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1、氢能源发展现状初步分析一、氢能需求：据可查数据，2017年全球范围内氢气产出大约在61006500万 吨之间，其中天然气重整制氢是最主要的方式，煤炭制氢的占比仅约 11% ;而中国由于“富煤，贫油，少气”的能源结构，年产氢气约 2,000万吨，其中煤炭制氢占比62%。今年的政府工作报告在修改之 后，增加了“推动充电、加氢等设施建设”这样一句话，引起市场关 注，这是氢能源首次写入政府工作报告。中国氢能市产模预测产量OT吨我国的煤制氢具有一定优势，一是原料的可获得性，我国作为煤 炭大国，煤炭资源丰富且易得。二是成本较低，按煤价160560元 /t测算，煤制氢的成本仅为0.550.83元/m3，低于
2、天然气的0.801.75元/m3，甲醇制氢的1.52.5元/m3。三是技术成熟，我国的 煤制氢技术已较为成熟，在一氧化碳转换、氢气分离提纯、大规模空 分等关键技术上实现了国产化，已广泛应用于化工和冶金工业领域。 四是产量高，我国煤制氢发展较快，每年煤制氢产量达千万吨级。国 内制氢（不包括工业废气中回收氢气）的主要方法有以下四种：1、天然气蒸汽转化制氢天然气蒸汽转化制氢是较传统的技术，以前常用于大规模的氢气 供应场合（5000Nm3/h以上）。根据我国氢气用户分散且规模较小的特 点，开发了低投资和低消耗的天然气蒸汽转化制氢技术，非常适合中 小规模的氢气需求场合；2、煤转化制氢煤制氢成本较低，但由
3、于煤制氢工艺流程较长，通常适合于中、 大规模的制氢装置（大于1000Nm3/h）。对于没有天然气资源的地区， 而且装置规模较大，选择煤炭气化制氢技术非常适宜；制氢成木对比耕转化甲弹 解水电那产氢电产成札无品行0,55-0 830.S-I 750.7-1nd逍.吧虬根（Wh 11000-20xLOJ50-50010-20010-200/3、水电解制氢水电解制氢气是最传统的氢气生产方式，能耗高、成本高。高性 能低成本的电解水制氢技术是目前的研究热点，张家港目前制氢主要 来自化工、钢铁等企业的工业副产氢，根据制氢企业提供的数据，企 业制氢成本差别较大，在1.63.5元/Nm3之间；4、甲醇或氨裂解制
4、氢甲醇或氨裂解制氢流程比较简单，操作简便，易于控制，在甲醇 供应充足的地区，而且氢气需求规模比较小的情况下（200Nm3/h以下）, 具有较强的竞争力；其余制氢方式还包括太阳能光电制氢、生物质汽化制氢、微生物 制氢等。三、储氢、运氢目前，全球氢气储存运输主要由以下四种方式：高压气态储氢、 低温液态储氢、固态储氢、有机液态储氢。1、高压气态储氢技术高压气态储氢是现在最常用并且发展比较成熟的储氢技术，其储 存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。由于氢气在 3040MPa时的质量密度随压力增加而增加的幅度较为明显，而压力 大于70MPa时变化很小（有资料显示增加幅度仅为35Mpa的60%）
5、, 因此目前储氢罐的工作压力一般为 35Mpa70Mpa 间，国外普遍使用 70MPa压力标准的IV型碳纤维瓶，我国目前普遍为35MPa的III型钢瓶。 原本高压储氢量就小，对比下来，国内的高压储氢重量比国际水平低 更多，氢气重量尚不到储氢瓶重量的 1%，只能适合小规模、短距离 的运输场景。注：储氢罐依据材质可分为金属储罐（丨型）、金属内衬纤维缠绕（环向缠绕（II型）、全缠绕（III型）储罐、全复合轻质材料缠绕储罐 （IV型），由于III型罐集安全性、较高的体积/质量比容量和相对的低 成本，目前以金属内衬纤维材料储罐生产为主。国外储氢罐一般采用 碳纤维，预计每瓶成本56万元，其中碳纤维材料成本
