光伏制氫可行性調(diào)研報(bào)告

1、光伏制氫可行性調(diào)研報(bào)告氫在自然界中分布廣泛，并且在自然狀態(tài)下僅存在著極少量的游離態(tài)氫。工業(yè)氫氣是指通過一定的手段，從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物。這種通過能量輸入從含氫原料中提取工業(yè)氫氣的過程，被稱為人工制氫，包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等。氫能作為氫的化學(xué)能表現(xiàn)為物理與化學(xué)變化過程中釋放出能量，是具有二次能源屬性的一種重要的能源類型。這種大規(guī)模人工制氫并利用氫能的產(chǎn)業(yè)被稱為氫工業(yè)，包括上游制氫、中游儲(chǔ)運(yùn)和下游應(yīng)用。氫工業(yè)體系中各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)即為氫工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，包括氫工業(yè)價(jià)值鏈、氫工業(yè)企業(yè)鏈、氫工業(yè)供需鏈和氫工業(yè)空間鏈。氫能是被公認(rèn)的清潔

2、能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。氫能在解決能源危機(jī)、全球變暖及環(huán)境污染等問題方面將發(fā)揮重要的作用，也將成為我國優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保障國家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。據(jù)預(yù)測(cè)，煉油業(yè)、新能源汽車以及清潔能源發(fā)電等將是氫能利用的最大終端市場(chǎng)，其中工業(yè)氫氣在全球煉油業(yè)中的用量將占到全球工業(yè)氫氣消耗總量的90%。隨著燃料環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，煉油廠加氫精制將需要更多的工業(yè)氫氣來生產(chǎn)低硫清潔燃料，這將極大地刺激工業(yè)氫氣需求量的快速增長。一、國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀1、國外研究和發(fā)展現(xiàn)狀全球主要國家高度重視氫能及燃料電池的發(fā)展，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將氫能上升到國家能源戰(zhàn)略高度，不斷加大對(duì)氫能及燃

3、料電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化扶持力度。美國是最早將氫能及燃料電池作為能源戰(zhàn)略的國家。早在1970年便提出“氫經(jīng)濟(jì)”概念，奧巴馬政府發(fā)布全面能源戰(zhàn)略，特朗普政府將氫能和燃料電池作為美國優(yōu)先能源戰(zhàn)略，開展前沿技術(shù)研究。美國在氫能及燃料電池領(lǐng)域擁有的專利數(shù)僅次于日本，尤其在全球質(zhì)子交換膜燃料電池、燃料電池系統(tǒng)、車載儲(chǔ)氫三大領(lǐng)域技術(shù)專利數(shù)量上，兩國的技術(shù)占比總和約超過了50%。日本提出成為第一個(gè)實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的國家。政府先后發(fā)布了日本復(fù)興戰(zhàn)略氫能源基本戰(zhàn)略氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖規(guī)劃了實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的技術(shù)路線。日本氫能和燃料電池技術(shù)擁有專利數(shù)全球第一，已實(shí)現(xiàn)燃料電池車和家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化推廣。并以20

4、20年東京奧運(yùn)會(huì)為契機(jī)推廣燃料電池車，打造氫能小鎮(zhèn)。歐盟在戰(zhàn)略層面提出了2020氣候和能源一攬子計(jì)劃2030氣候和能源框架等文件，德國是歐洲發(fā)展氫能最具代表性的國家，氫能與可再生能源融合發(fā)展是德國可再生能源系統(tǒng)和低碳經(jīng)濟(jì)中的重要組成部分。在傳統(tǒng)制氫方法中，化石燃料制取的氫占全球的90%以上?；剂现茪渲饕哉羝D(zhuǎn)化和變壓吸附相結(jié)合的方法制取高純度的氫。利用電能電解水制氫也占有一定的比例。太陽能制氫是近30-40年才發(fā)展起來的。到目前為止，對(duì)太陽能制氫的方法研究主要集中在如下幾種方法：直接熱分解法、熱化學(xué)循環(huán)法、光催化法以及光電化學(xué)分解法。經(jīng)了解，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家發(fā)展迅速。德國長期致

