中国绿氢产业规模化发展的挑战、实践与方向

中国绿氢产业发展潜力巨大,以绿电制取绿氢已成为氢能产业可持续发展的行业共识。氨作为绿氢储运的一种载体,其本身也是重要的能源。中国的绿氢、绿氨产业发展迅速,但规模化应用仍需克服成本、技术、安全等一系列问题。电力价格是影响绿氢、绿醇和绿氨项目经济性的关键因素,现有条件下,电解水制氢要比化石能源制氢成本高出25%以上。到2035年和2050年PEM电解水制氢的平均降本空间在22%和30%。在三种氢气价格情景下,对绿氢制甲醇和绿氢制绿氨的成本及盈利能力进行分析对比,不论是生产甲醇和还是合成氨,氢气成本都是其中的决定性因素。在当前价格参数下,绿氢制绿氨具有一定的成本优势。目前的工业实践主要是绿氢—甲醇—烯烃路线、绿氢—绿氨路线、绿氢—加氢—燃料电池路线的应用。降低绿氢的生产和储运成本是未来绿氢产业规模化发展的基础,需要政策扶持、场景选择、规模化应用和技术进步等各方面措施相结合,共同促进绿氢产业规模化发展。此外,要注意上游绿电的波动性与下游合成氨、合成甲醇要求连续稳定生产的有效衔接,做好生产和储运系统的匹配。     

“双碳”目标下氢能在我国合成氨行业的需求与减碳路径北大核心CSCD

氨(NH3)是现代社会中重要的化工产品之一,在农业和工业等领域均有重要的应用。当前我国合成氨过程中原料氢的生产以化石能源为主,为实现“双碳”目标,有效缓解高碳排放问题,电解水制氢等绿色合成氨技术与氨的清洁利用技术成为重要的突破口。本文对我国合成氨现状以及未来趋势进行研究,并基于长期能源替代规划系统(LEAP)模型,结合经济性驱动,以氢气价格和政策为主要驱动因素,考虑不同原料合成氨的替代,模拟我国合成氨行业2020—2060年的氢需求及碳排放趋势。结果表明,2060年,我国合成氨需求量将达1.2亿吨,氢气需求量达2128万吨,新增需求主要来源于船舶氨燃料、氨发电等新领域,超过合成氨的氢需求量的50%。我国合成氨行业由化石能源向可再生能源转换有着巨大的潜力,随着可再生能源制氢成本的降低,可再生能源制氢合成氨占比将会大幅度上升,超过97%。在碳排放方面,我国合成氨工业将在2030年达峰,峰值为2.2亿吨,2060年合成氨工业碳排放920万吨。为实现碳中和目标,我国应在可再生能源丰富的地区优先开展电解水制氢合成氨示范项目,加大力度开展电解制氢以及温和条件合成氨关键技术及应用,尽早实现低碳合成氨技术大规模应用,在氨应用方面,加大氨燃料发动机和掺氨发电的研究。     

绿氢制备经济性趋势分析

氢能被认为是未来能源系统的重要组成部分,只有通过可再生能源电力制备的绿氢才是清洁的能源产品。在绿氢替代传统化石燃料制氢的过程中,经济性是重要的制约因素。在分析预测可再生能源发电成本和绿电获取成本的基础上,分别计算使用电网绿电连续制备绿氢和使用可再生能源发电间歇制氢的成本,结合氢气储运场景,研究绿氢制备经济性的发展趋势。研究结果表明,采用电网绿电配合碱性电解槽连续制备绿氢,是当前最经济可靠的绿氢制备方式。如采用专用绿电制氢,2030年前陆上风电+碱性电解槽制氢成本最低,专用光伏发电+碱性电解槽制氢将在2030年后成为经济性最好的专用绿电制氢方式,而专用光伏发电+PEM电解槽制氢的成本始终最高。采用专用陆上风电和光伏+碱性电解槽制备氢气的经济性,在2025年后将超越天然气制氢+CCS,在2040年后会逐步超越煤制氢+CCS。电力成本是驱动未来绿氢制备成本下降的主要因素,电解槽成本下降对绿氢成本下降影响较小。建议要加强先进绿电制氢技术研发,拓宽可再生能源发电终端消纳的途径;同时要加强对国际绿氢制备前沿技术的跟踪。     

