綠電制綠氫及其綜合利用技術(shù)PPT

1、電制綠氫及其應(yīng)用展望綠電制氫及其綜合利用技術(shù)目錄CONTENTS一、戰(zhàn)略與必要性二、氫與可再生能源電制綠氫三、氫電融合及其綜合利用四、結(jié)論一、需求與必要性碳中和需要構(gòu)建零碳的新型電力與能源系統(tǒng)、氫能將大展宏 圖能源安全新戰(zhàn)略：四個革命、一個合作3060碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略需求構(gòu)建以新能源為主 體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建清潔、低碳、 安全、高效的現(xiàn)代 能源體系目標(biāo)任務(wù) 一、戰(zhàn)略需求與必要性提出要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動， 深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。3月1日，發(fā)布“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案，成為首個公開“碳達(dá)峰、碳

2、中和”具體行動規(guī)劃的央企。在能源供給側(cè)，構(gòu)建多元化清潔能源供應(yīng)體系。 其中包括推動氫能利用，.在能源消費(fèi)側(cè)，全面推進(jìn)電氣化和節(jié)能提效, .,其中包括加快電能替代，.,推動電制氫技術(shù)應(yīng)用,“碳中和”背景下能源結(jié)構(gòu)中氫能預(yù)期未來中國氫氣供給結(jié)構(gòu)預(yù)測未來能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與CO2排放量預(yù)測可再生能源電解制氫比重增加化石能源可再生能源替代面向3060能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化有兩條路徑：第一個就是不可再生的 化石能源一定要被可再生的綠色能源來替代；第二就是一個高碳向低 碳過程的過渡。而氫將成為一個重要元素。一、戰(zhàn)略需求與必要性IEA:按2050年的3.22億噸綠色和電解氫，將需要 3585吉瓦的全球電解槽容 量（

3、目前約300兆瓦）， 以及約14500太瓦時的電 力約占世界電力供應(yīng) 的20%。國際發(fā) 展前景在2030年碳達(dá)峰情景下，我國氫氣的 年需求量將達(dá)到 3715萬噸，在終端 能源消費(fèi)中占比約 為5%， 在2060年碳 中和情景下，我國 氫氣的年需求量將 增至1.3億噸左右，在終端能源消費(fèi)中 占比約為20%。國內(nèi)發(fā) 展前景一、戰(zhàn)略需求與必要性及路徑H2目前，全球年生產(chǎn)氫氣約為1.17億噸，其中副產(chǎn)氫氣4800萬噸，專門制氫約為6900萬噸。國際能源署表示，這將要求清潔氫氣生產(chǎn)的復(fù)合平均年增長率從現(xiàn)在到2030年間達(dá)到66%，在2030到2050年間達(dá)到23%。氣候危機(jī)能源轉(zhuǎn)型綠色低碳生態(tài)文明“氫能是

4、將全球變暖限制在2的能源轉(zhuǎn)換的中心支柱”-國際氫能委員會一、戰(zhàn)略需求與必要性及路徑氫能的多場景應(yīng)用未來已來工業(yè)建筑電力交通冶金化工（合成氨、甲醇等）煉油、食品、生物、 醫(yī)學(xué)城市燃?xì)?熱電聯(lián)供（1）電力領(lǐng)域 （2）交通領(lǐng)域 （ 3） 工業(yè)領(lǐng)域 （ 4） 建筑生活領(lǐng)域一、戰(zhàn)略需求與必要性及路徑二、氫與可再生能源電制綠氫IEA的報告指出，鑒于目前制氫產(chǎn)能不足，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放情景所要 求的速度推出電解槽是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，確保足夠的發(fā)電能力也是一項挑戰(zhàn)。是柴薪的100倍，煤6.8倍，汽油3.3倍，天然氣3.4倍比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10 倍，是很好的傳熱載體可作為一種新能源在雙碳目標(biāo)中 推進(jìn)

5、能源清潔低碳轉(zhuǎn)型能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求氫的能量密度是很大的，最符合我們要選擇的一種清潔能源、可再生能源、新能源面向雙碳目標(biāo)，氫無疑是最好的一個元素，來源廣泛、可再生、無毒、清潔、燃值高、 能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高。來源廣泛1. 可再生能源制氫。 2.工業(yè)副產(chǎn)制取氫。 3.化石能源制取氫。存儲、規(guī)模、長周期 儲能競爭力高于鋰電 池。體積密度小、逃逸性 強(qiáng)。轉(zhuǎn)換靈活。氫氣發(fā)電的最終產(chǎn)物是水，環(huán)境友好。安全高效便于儲存清潔低碳?xì)?能原料來源化石原料制氫工業(yè)副產(chǎn)制氫電解水制氫灰氫可滿足一定時期需求的氫氣來源。綠氫需結(jié)合地區(qū)資源 條件，因地制宜。藍(lán)氫具有環(huán)境友好 性，是未來趨勢。綠氫來之自然，