5、力于推廣可再生能源發(fā)電制氫技術(shù)，在可再生能源制氫規(guī)模上全球第一。燃料電池的供應(yīng)和制造規(guī)模全球第三。2、我國研究和發(fā)展現(xiàn)狀中國是全球氫能利用的大國，已形成京津冀、長江三角洲、珠江三角洲、華中、西北、西南、東北等7個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)集群。2011年以來，政府相繼出臺(tái)了十三五戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中國制造2025能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）等文件。提出了氫工業(yè)（氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站）、先進(jìn)燃料電池、燃料電池分布式發(fā)電等3個(gè)戰(zhàn)略發(fā)展方向，以及大規(guī)模制氫技術(shù)、分布式制氫技術(shù)、氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、氫氣/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)、甲醇/空氣聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（MFC）技術(shù)和燃

6、料電池分布式發(fā)電技術(shù)等6項(xiàng)創(chuàng)新行動(dòng)。其中在大規(guī)模制氫技術(shù)方面，研究基于可再生能源低成本制氫技術(shù)，重點(diǎn)突破太陽能光解制氫和熱分解制氫等關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)示范系統(tǒng)；在分布式制氫技術(shù)方面，研究可再生能源發(fā)電與質(zhì)子交換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術(shù)，掌握適應(yīng)可再生能源快速變載的高效中壓電解制氫電解池技術(shù)，建設(shè)可再生能源電解水制氫示范并推廣應(yīng)用。目前我國的很多著名的科研院所對(duì)制氫的研究工作也在有聲有色的進(jìn)行。“973”計(jì)劃“氫能的規(guī)模制備、儲(chǔ)運(yùn)及相關(guān)燃料電池的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目首席科學(xué)家清華大學(xué)毛宗強(qiáng)教授，主要從事化石燃料制氫等方面的研究工作。西安交通大學(xué)郭烈錦教授主要從事生物及有機(jī)廢料的超臨界水熱化學(xué)

7、制氫的研究。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所主要進(jìn)行的是光催化分解水制氫等方面的研究工作。我國氫的制取產(chǎn)業(yè)主要有以下三種比較成熟的技術(shù)路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫；二是以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫；三是電解水制氫，年制取氫氣規(guī)模占比約3%。生物質(zhì)直接制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)路線仍處于實(shí)驗(yàn)和開發(fā)階段，產(chǎn)收率有待進(jìn)一步提升，尚未達(dá)到工業(yè)規(guī)模制氫要求?；茉粗茪渲饕怯商烊粴猓–H4）、原油（烴）或煤等原料，與水蒸汽在高溫下經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化法、部分氧化法、煤氣化法等工藝生成。在轉(zhuǎn)化過程中，化石能源中的碳首先變?yōu)镃O（或CO2

8、）,再通過水汽變換反應(yīng)CO+H2O=H2+CO2獲得氫氣，而CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO2。所以，由化石能源制氫就會(huì)排放CO2,其CO2排放量：煤油天然氣，這是由原料的碳?xì)浔人鶝Q定的。當(dāng)前在中國氫氣制取成本是較高的（相對(duì)于其它國家來說），主要是因?yàn)槲覈淮文茉词且悦簽橹?，煤比石油、天然氣含氫量少，制氫過程就需要用更多的蒸汽，消耗較多的能量。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟2019年6月26日發(fā)布的中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書預(yù)測(cè)展望，我國在現(xiàn)階段主要為化石能源重整制取氫，平均成本不高于10元/公斤；在2025年前將積極利用工業(yè)副產(chǎn)氫，大力發(fā)展可再生能源電解水制氫示范，平均成本不高于20元/公斤；中期在2026-20