双碳目标下中国绿氢合成氨发展基础与路线北大核心CSCD

推动全社会绿色发展,实现碳达峰、碳中和,是产业结构调整的强大动力,也为产业结构优化升级提供了重大战略机遇。本文梳理氢能与氨的全球产销量及应用领域相关数据,总结我国发展可再生能源绿氢合成氨产业的重要意义,从能源基础、关键技术、地域分布等方面,提炼我国已具备发展绿氢合成氨产业的基础条件,分析技术路线、存在问题、技术发展趋势、不同应用场景的竞争力及绿氢合成氨的经济性。研究了中国绿氢合成氨产业上位规划与发展趋势,针对体制保障与政策提出相关建议,为制定可再生能源绿氢合成氨产业的规划与政策提供支撑。研究表明:我国已具备发展绿氢合成氨产业的基础条件,应尽快制定详细的绿氢合成氨产业发展实施路线图。论文提出我国绿氢合成氨产业分三步走,第一阶段(当前—2025年)主要任务为完善政策规划,提升技术水平,先行示范为主,第二阶段(2025—2030年)主要任务为规模化推广,多领域支撑,多元化应用;第三阶段(2035—2050年)主要任务为推动产业格局重塑,助力实现双碳目标。     

基于自适应控制的风光制储氢协调运行策略研究

针对清洁能源制氢系统规模大、结构复杂及多能源多时间耦合的特点，充分考虑光伏、风电等可再生能源随机性和间歇性所导致的功率波动问题，以及电解槽和储能动态响应特性所导致的系统各环节响应时间差异问题，设计一套风光制储氢综合系统。结合绿电-绿氢经济运行手段，利用自适应控制算法，形成适用于“风光制储氢”的经济安全运行模式，通过仿真分析可知，该模式下风光制储氢综合系统可以安全运行，并具备较为良好的运行效果。     

氢能与电力系统融合发展研究

氢能与电力系统典型融合发展场景包括电解水制氢、氢储能调峰电站、氨电综合能源服务站、燃料电池热电联供、氢电综合能源管道等.碱性电解水制氢是目前应用最广的电解水制氢技术,已实现工业化应用;质子交换膜电解水制氢目前处于商业化应用的初期;固体氧化物电解水制氢还处于实验室研发阶段.随着新能源发电成本和制氢设备成本的下降,电解水制...     

我国可再生能源与盐穴氢储能技术耦合发电的分析与展望北大核心CSCD

本文结合我国目前可再生能源与氢能的发展趋势,对国内外当前地下盐穴储氢技术的发展现状进行了综述,指出江苏省拥有丰富的可再生能源与地下盐穴资源,其可再生资源与储能地址的重合性较好可作为发展该技术路线的理想选址。并对可再生能源与盐穴氢储能耦合发电技术的可行性与该技术路线全周期的发电成本进行了系统分析。这一技术路线通过可再生能源电解水制氢以化学能形式回收可再生能源,然后通过地下盐穴大规模储能,并在需要时利用燃料电池再发电将可再生能源重新利用。本文综合考虑和分析了制氢成本、储氢成本以及再发电成本,对该技术路线再发电的度电成本进行了初步分析。结果表明:当前该方式再发电的度电成本较高,为1.88元/kWh左右,其中电费成本和设备成本分别占总成本的61.1%和25.6%。若利用可再生能源发电的过盈电能进行电解水制氢且技术路线中的相关设备成本降低至当前的50%,则该技术路线的度电成本可降低至0.49元/kWh。想要进一步降低该技术路线的发电成本则还需要依赖于技术和制造水平的进步将燃料电池的发电效率进一步提高,若燃料电池效率提升至60%,则该技术路线的度电成本能够进一步降低至0.43元/kWh,基本与当前电价持平,具有实际应用价值。同时该技术路线的发展能够促进相关制造业的发展与技术进步,提高我国能源安全与在国际能源领域的竞争力,并助力我国尽快实现能源结构优化转型和“双碳”目标。随着未来电解槽和燃料电池等设备的技术水平与效率的提升,该技术路线将具有极高的应用前景。     

