氢能十解

氢能十解 水电水利规划设计总院 2024年4月 目录 第一解：解锁氢能新纪元1 一、氢的历史：从拉瓦锡到拉·库尔1 二、潮起潮落：从石油危机到气候变化2 （一）美国是第一个将氢能作为国家战略的国家2 （二）欧盟作为最早探索氢能应用的地区之一在发展氢能上具备一定的优势2 （三）德国、法国、西班牙、意大利、芬兰等多国相继通过了国家氢能战略2 （四）现阶段，日本已具备了扎实的氢能产业基础，形成了适应产业发展政策制定和修订机制3 （五）以沙特和阿联酋为代表的中东地区正在积极布局氢能产业3 三、先立后破：“双碳”目标下的新型电力系统4 四、能源转型：氢能引领的新型能源系统解题之法5 �、氢与甲醇：“氢基”能源的多元化转变6 六、氢能体系：氢能发展的中国贡献7 第二解：氢能的绿色寻踪8 一、引言8 二、“绿”氢认证标准8 （一）欧盟“可再生氢”（RenewableHydrogen）定义9 （二）日本“低碳氢”（低炭素水素）定义9 （三）美国“清洁氢”（CleanHydrogen）定义9 （四）国际可再生能源署IRENA“绿氢”（GreenHydrogen）定义9 （五）中国“绿氢”定义9 三、“绿”氨认证标准10 （一）欧盟“可再生氨”（RFNBO）定义10 （二）日本“低碳氨”（低炭素アンモニア）定义11 （三）国际绿氢组织“绿氨”（Greenammonia）定义11 （四）IRENA“可再生氨”（RenewableAmmonia）定义11 （五）中国“绿氨”定义11 四、“绿”甲醇认证标准12 （一）国际可再生能源署IRENA“可再生甲醇”RenewableMethanol定义12 （二）欧盟“可再生甲醇”RenewableMethanol定义13 （三）美国“绿色甲醇”GreenMethanol定义13 （四）中国“绿色甲醇”定义13 �、中国方案助力全球绿色氢基能源标准融合统一14 （一）明确绿氢（氨、醇）标准并纳入认证体系14 （二）推进氢市场和碳市场深度融合14 （三）推进绿氢与绿证的耦合发展14 第三解：氢基能源制取之谜15 一、绿氢替代趋势逐渐显现15 二、绿氢制取—可再生能源电解水制氢为最成熟的路径15 （一）电解水制氢15 （二）光解水制氢20 （三）生物质制氢22 三、绿氨制取—技术成熟持续探索新路线23 （一）氢氮气压缩23 （二）氨压缩冷冻24 四、绿醇制取—技术多元待产业化验证25 （一）生物质制绿甲醇26 （二）绿电制甲醇26 �、绿色氢基能源发展空间无限28 第四解：氢基能源流动之旅29 一、氢基能源储存技术29 （一）氢储存技术29 （二）液氨存储技术31 （三）甲醇存储技术31 二、氢基能源车船运输32 （一）气态长管拖车运氢32 （二）液氢车船运输33 （三）氨与甲醇车船运输33 三、氢基能源管道运输34 （一）天然气管道掺氢运输35 （二）纯氢管道运输35 （三）液氨管道运输35 （四）甲醇管道运输36 四、氢基能源规模化运输经济性37 �、“西氢东输”氢能骨干管网展望38 第五解：氢基能源应用拼图40 一、工业领域应用40 （一）合成氨40 （二）制备甲醇40 （三）石油化工41 （四）冶金行业41 二、交通领域应用42 （一）公路交通42 （二）铁路交通43 （三）航空43 （四）航运44 三、电力领域应用44 （一）气电掺氢燃烧45 （二）煤电掺氨燃烧46 （三）氢基能源燃料电池47 四、建筑领域应用47 （一）天然气管道掺氢48 （二）建筑热电联供系统48 第六解：氢与电的交响曲50 一、新型电力系统特征50 二、解决可再生能源电力消纳51 （一）方案设想51 （二）结果分析51 三、解决火电低碳转型问题53 （一）煤电掺氨53 （二）气电掺氢55 四、解决跨季节长时储能问题56 （一）技术挑战与局限性58 （二）长时储能经济性测算58 �、提供双碳目标下电力系统的可选解决方案61 （一）甘肃省实现全省火电转型简析61 （二）浙江省实现全省火电转型简析62 （三）新型电力系统经济性解决路径之一62 第七解：新型能源体系的氢密码64 一、能源消费总量与结构发展趋势64 二、新型能源体系展望65 三、加快构建“源网荷储”智能协同的新型电力系统68 四、逐步形成“产供运用”一体化的新型油气系统69 �、积极布局“电-氢-资源”耦合互为支撑的新型能源体系70 第八解：氢基能源规模之密73 一、全国用氢需求现状与预测73 二、工业领域氢基能源需求73 （一）合成工业用氨73 （二）合成工业用甲醇74 （三）石油化工74 （四）冶金还原剂75 三、交通领域氢基能源需求75 （一）公路运输76 （二）铁路及轨道交通76 （三）航空领域77 （四）航运77 四、电力领域绿氢需求78 （一）气电掺氢78 （二）煤电掺氨78 （三）燃料电池发电79 �、建筑领域绿氢需求79 六、绿氢需求预测79 第九解：氢能关键技术之问82 一、氢的制备82 （一）技术分析82 （二）国产化分析84 （三）绿氢合成氨分析85 （四）氢能储输88 二、氢能应用92 （一）交通领域92 （二）工业领域93 （三）电力领域94 （四）建筑领域96 第十解：全球绿色氢能中心愿景97 一、引言97 二、中国构建绿色氢能中心的优势97 （一）市场潜力巨大97 （二）要素保障能力强98 （三）政策支持力度不断加强99 （四）技术创新能力持续提升100 三、中国构建绿色氢能中心的机遇101 （一）氢能是世界能源低碳转型的需要101 （二）氢能贸易加速国际能源秩序重构102 （三）提高氢能源定价能力推动人民币结算103 四、绿色氢能中心的挑战103 （一）氢能有关标准和绿色认证体系国际话语权弱103 （二）国际合作难度趋大104 （三）国际竞争格局尚不清晰104 �、全球绿色氢能中心的愿景105 （一）全球氢基能源贸易中心105 （二）全球氢能源科技创新中心106 （三）全球氢基能源应用示范中心106 （四）全球氢基能源装备制造中心107 （五）全球氢基能源绿色认证中心108 结语109 第一解：解锁氢能新纪元 一、氢的历史：从拉瓦锡到拉·库尔 氢，宇宙中丰度最大的元素，在地球上氢的单质通常以气态形式存在，拥有工业原料和能源载体的双重身份。过去，氢更多地作为一种基本工业原料或产物出现在化工行业中，或作为化石原料的重要成份被固化在煤炭、石油或天然气中。在全球化石能源短缺和气候变化的双重压力下，氢因其可再生、零排放、高能量密度的绿色属性，受到了越来越多的关注。 16世纪瑞士化学家发现将铁溶解在硫酸中的过程会释放出一种神秘的气体，这是人类有记录的首次人工获得氢单质；1766年，亨利·卡文迪什通过相似的实验收集到了氢气并将其点燃获得了水。1783年，法国化学家拉瓦锡首先命名了氢气，意为“成水元素”；1800年，两位英国科学家尼克尔森和卡莱尔首次用电流将水分解成了气体，据此发明了电解槽，揭示了氢与电这对绿色未来愿景隐秘但密切的关系。 ·事实上，氢气作为能源应用的历史远比我们所认为的长，早在19世纪末，丹麦发明家拉·库尔为了解决如何储存风车产生电能的问题，将一个水磨坊风车产生的电力通过电解水生产氢，并将氢直接作为储备燃料使用。这也可以视为人类首次将氢作为可再生能源进行制备、存储和使用，尽管当时并没有相似的概念。历史中，拉·库尔采用风车发出的电能制氢并通过12立方米的储罐进行存储，由氢能供给的小镇用电，数年间没有出现过供电中断的情况，这也可以认为是氢首次应用于电网储能。 二、潮起潮落：从石油危机到气候变化 历史上氢能利用的热潮都与能源和环境问题有关，19世纪70年代的石油危机，空气污染和酸雨等环境问题，使得利用煤炭和核能制氢在20世纪70年代倍 受关注，到80年代油价回落和大规模的抵制核能运动的爆发，对氢能的研究热 情就冷却了下来，到了21世纪初直至今天，随着气候变化的问题再次被提及，社会对氢能的研究再次升温。 （一）美国是第一个将氢能作为国家战略的国家 1970年，通用汽车公司技术中心首先提出“氢经济”概念。1990年美国政府 就颁布了《氢能研究、发展及示范法案》，制定了氢能研发5年计划。2002年11月，美国能源部发布《国家氢能发展路线图》，就美国氢能发展的目的、影响氢能发展的各种因素，以及氢能各环节技术现状、面临的挑战及未来发展路径进行了详细的设计和阐述。此后美国政府颁布了一系列法令、政策，使美国“氢经济”概念逐步转化为现实。2022年9月美国能源部发布《国家清洁氢能战略和路线图（草案）》，指出到2050年清洁氢能将贡献约10%的碳减排量，到2030年、 2040年和2050年美国清洁氢需求将分别达到1000万吨/年、2000万吨/年和5000 万吨/年。 （二）欧盟作为最早探索氢能应用的地区之一在发展氢能上具备一定的优势其氢能发展政策较为完善、科研体系成熟、投资力度大。2018年欧盟提出 《2050年长期战略》，在涉及氢能的“地平线欧洲”计划中，将拿出35%资金投资气候相关目标，开发具有成本效益的创新型解决方案，其中主要涉及氢和燃料电池。2019年《欧洲绿色协议》提出，到2030年工业部门的氢能应用中绿氢占比超过50%，对航运用燃料电池和加氢站建设提出了更具雄心的发展目标。2020年欧盟发布关于氢能发展的指导性文件《欧洲氢能战略》，旨在为欧洲建立一个整合的氢能市场提供一个清晰的愿景和路线图。2022年《REPowerEU计划》提出多个促进氢能发展政策，力争到2030年实现2000万吨绿氢的供应，成立“欧洲 氢能银行”，投资30亿欧元助力发展氢能市场。 （三）德国、法国、西班牙、意大利、芬兰等多国相继通过了国家氢能战略欧洲的氢能发展以德国为代表，德国传统工业企业脱碳需求大，氢在钢铁、 化工、发电供热等领域均有部署。2020年6月，德国内阁通过了《国家氢能战略》，旨在推进氢能产业发展，抢占氢能技术领域的高峰。《国家氢能战略》中 宣布至少投入90亿欧元用于发展氢能；法国公布了《国家氢能战略》后，正式成立国家氢能委员会，有别于欧盟部分国家力推的化石燃料配合碳捕捉和封存技术的“蓝氢”发展路线，法国始终坚持采用可再生能源的“绿氢”路线；西班牙可再生能源资源丰富，可再生能源装机量占比高，西班牙将可再生能源制氢作为能源和经济转型的重要战略选项；意大利将推广氢燃料汽车作为氢能产业发展的突破口，将大幅提升本土氢燃料汽车的应用规模，逐步取代柴油车；氢是芬兰国家能源和气候战略的一部分，芬兰发布的《芬兰氢能路线图》中，重点展望了合成燃料的生产、低碳氢的生产以及氢替代煤炭降低工业中产生的碳排放等内容。 （四）现阶段，日本已具备了扎实的氢能产业基础，形成了适应产业发展政策制定和修订机制 先后出台10余项氢能战略性政策。日本政府早在2014年4月就决定实施“能源基本计划”，确定建设“氢社会”目标。2017年12月，日本政府制定了世界上第一个国家层面的氢能战略《氢能基本战略》，对氢能产业链的各个细分领域设定了明确目标。2019年3月，为确保实现基本战略所设置的各项目标，日本政府制定《氢能燃料电池战略路线图》，进一步细化了氢能发展目标提出相关战略举措并设置了评价工作组，定期对各领域的进展实施跟踪与评价。在《氢能燃料电池战略路线图》指导下，2019年9月，日本政府制定了《氢能燃料电池技术开发战略》，确定以三大领域的十项技术为重点开发对象随后，在2020年10月 出台《绿色增长战略》，明确了氢能的定位，并在2021年6月18日将其修订为 《2050碳中和绿色增长战略》，以促进机构和监管改革，加大资金支持力度，推动创新研发，实现产业结构和经济社会转型。 （五）以沙特和阿联酋为代表的中东地区正在积极布局氢能产业 并与德国、美国、日本和韩国在贸易、科技、示范等领域建立广泛合作。中东地区国家尚未出台明确的氢能发展战略，但中东是以能源输出为主的地区，蓝氢和绿氢并行发展将成为沙特和阿联酋等国氢能发展的重要路径。2016年沙特 《2030愿景》提出了实