光伏制氫可行性調(diào)研報告

光伏制氫可行性調(diào)研報告

光伏制氫可行性調(diào)研報告氫在自然界中分布廣泛，但僅以極少量的游離態(tài)氫形式存在。工業(yè)氫氣是從工業(yè)原料中大規(guī)模制取的可燃?xì)鈶B(tài)氫產(chǎn)物。制氫的過程包括化石燃料制氫、水分解制氫、生物技術(shù)制氫和太陽能制氫等。氫能是一種重要的二次能源，具有物理和化學(xué)變化過程中釋放出能量的特點(diǎn)。氫工業(yè)包括上游制氫、中游儲運(yùn)和下游應(yīng)用，各個部門之間形成的技術(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。氫能被公認(rèn)為清潔能源，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源之一。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。預(yù)測顯示，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，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。國外發(fā)達(dá)國家已將氫能及燃料電池作為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，不斷加大對氫能及燃料電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化扶持力度。美國在氫能及燃料電池領(lǐng)域擁有眾多專利，尤其在全球質(zhì)子交換膜燃料電池、燃料電池系統(tǒng)、車載儲氫三大領(lǐng)域技術(shù)專利數(shù)量上領(lǐng)先。日本提出成為第一個實(shí)現(xiàn)氫能社會的國家，規(guī)劃了實(shí)現(xiàn)氫能社會的技術(shù)路線，并已實(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。歐盟已提出了《2020氣候和能源一攬子計(jì)劃》和《2030氣候和能源框架》等文件，旨在推動可再生能源和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。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。電解水制氫也占有一定的比例。太陽能制氫是近30-40年才開始發(fā)展的。目前，太陽能制氫主要集中在直接熱分解法、熱化學(xué)循環(huán)法、光催化法以及光電化學(xué)分解法等幾種方法。美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家在太陽能制氫技術(shù)方面發(fā)展迅速。德國長期致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)模上全球排名第一。燃料電池的供應(yīng)和制造規(guī)模也在全球范圍內(nèi)名列第三。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、西南和東北等七個氫能產(chǎn)業(yè)集群。政府出臺了《十三五戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《中國制造2025》和《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030年）》等文件，提出了氫工業(yè)、先進(jìn)燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電等三個戰(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)和燃料電池分布式發(fā)電技術(shù)等六項(xiàng)創(chuàng)新行動。在大規(guī)模制氫技術(shù)方面，中國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)，并建設(shè)示范系統(tǒng)。在分布式制氫技術(shù)方面，中國研究可再生能源發(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)，并建設(shè)可再生能源電解水制氫示范并推廣應(yīng)用。目前，中國的許多著名科研院所正在進(jìn)行制氫的研究工作。清華大學(xué)毛宗強(qiáng)教授是“973”計(jì)劃“氫能的規(guī)模制備、儲運(yùn)及相關(guān)燃料電池的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目首席科學(xué)家，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)制氫的研究。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所主要進(jìn)行光催化分解水制氫等方面的研究工作。交換膜電解槽（PEM）和固體氧化物電解槽（SOEC）三種。其中，PEM電解槽具有高效、快速響應(yīng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于小型和中型制氫設(shè)備。而SOEC電解槽則適用于大型制氫設(shè)備，具有高效、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。電解水制氫技術(shù)相比化石能源制氫，具有無污染、低碳排放等優(yōu)點(diǎn)，是未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。當(dāng)前，我國電解水制氫技術(shù)研究已取得了一定進(jìn)展。但仍需進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵材料、組件研發(fā)，提高電解效率和穩(wěn)定性，并降低制氫成本。同時，還需要完善氫能產(chǎn)業(yè)政策法規(guī)，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來，我國應(yīng)該加大對電解水制氫技術(shù)的研究和開發(fā)，積極推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展做出貢獻(xiàn)。目前，電解水制氫技術(shù)主要采用堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物水電解槽。堿性電解槽技術(shù)成熟，生產(chǎn)成本較低，單臺最大產(chǎn)氣量可達(dá)1000m3/h；質(zhì)子交換膜電解槽流程簡單，能效較高，但成本偏高，單臺最大產(chǎn)氣量為50m3/h；固體氧化物水電解槽能效最高，但目前仍處于實(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、純度高等特點(diǎn)，但其制取成本受電價影響很大，電價占總成本的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。當(dāng)電價低于0.3元/千瓦時，電解水制氫成本會接近傳統(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)電制氫將成為重要發(fā)展方向。隨著可再生能源發(fā)電平價上網(wǎng)，電解水制氫成本將持續(xù)下降，尤其是棄風(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/年。同時，日間、月度乃至季節(jié)性儲能將是實(shí)現(xiàn)高滲透率可再生能源調(diào)峰的主要手段。國家發(fā)改委和國家能源局支持高效利用可再生能源制氫，四川、廣東等地也給出了電價支持政策。目前，我國電解水制氫領(lǐng)域的主要企業(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)備有限公司和蘇州竟力制氫設(shè)備有限公司。國內(nèi)可再生能源發(fā)電制氫的案例包括蘭州新區(qū)液態(tài)太陽能燃料合成示范項(xiàng)目等。河北張家口沽源縣風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目是國內(nèi)首個利用風(fēng)能制氫并綜合利用的示范項(xiàng)目，位于沽源縣境內(nèi)。項(xiàng)目主要由風(fēng)電發(fā)電、電解水制氫、氫能綜合利用三個單元組成。項(xiàng)目規(guī)模為10MW風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)、1套規(guī)模1000Nm3/h的電解水制氫裝置及氫能綜合利用裝置（年產(chǎn)氫氣360噸，產(chǎn)生的氧氣可用于農(nóng)業(yè)灌溉或工業(yè)用氣）。項(xiàng)目總投資為1.5億元。項(xiàng)目投資業(yè)主單位為沽源縣政府，工藝包設(shè)計(jì)單位為華北電力大學(xué)，施工單位為國內(nèi)知名的電力工程公司。核心技術(shù)是華北電力大學(xué)的風(fēng)電電解水制氫技術(shù)和氫能綜合利用技術(shù)。工程于2019年5月份動工，目前風(fēng)電單元已全部安裝調(diào)試完成，電解水制氫單元正在設(shè)備到場和土建工程的同時進(jìn)行，氫能綜合利用單元的土建工程也正在進(jìn)行中。預(yù)計(jì)在2020年底前所有設(shè)備安裝完成，2021年初投入試運(yùn)行。該項(xiàng)目的建成將有助于推動我國可再生能源的利用和氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目是由河北省建投新能源有限公司與德國邁克菲及歐洲安能公司合作打造的。該項(xiàng)目于2014年12月31日獲得省發(fā)改委核準(zhǔn)，總投資20.3億元。該項(xiàng)目包含200MWp風(fēng)電場和10MWp電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)兩個部分。2016年10月3日風(fēng)電場已轉(zhuǎn)為商業(yè)運(yùn)營，電解水制氫系統(tǒng)分為兩期建設(shè)。其中一期已于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。該項(xiàng)目引進(jìn)了德國先進(jìn)儲氫及氫氣利用技術(shù)。針對光伏制氫的發(fā)展方向，重點(diǎn)應(yīng)放在氫燃料電池及其下游產(chǎn)業(yè)上。建議在今年內(nèi)跟進(jìn)兩個示范項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。同時，應(yīng)研究二氧化碳加氫合成甲醇的工藝技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性，嘗試使用庫布其光伏制氫和庫布其化工園