6、是可再生的二次能源、是綠色的能源、友好的能源、和平的能源、將是全球碳中和的關(guān)鍵角色面向雙碳目標(biāo)，制氫路線正在由“藍(lán)氫”、“灰氫”向“綠氫”轉(zhuǎn)變，也就是著力開展以可再生能源電解水制得 氫氣。CCS CCUS可再生能源電制綠氫技術(shù)IEA的報告指出，鑒于目前制氫產(chǎn)能不足，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放情景所要求的速度推出電解槽（電制氫）是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。電 解 水 制 氫堿性電解水質(zhì)子交換膜電解水固體氧化物電解水堿性電解水制氫(AWEs)技術(shù)是目前市場化最成熟、制氫成本最低的技術(shù)質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEMWEs)技術(shù) 較成熟，能適應(yīng)可再生能源的波動性固體氧化物電解水制氫(SOEC)技術(shù)能耗 最低、能量轉(zhuǎn)換

7、效率最高2H2O=2H2+ O2堿性電解（AEC）質(zhì)子交換膜電解(PEMEC)固體氧化物電解(SOEC)技術(shù)成熟度規(guī)模應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化（國外）研發(fā)示范中運(yùn)行溫度() 90(0-45) 80(0-45)7001000電流密度(Acm-2)0.20.4131-10波動性電源適 應(yīng)性爬坡：15%-100%負(fù)載；啟停：1m熱啟/10m冷啟爬坡：0-160%負(fù)載； 啟停：1s熱啟/5m冷啟低能量效率(%)628270908095優(yōu)點(diǎn)氫純度99.8%成本低、單機(jī)功率高氫純度99.99%、體積1/3、響應(yīng)快、僅脫水無需鉑銥；能效高缺點(diǎn)堿液腐蝕、體積大，維護(hù)費(fèi)用 大催化劑及全氟膜成本偏高高溫工作、材料要求高， 冷啟

8、動慢綠氫制造（水分解制氫為綠氫制造主要方式）電解制氫技術(shù)對比特性堿性電解水制氫質(zhì)子交換膜電解水制氫固體氧化物電解水制氫能耗kWh/Nm34.5-5.53.8-5.02.6-3.6啟停速度啟停較快啟?？靻⑼Ｂ齽討B(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)強(qiáng)-電能質(zhì)量需求穩(wěn)定電源穩(wěn)定或波動穩(wěn)定電源電解質(zhì)20-30%KOHPEM (常用Nafion)Y203/Zr02系統(tǒng)運(yùn)維有腐蝕液體，后期運(yùn)維復(fù)雜， 成本高無腐蝕性液體，運(yùn)維簡單， 成本低目前以技術(shù)研究為主， 尚無運(yùn)維經(jīng)驗電解槽壽命12000 h已達(dá)到10000 h（國內(nèi)）-電解槽成本 美元/kW400-600約20001000-1500環(huán)境友好較差較好-占地面積較大占地面積小

9、-目前對PEM 水電解技術(shù)的研究主要集中在電解池的設(shè)計、關(guān)鍵材料( 如催化劑、質(zhì)子交換膜和極板) 開發(fā)以及電極的制備工藝等方面。PEM電解 水制 氫的 特點(diǎn)高溫固體氧化物電解池(SOEC)利用各種可再生能源以及先進(jìn)核能提供的熱能和電能,在高溫下將水蒸氣高效電 解為氫氣和氧氣，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50 %的熱氫轉(zhuǎn)化效率。SOEC中間利用致密的電解質(zhì)層隔開氧氣和燃料氣體并同時 傳導(dǎo)氧離子;兩邊采用多孔結(jié)構(gòu)的氫電極和氧電極,以利于氣體的擴(kuò)散和傳輸。優(yōu)點(diǎn)：可以利用現(xiàn)有固體氧化物燃料電池部分技術(shù)，采用非貴金屬作為電極材料；并且耗電量低。挑戰(zhàn)：技術(shù)尚處于研發(fā)階段，需要解決固體氧化物電解池堆的高溫穩(wěn)定運(yùn)行，缺乏系統(tǒng)