碳中和愿景下绿色制氢技术发展趋势及应用前景分析

围绕目前主流的绿色制氢技术,综述国内外“绿氢”技术的最新研究进展,重点阐述电解水制氢技术（碱性电解水法、质子交换膜电解水法、固体氧化物电解水法）、太阳能分解水制氢技术（光催化法、光热分解法、光电化学法）以及生物质制氢技术（热化学转化法、微生物法）的产氢原理、技术难点和改进方法等,讨论比较各类“绿氢”技术的优缺点,分析未来绿色制氢技术的应用前景和发展方向。     

太阳能制氢技术

氢能是一种高效、无污染的新能源，利用可再生能源制氢是开发氢能源的有效途径。文章总结了国内外目前利用太阳能制氢技术的发展现状，介绍了利用光伏系统转化的电能电解水制氢和利用太阳能的热化学反应循环制氢2种清洁无污染的制氢工艺。     

氢能制取和储存技术研究发展综述

综述了氢能制取和储存技术研究的最新发展现状。生物质制氢、太阳能热化学循环制氢、太阳能半导体光催化制氢、核能制氢等技术具有资源丰富、使用可再生能源的优点,能克服传统电解水制氢能耗高和矿物原料有限的缺点,成为提高制氢效率、实现规模生产的研究重点。加压压缩储氢技术的研究进展主要体现在改进容器材料和研发吸氯物质方面;液化储氢技术研发重点是降低能耗和成本;金属氢化物储氢技术正努力突破储氢密度低的难题。氢能制取、储存技术正在走向实用阶段,重点技术方向是以水为原料,实现大规模、经济、高效和安全地制氢储氢,推动氢能可持续和洁净的利用,促进能源安全。     

中蒙日韩绿氢战略合作构想

碳中和背景下,中日韩三国为了达成减排承诺对绿氢有庞大的潜在需求,而东北亚地区,尤其是蒙古国与中国内蒙古地区拥有巨量的可再生能源开发潜力.据此,建议中蒙日韩可考虑在蒙古国及中蒙之间戈壁地区合作大规模开发风、光发电并电解水制绿氢,绿氢既可以直接作为能源商品输出至中日韩广大下游市场,也可就地用于煤基碳氢化工、生产高附加值化工...     

德国采用电转气技术实现低碳化

德国成功采用可再生能源电力转换氢、甲烷(电转气,Pt G)技术,成为世界CO2减排和可再生能源利用最成功的国家。Pt G技术是可再生能源电力制氢或合成甲烷的技术,它所采用的都是成熟技术,包括电解水制氢技术和甲烷化技术,后者是把电解水制得的氢与CO2反应生成甲烷的反应(Sabatier反应),以及电解水和Gt L(气转液)技术合成燃料,有F-T合成(生成直链烃、烯烃、醇类)和甲醇合成。德国现有天然气管网超过100m/km2,Pt G制的氢或甲烷可注入原有天然气管网,大量的氢或甲烷可储存到德国已具备的大规模天然气地下储存设施。变动性可再生能源的电力储存可采用氢电力储存系统,该系统由水电解制氢装置、储氢装置和氢燃料电池等组成。目前德国包括计划和在建的Pt G项目有20个以上,欧洲Pt G总项目30个以上。建议我国大力发展Pt G技术,解决当前弃风、弃光难题。     

考虑电-气综合需求响应的综合能源系统低碳经济调度

随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出,低碳电力更加符合社会发展的需求。氢气具有清洁无污染、能量密度大等特点,合理利用氢能源为综合能源系统的发展提供了新的方向。基于此构建了含制氢-储氢设备的综合能源系统低碳经济调度模型,引入电-气综合需求响应并考虑碳排放惩罚成本,以系统总成本最优为目标函数,利用粒子群算法对实际算例进行分析求解。仿真结果表明通过引入综合需求响应和制氢-储氢设备,可提高可再生能源的消纳水平,降低系统的成本,减少系统的碳排放。     

模块式绿氢储用系统集成研究

在“双碳”大背景下，针对可再生能源资源利用中消纳的瓶颈，通过储电、储气以及气电转换等系统集成，开展模块式多能互补绿氢储用的应用研究，根据光伏、储能、制氢、燃料电池和负载应用的综合能源管理方式，开发微网控制器与逆变器、电池管理系统、燃料电池管理系统、配电开关进行高效快速通讯和信息交互。综合考虑水、电、气、热不同的迟豫尺度、管理模式以及不同能源网络的不同使用特性，形成不同工作状态下系统协调运行优化策略，提升能源利用率，并为不同模式下系统安全可靠运行提供预案。     

