行，以获得直流电和氢、氧。目前，尽管尚处于实验室研究阶段，但对开辟制氢途径具有很大的吸引力。 （六）生物制氢技术 利用植物的光合作用制氢和微生物分解有机物制氢。从常见的植物光合作用吸收二氧化碳制造氧的过程，不难理解光合作用的深化。目前，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于千分之五，这与自然光谱的吸收率有关。在今后的生物工程研究中，提高植物的光合作用效率是突出任务之一，其中除制氧机制外，氢的转换也在其中。至于微生物制氢，自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，只是其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气就会像制造沼气一样。 （七）热分解水制氢 当水直接加热到很高温度时，例如3000C以上，部分水或水蒸气可以离解为氢和氧。但这种过程非常复杂，远非设想那样简单。其中突出的技术问题是高温和高压。较有希望的是利用太阳能聚焦或核反应的热能。关于核裂变的热能分解水制氢已有各种设想方案至今均未实现。人们更寄希望于今后通过核聚变产生的热能制氢。在美国能源部主持下有劳伦斯一利弗莫尔实验室、通用原子能公司和华盛顿大学等单位参加的核能热化学制氢研究项目已进行了多年，主要是以一种串联磁镜式核聚变堆为热源，用硫碘热化学循环的方法制取氢。此外，原苏联也制订过通过托卡马克核聚变堆进行高温蒸汽电解的制氢方案。所有这些制氢方法，都涉及一系列高技术，但人们仍有信心迎接氢能世界的出现。 六、 氢能的发展前景 氢气纯化技术方面，美国与日本立足本国能源结构和技术优势，分别聚焦小型天然气重整制氢场景与氨分解重整制氢、有机液体解析氢气场景，开展燃料电池车用氢气纯化技术研究，包括高效小型变压吸附技术、有机膜分离、无机膜分离和全属膜分离技术。我国的氢气来源广泛，尤其是副产气杂质种类多且含量分布宽，单一纯化技术路线难以满足实际需求。尤其在燃料电池车用氢气纯化领域，我国起步较晚，缺乏系统性研究。氢储存技术方面，目前我国对储氢材料的研究比较活跃，研究内容涉及到了高压储氢、碳纳米管储氢、新型合金储氢、有机化合物储氢、碳凝胶储氢、