9、35年，將以可再生能源發(fā)電制氫、煤制氫等大規(guī)模集中穩(wěn)定供氫為主，工業(yè)副產(chǎn)氫為補(bǔ)充手段，平均成本不高于15元/公斤；遠(yuǎn)期在2036-2050年，將以可再生能源發(fā)電制氫為主，煤制氫配合CCS技術(shù)、生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)為有效補(bǔ)充，平均成本不高于10元/公斤。全國各地將結(jié)合自身資源稟賦，兼顧技術(shù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境容量，因地制宜選擇制氫路線。以下為不同類型制氫成本比較表。不同類型制氫成本比較表制氫類型制氫方式能源價(jià)格制氫成本(元/kg)電解制氫低谷電0.3元/KW.h20大工業(yè)用電0.6元/KW.h38可再生能源棄電0.1元/KW.h10化石能源制氫天然氣3元/m13煤炭550元/t

10、10工業(yè)副產(chǎn)氫:焦?fàn)t氣、氯堿8至14綜上，我國與發(fā)達(dá)國家相比，在氫能技術(shù)研發(fā)、裝備制造、基礎(chǔ)設(shè)施等方面仍有一定差距。但產(chǎn)業(yè)化態(tài)勢(shì)全球領(lǐng)先。二、電解水制氫技術(shù)研究目前，電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解槽(AE)、質(zhì)子交換膜水電解槽（PEM）和固體氧化物水電解槽（SOE）。其中，堿性電解槽技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)成本較低，國內(nèi)單臺(tái)最大產(chǎn)氣量為1000m%h;質(zhì)子交換膜電解槽流程簡單，能效較高，國內(nèi)單臺(tái)最大產(chǎn)氣量為50m3/h,但因使用貴金屬電催化劑等材料，成本偏高;固體氧化物水電解槽采用水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，能效最高，尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。電解水制氫具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、純度高（通常在99.7%以

11、上）以及副產(chǎn)高價(jià)值氧氣等特點(diǎn)。但其單位能耗約在4-5千瓦時(shí)/立方氫，制取成本受電價(jià)影響很大，電價(jià)占到總成本的70%以上。若采用市電生產(chǎn)，制氫成本約為30-40元/公斤，且考慮火電占比較大，依舊面臨碳排放問題。一般認(rèn)為當(dāng)電價(jià)低于0.3元/千瓦時(shí)，電解水制氫成本會(huì)接近傳統(tǒng)化石能源制氫。按照當(dāng)前中國電力的平均碳強(qiáng)度計(jì)算，電解水制得1公斤氫氣的碳排放量為35.84千克，是化石能源重整制氫單位碳排放的3-4倍。未來，可再生能源發(fā)電制氫的潛力很大，一方面作為全周期零碳排放技術(shù)，隨著可再生能源發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)，電解水制氫成本將持續(xù)下降，尤其是近年來局部區(qū)域棄風(fēng)、棄光制氫的經(jīng)濟(jì)性較為突出，可提供制氫量約263萬噸

12、/年;另一方面，當(dāng)波動(dòng)性可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占到較高比重時(shí)，單純依靠短周期（小時(shí)級(jí)）儲(chǔ)能將無法滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需要。日間、月度乃至季節(jié)性儲(chǔ)能將是實(shí)現(xiàn)高滲透率可再生能源調(diào)峰的主要手段。國家發(fā)展和改革委與國家能源局先后發(fā)文，支持高效利用廉價(jià)且豐富的可再生能源制氫。四川、廣東等地紛紛給與電價(jià)支持政策，電解水制氫最高電價(jià)限定0.3元/千瓦時(shí)和0.26元/千瓦時(shí)。經(jīng)了解，我國電解水制氫走在前列的主要企業(yè)有中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司及蘇州竟力制氫設(shè)備有限公司。國內(nèi)可再生能源發(fā)電制氫的案例如下：（一）蘭州新區(qū)液態(tài)太陽能燃料合成示范項(xiàng)目蘭州新區(qū)液態(tài)太陽能燃料合成示范項(xiàng)

