我國氫能技術發展現狀和趨勢(一)
來源:冶金技術網 發布時間:2022年06月07日點擊數:

  氫能是一種來源廣泛、清潔低碳的能源載體,是打破現有能源領域行業板塊壁壘、實現不同能源形式之間深度融合的關鍵媒介。在高比例可再生能源系統中,一方面,由可再生能源制得的氫是替代油氣資源應用于交通和工業領域的重要燃料或原料;另一方面,電-氫雙向轉換的靈活性特征為氫能與電能在能源領域互補應用提供了重要基礎。《“十四五”能源領域科技創新規劃》(以下簡稱《規劃》)充分聚焦氫的能源屬性,注重引導發揮氫能連接可再生能源及多元化終端用能需求的重要樞紐作用,充分體現氫能在構建清潔低碳、安全高效現代能源體系中的重要價值。《規劃》基于我國能源轉型發展對氫能的定位及需求,結合當前我國氫能全產業鏈技術發展現狀,圍繞氫氣制備、氫氣儲運、氫氣加注、燃料電池、氫安全及品質保障等方面進行重點任務的部署,確定了3項集中攻關和3項示范試驗,并制定了技術路線圖。

  一、國際氫能技術發展現狀和趨勢

  制氫技術方面,當前化石能源制氫仍然是全球氫氣供應的主要來源,但是在全球能源轉型加速的趨勢下,提高可再生能源開發利用水平、降低化石能源消費總量是永恒的主題。電解水制氫及其他與可再生能源結合的制氫技術為可再生能源跨時間、跨空間輸送和利用提供了重要途徑,使可再生能源以不同能源形式應用于能源各行業成為可能。國際上,美國、歐洲、日本等氫能主要國家和地區已經建成投運的可再生能源電解水制氫項目均采用堿性電解水制氫技術或質子交換膜電解水制氫技術。其中,由于質子交換膜電解水制氫具有啟停快、動態響應迅速的技術優勢,更加適用于具有波動性、間歇性和隨機性特征的新能源發電場景,國外大多采用質子交換膜電解水制氫技術作為可再生能源電解水制氫技術路線,已經投運的質子交換膜電解水制氫裝置規模達到10MW級,正在開展100MW電解設備的研究工作。同時,依托已經開展的多個可再生能源電解水制氫項目,歐洲、美國主要地區和國家對可再生能源功率控制、氫儲能、系統優化整合等可再生能源電解水制氫集成技術進行了廣泛研究。高溫固體氧化物電解水制氫尚處于研發階段,美國、日本和韓國等國家正在進行電解池材料向電堆集成、系統集成研發的相關研究工作。

  氫氣儲運方面,國際上,氣態儲運技術方面,運輸用高壓儲氫工作壓力已經提升至30~40MPa,英國、意大利、德國、法國和荷蘭等歐洲多國已經開展了天然氣管道摻氫技術研究及示范,摻氫比例范圍2%~20%,摻氫量最大達到285Nm³/h,此外,國外氫氣長輸管道設計建設技術整體成熟,且已經建成多個純氫輸送管道,總里程超過4600公里;液態儲運技術方面,國際上低溫液態儲運技術已實現氫液化能力超30噸/天,體積最高達3800m³的球形液氫儲罐,并在大型儲罐系統基礎上將其應用于車載、船舶等;固態儲運技術方面,國際上已開發出儲氫容量1000m³、體積儲氫密度約38kg/m³的稀土系合金低壓儲氫裝置,在車載系統和固定式儲氫領域均有突破。

  燃料電池方面,國際上,質子交換膜燃料電池技術主要應用于備用電源和家用燃料電池熱電聯供系統,日本能源農場(ENE-FARM)項目生產的以天然氣為燃料的0.7~2kW燃料電池系統,總效率達到90%以上;固體氧化物燃料電池技術方面,已經形成了以美國、日本為領先,歐洲、韓國緊隨其后的格局,部分領先技術已經實現了初步的產業化。美國已經實現了商用分布式固體氧化燃料電池的推廣應用,系統效率53%~65%,功率等級200kW~300kW,日本在能源農場(ENE-FARM)采用的是700W 固體氧化物燃料電池系統,發電效率達53.5%,綜合效率為87%;熔融碳酸鹽燃料電池技術方面,美國在開發和研究以天然氣為燃料的燃料電池-燃氣輪機發電系統,開發了300kW~2.8MW等級的熔融碳酸鹽燃料電池商業化產品,發電效率大于47%;韓國已經在13個地區建造了18個熔融碳酸鹽燃料電池電站,總裝機容量達到140MW,其中最大的熔融碳酸鹽燃料電池電站功率達到59MW。

  氫氣加注方面,國際上,美國、日本、歐洲90%以上加氫站具有70MPa加氫能力,已經建成液氫加氫站并實現商業化運行,美國45MPa壓縮機單缸排量超750Nm³/h,90MPa壓縮機兩級壓縮排量達560Nm³/h以上,全負荷、高可靠運行技術完備。

  氫氣安全防控及氫氣品質保障方面,國際上,在氫氣安全方面,國外對高壓氫氣泄漏、燃爆風險評估及防控方面研究較早,以大尺度氫氣燃燒噴射火焰及爆炸相關實驗為基礎開發了評估軟件,構建了氫安全事故數據庫;采用相同的分立傳感器組成檢測陣列進行氫氣泄漏檢測,實現極端環境使用和快速檢測;開發了氫脆測試裝置;發布了固態儲氫系統安全檢測標準;形成了制氫設備、燃料電池檢測技術和認證體系。在氫氣品質保障方面,開展了氫氣中微量雜質分析檢測和加氫站內雜質遷移規律等研究,提出了燃料電車用氫氣全周期品質保障的理念。(未完待續)