6、约占6070% ， 日本为全球最大碳纤维出口国，占有率超过 95%。市面上三种高压储氢设备特点：车用高压储氢 罐高压氢气运输 装备固定式高压氢气 存储设备优势高压、轻质点对点大规模 运输容量大缺点发生事故破坏 力大氢气泄漏泄漏爆炸损失极大应用场景氢燃料电池汽 车氢气长管拖车、 氢气管道运输加氢站、制氢厂、 电厂领域公司京城股份、斯林 达安科、中材科 技、科泰克中石化、中集安 瑞科、双瑞特装浙江大学虽然高压气态储氢技术比较成熟、应用普遍，但是体积比容量小， 未达到美国能源部（DOE）制定的发展目标，是该技术一个致命的弱 点。除此之外，高压气态储氢存有泄漏、爆炸的安全隐患，因此安全 性能有待提升。
7、未来，高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、 质量稳定的方向发展。国内目前生产高压储氢罐的优质企业有京城股 份、中材科技、中集安瑞科等；具备高压储氢系统生产能力的企业有 舜华新能源、伯肯节能等。2015 年 5 月丰田介绍了其燃料电池车 MIRAI 的高压储氢罐。该 罐采取三层结构，内层是密封氢气的树脂衬里，中层是确保耐压强度 的碳纤维强化树脂（CFRP）层，表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂 层。MIRAI的储氢罐的轻量化瞄准的是中层，通过削减缠绕圈数使CFRP 的用量比原来减少了 40，使重量效率比原来提高了20，达 到了全球最高水平的5.7wt. %，近四年丰田是否有技术突破暂时没 有
8、信息来源。有资料显示美国加利福尼亚州 Irvine 的 Impco 技术公 司随后也研制出耐压达 69MPa 的超轻型 Trishield 储氢罐,质量储氢 密度可达 7.5% ,该公司目前正致力于开发质量储氢密度达 8.5 %和表1全复含轻质纤雉撞绕蜡鑼的主要研究机构&成果阳3】Table 1 The imin institutious and The acbiei ements ofcomposire hydrogeu storage tank ar&uud rhe world14ls ia国家机构特点用力现状美国Quantum1代男现异坦緒蟄35-70完成幵揑2代电解水装置、35-70完
9、成幵境高压旣充3代质割应度约35-70完成开境8.3%4代质世密度35-70完成开发113%6%荊用就车3 1kg70完成开绘Tmpco质随密吹7.5%的阶园性完成掷威HesagooCoEJOEites70匪业化中荷兰帝新曼疣成开戻中国浙辽大学战国密度5.78%70研宪阶灵法U1空汽化完成开妊佛自死优仏设计70奁业化丰汽车硏兗所70 MPa诸氢讹規37-70硏宪阶园高50%丰由续航$兀茲里70腿业此11.3 %、耐压性能更好的储氢罐。目前世界各国均在开发复合轻质纤维缠绕储氢罐，仅日本和挪威 实现了商用。氢罐技术难点主要集中在制造储氢罐纤维材料制作以及 氢罐加工工艺，德国科林工业技术有限责任公司
10、研制的储氢罐，储氢 密度 7.0%，产能目前可达 5000 瓶/年，应用于氢燃料汽车、卡车、 列车，符合国际UNECER134标准认证，其技术属于国际先进水平， 中国的储氢罐研究主要是浙江大学在进行，资料显示其已研制出 70Mpa 的储氢罐（国家 863 课题），但未投入商用。2、低温液态储氢技术液态氢的密度是气体氢的845 倍，如果氢气能以液态形式存在， 储运会变得简单安全，将大幅减小体积占比，适合长距离运输。但要 把气态氢变成液态并不容易，液化1kg的氢气需要耗电15.2kWh，此 值大约是氢气低热值的一半，这就增加了储氢和用氢的成本。此外， 液氢的存储也需要耐超低温和保持超低温的特殊容器