13、目是國內(nèi)首個(gè)光伏制氫并與二氧化碳結(jié)合制甲醇的示范項(xiàng)目，位于蘭州新區(qū)精細(xì)化工園區(qū)內(nèi)。項(xiàng)目主要由光伏發(fā)電、電解水制氫、二氧化碳加氫合成甲醇三個(gè)單元組成。項(xiàng)目規(guī)模為10MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、2套規(guī)模各1000Nm?/h電解水制氫裝置（1套為普通電解槽制氫裝置+1套電解水催化制氫裝置,實(shí)驗(yàn)室測(cè)算，電解水催化制氫裝置比普通電解槽制氫裝置制氫效率提高約20%）及二氧化碳加氫合成甲醇裝置（年產(chǎn)甲醇1440噸）。項(xiàng)目總投資：14100萬元，其中2套電解水制氫及二氧化碳合成甲醇單元投資約7600萬元；光伏單元投資約6500萬元。項(xiàng)目光伏占地256畝；電解水制氫及二氧化碳合成甲醇單元占地面積約33畝。項(xiàng)目投資業(yè)主單

14、位為蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資有限公司，該公司為蘭州新區(qū)政府直屬國有企業(yè)；工藝包設(shè)計(jì)單位為華陸工程科技有限責(zé)任公司；施工單位新區(qū)石化集團(tuán)下屬化學(xué)工程公司。核心技術(shù)是中國科學(xué)院大連化物所李燦院士團(tuán)隊(duì)的太陽能電解水催化制氫和二氧化碳加氫合成甲醇專利技術(shù)。工程于2019年3月份動(dòng)工，9月初10MWp光伏單元全部安裝調(diào)試完成；目前，電解水制氫單元安裝前土建工程完成，設(shè)備到場(chǎng)40%；二氧化碳加氫合成甲醇單元安裝前土建工程完成，主要設(shè)備就位40%；預(yù)計(jì)在2019年11份所有設(shè)備安裝完成，12月份調(diào)試投運(yùn)轉(zhuǎn)入試運(yùn)行。（二）河北張家口沽源縣風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目由河北省建投新能源有限公

15、司與德國邁克菲及歐洲安能公司聯(lián)手打造，2014年12月31日獲得省發(fā)改委核準(zhǔn)（冀發(fā)改能源核字【2014】163號(hào)）。項(xiàng)目受到國務(wù)院李克強(qiáng)總理的高度重視，2014年5月18日，正式簽約落地沽源縣西辛營鄉(xiāng)。項(xiàng)目包含200MWp風(fēng)電場(chǎng)和10MWp電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)兩個(gè)部分。項(xiàng)目總投資20.3億元，其中風(fēng)電場(chǎng)投資約15.1億元，電解水制氫系統(tǒng)投資5.2億元。2016年10月3日風(fēng)電場(chǎng)轉(zhuǎn)商業(yè)運(yùn)營。電解水制氫系統(tǒng)投資5.2億元，分為兩期建設(shè)：一期投資2.5億元，建設(shè)制氫站及年制氫量280萬標(biāo)方的電解水制氫系統(tǒng)（含配套氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸設(shè)備）,制氫站工程位于張家口沽源縣西辛營東約2公里，場(chǎng)區(qū)距離沽源

16、縣城35公里；二期投資2.7億元，建設(shè)年制氫量420萬標(biāo)方的電解水制氫系統(tǒng)（含配套氫氣儲(chǔ)存運(yùn)輸設(shè)備）。電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)引進(jìn)德國先進(jìn)儲(chǔ)氫及氫氣利用技術(shù)。項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)10MWp電解水制氫系統(tǒng)，主要由補(bǔ)水系統(tǒng)、堿液循環(huán)系統(tǒng)、整流變、電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化裝置、氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)等部分組成。規(guī)劃用地面積約28.35畝。10MWp電解水制氫系統(tǒng)其中4MWp于2017年5月5日開工建設(shè)，計(jì)劃于2019年6月建成投運(yùn)，目前處于待調(diào)試階段。三、下一步發(fā)展建議光伏制氫雖然可以解決棄光、棄電問題，但如何用氫，如何形成氫產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要，發(fā)展方向重點(diǎn)是氫燃料電池及其下游產(chǎn)業(yè)，利用氫氣與二氧化碳合成甲醇技術(shù)尚處于研發(fā)中試階段，因此建議如下：1、重點(diǎn)跟進(jìn)兩個(gè)示范項(xiàng)目在今年內(nèi)轉(zhuǎn)產(chǎn)投運(yùn)后工藝技術(shù)路線可靠性、能