氢——未来的绿色燃料

石油燃料在几十年内逐渐耗尽,而燃料电池以其高效、清洁的特点将会成为未来交通的推动力.本文对可再生绿色能源载体--氢的研制方法进行了研究,详细阐述了两种制氢的工艺过程--热化学工艺和电解水工艺过程.给出了氢气的四种储存方法,其中金属氢化物和碳质吸附储氢两种方法,由于安全可靠,储存效率较高,是目前广泛研究的储氢方式.本文综述了氢能系统的各项技术,并对未来的发展趋势作了展望.     

我国电氢协同发展问题、不同模式经济性分析与政策建议

氢能是新型能源体系中电能大规模长周期存储和远距离输送的重要载体,将氢能融入电力系统为大规模可再生能源电力消纳利用提供了新的解决方案。当前电氢协同仍然存在电解水制氢成本高、资源与需求不匹配、基础设施不完善、体制机制不适应等问题。为此,本文重点从生产、储运两个环节分析了不同电氢协同典型模式的经济性,研究发现电氢协同系统在降低绿氢生产成本、可再生能源远距离输送,以及电力系统大规模储能等方面具有一定优势。基于上述研究结论,本文进一步探讨了近、中、远期电氢协同的发展前景,并从战略规划、关键技术、体制机制等层面,提出了推动电氢协同的政策建议。     

风光互补与电解水制氢系统负荷的协调稳定运行

电解水制氢作为一种新型储能手段，可作为调整风光能源输出电力的绿色手段。该文以风力发电、光伏发电、电解制氢与燃料电池为研究对象，通过对风光互补发电系统与电解水制氢系统的输出输入功率进行建模仿真，协调优化控制风光电、电解槽、燃料电池以及系统负载的负荷变化要求，改善了风光发电电解水制氢系统与系统负荷之间的负荷不平衡问题，为风光互补可再生能源系统的稳定运行提供了理论依据。     

可再生能源制氢综合能源管理平台研究

  目的  氢能是一种绿色高效的清洁能源,可以通过多种方式转化为电能、热能等加以利用。可再生能源制氢是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。可再生能源制氢属于新型项目,是电力行业与化工行业的结合,系统间耦合性不强,提高能源综合利用率是可再生能源制氢的研究重点。  方法  文章介绍了当前主要的制氢工艺,对比了灰氢、蓝氢和绿氢的主要特点,阐述了风电及光伏制氢的主要系统,并提出了通过构建综合能源管理平台对可再生能源制氢各系统进行统筹管控的思路。  结果  在综合能源管理平台制定控制策略可以平衡功率,实现最优调度从而减少弃风弃光,而且还可以降低单位制氢成本。  结论  综合能源管理平台可以提高可再生能源制氢的能源综合利用率,对可再生能源制氢项目的推广起到支撑的作用,为可再生能源制氢领域的研究人员提供了重要的参考借鉴     

风光互补发电产氢及燃料电池储能系统设计及研究

氢气被认为是一种很有前途的清洁能源载体和未来的替代燃料.可再生能源制氢是一种新兴的、有前途的制氢技术.该文对风光互补发电产氢及燃料电池储能系统设计进行了研究,对于该技术在合成氨领域的应用进行了展望.     

浅谈可再生能源转化为氨氢能源体系的耦合性

在国家“双碳”目标下,正引发新一轮的能源革命,大力发展清洁能源、优化能源结构是实现“碳中和”的普遍做法。可再生能源因固有的随机性等特性,导致“弃风、弃光、弃水”较多。氢储能需要结合可行性的媒介,可大规模存储可再生能源,建立可再生能源转化为氨氢能源体系,不但有利于解决传统合成氨工业高能耗、高排放的问题,还为可再生能源的存储和消纳提供新途径,同时解决氢能产业“氢荒”的困境。目前国际上认为,氨为氢载体的氨氢能源体系用于解决储能问题,是一种具有发展前景的未来能源系统,可以与可再生能源体系耦合。