11、，储存容器需要 抗冻、抗压以及必须严格绝热，运输过程中不可避免的气化和液氢容 器必须保持常压的条件，其必然结果就是要不断向大气释放氢气。随 着氢燃料电池汽车的普及，大规模储运氢的方向之一就是液氢储运， 1000+ kg/天的加氢站将成为主流。目前，国际上300多座落成的加 氢站中，已有约1/3采用液氢进行储运，采用液氢储运方式的加氢站 建造、运行成本低，有利于加氢站的基础建设。低温液态储氢在全球的加氢站中有较大范围的应用。但是在车载 系统中的应用不成熟，存有安全隐患。我国的液氢工厂仅为航天火箭 发射服务，受法规所限，还无法应用于民用领域。并且，受限于技术， 国内的应用成本很高，初期不含土地费用
12、的建设成本就高达1200万 -2000 万元，且后期运维成本较高，投入产出比较低。国内目前有液 氢储运技术储备和产业化能力的企业有富瑞氢能、中科富海等。3、固态合金储氢技术固态储氢方式是利用过渡金属或合金与氢反应，以金属氢化物形 式吸附氢，然后加热氢化物释放氢。稀土类化合物（LaNi5）、钛系化 合物（TiFe）、镁系化合物（Mg2Ni）以及钒、铌、镐等金属合金等都 是合适的金属储氢材料，能有效克服高压气态和低温液态两种储氢方 式的不足，且储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全 等，特别适合对体积要求较严格的场合，如在燃料电池汽车上的使用， 是最具发展潜力的一种储氢方式。储氢材料种类
13、非常多，主要可分为 物理吸附储氢和化学氢化物储氢。化学氢化物储氢的最大特点是储氢 量大，目前所知的就有至少16种材料理论储氢量超过DOE最终目标 6.5wt.%，有不下6种理论储氢量大于12wt.%。固态储氢的储氢密度与高压气态储氢相比优势明显。有实验数据 验证分析，低压固态合金AB2储氢装置单元（压力5MPa，有效储氢高压储运ti与国态锲偿运Hit純对比301+百公璧350 20MPa90MPa车载系统iEiinttWiiWh70MPa妁2000 kWh曲3400kWh23OCkWh31dkAh册卡聲誓百苗皇运16视除50kWh、SSODkWh300C1T 圧量为8.4kg,体积376.9L
14、）与高压气态储氢罐组单元（压力35MPa, 有效储氢量为9.5kg,体积1295.8L）,在相同体积下，固态低压合金 储氢装置，压力降低为高压气瓶的1/7，有效储存的氢气质量为高压高压储运氢与固态镂基僦运氢能耗对比气瓶的 3 倍。目前在固态合金储氢和车用储氢装置配套给燃料电池供氢的用 量还不大，且产业化成果鲜有突破，国内固态储氢代表企业有稀土储 氢材料的北京浩运金能、厦门钨业，和镁基储氢材料的镁源动力和中 日合资公司镁格氢动。4、有机液态储氢技术有机液体储氢是通过不饱和液体有机物的可逆加氢和脱氢反应 来实现储氢，近年来备受关注。有机液体具有高质量储氢密度和高体 积储氢密度，现常用材料（如环己烷
15、、甲基环己烷、十氢化萘等）均 可达到规定标准，并且可用现有管道设备进行长期储存和远距离运输 一定程度上解决能源短缺问题。在成本上，氢油（有机液态储氢的化 合物）加注站只有高压加氢站的1/50，一个氢油加注站的建设成本 在 30万元左右，成本低得多，并且可以与现有汽柴油站并站，无须 新建。但有机液体储氢在实际应用时存许多需要攻克的难题：如技术操作条件较为苛刻，要求催化加氢和脱氢的装置配置较高，导致费用较 高；脱氢反应需在低压高温非均相条件下，否则脱氢反应效率较低， 且容易发生副反应，使得释放的氢气不纯。并且由于冷启动和补充脱 氢反应能量需要燃烧少量有机化合物，因此该技术很难实现“零排放” 目标。三种有机液态储氢技术介绍：日本 Chiyoda德国Hydrogeniou