10、性經(jīng)驗和驗證。下圖展示了水電解的能量需求隨溫度的變化關(guān)系， 隨溫度的升高，電解水對熱量的需求升高明顯，對電能 的需求則顯著下降，而總能量需求并沒有大的提升。利用該 特點(diǎn)，選擇 合適的工作 溫度，SOEC 制氫可以最 大程度地降 低對高品位電能的需求，同時提升低品位工業(yè)廢熱的利用率。電能輸入熱量輸入能源需求/(kJ mol1H2)300250200150100500HGTS能源總需求 電能需求 熱能需求2020年，全球首套商用綠色SOEC制氫設(shè)備 將在荷蘭投入使用。該項目利用廢熱作為熱量來 源，每千瓦時電能產(chǎn)生的氫氣可以達(dá)到普通未加 熱電解槽的6倍。項目建成后每小時可生產(chǎn)氫氣60kg，預(yù)計到20

11、24年底能生產(chǎn)960t綠色氫氣能源。堿液制氫設(shè)備質(zhì)子膜制氫設(shè)備固體氧化物制氫設(shè)備IEA:按2050年的3.22億噸綠色和電解氫，將需要3585吉瓦的全球電解槽容量（目前約300兆瓦），以 及約14500太瓦時的電力約占世界電力供應(yīng)的20%。到2025年，我國氫氣年需求量約為3500萬噸，可再生氫約為200萬噸（2020年為50萬噸），電 解槽裝機(jī)總量約為20GW。 在2030年碳達(dá)峰情景下，我國氫氣的年需求量將達(dá)到3715萬噸，在 終端能源消費(fèi)中占比約為5%，可再生氫量約為550萬噸 ，電解槽裝機(jī)總量約為80GW。 在2060 年碳中和情景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源

12、消費(fèi)中占比約為20%。對我國，可再生能源電制綠氫是氫作為零碳新能源的關(guān)鍵。預(yù)計2030/2060 年可再生 能源電制綠制氫占中國氫氣來源比例預(yù)計為15 /80。氫氣生產(chǎn)成本Source: International Renewable Energy Agency, 2019a Note: LOCE (levelised cost of electricity)風(fēng)能均線光伏均線風(fēng)能最佳光伏最佳藍(lán)氫（化石氫+CCS）風(fēng)光發(fā)電制取綠氫在2020年前后局部地區(qū)已具有競爭力，2030年趨于評價，到2035年，全面低于藍(lán)氫當(dāng)電價為0.2元/kWh、 電解制氫系統(tǒng)成本降至 3000元左右/kW，制氫 成本達(dá)

13、到1.2 元/Nm3H2， 與采用碳捕集的煤氣化 制氫成本相當(dāng)； 當(dāng)電價為0.15元/kWh、電 解 制氫系統(tǒng)成本降至2200 元/左右kW，制氫成本 達(dá)到 0.8元/Nm3H2，同 不采用碳捕集的煤氣化 制氫成本相當(dāng)電制綠氫的經(jīng)濟(jì)性國外歐洲氫能組織“2x40GW綠氫行動計劃”：氫能廣泛利用建立在可再生能源發(fā)電成本降低的基礎(chǔ)上。未來隨著可再生能源發(fā)電成本持續(xù)下降，廉價 電力下將帶來廉價氫氣，為氫能快速滲透提供 基礎(chǔ)三、電氫融合及其綜合利用IEA的報告指出，鑒于目前制氫產(chǎn)能不足，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放情景所要 求的速度推出電解槽（電制氫）是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)，確保足夠的發(fā)電能力（燃 氣輪機(jī)及內(nèi)燃機(jī)、

14、燃料電池）也是一項挑戰(zhàn)。 電氫融合構(gòu)建新型能源系統(tǒng)氫能與電能同屬二次能源， 且氫能容易耦合電能、熱能、 燃料等多種能源并與電能一起 建立“產(chǎn)業(yè)互連”的現(xiàn)代能源 體系。氫能與電力融合轉(zhuǎn)換、 氫網(wǎng)與電網(wǎng)的有機(jī)融合、氫儲 能及氫能與電能的互補(bǔ)支撐以 及終端綜合能源系統(tǒng)下多種能 源的互聯(lián)互通，將能夠?qū)崿F(xiàn)電 力系統(tǒng)峰谷調(diào)節(jié)和能源的時空 調(diào)節(jié)，推動新能源消納和深度 零碳替代，支撐能源互聯(lián)網(wǎng)建 設(shè)，助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)?；诳稍偕茉措娭凭G氫制氨、甲醇等技術(shù)，將解決無碳燃料替代、電力替代和冶金、化工等工業(yè)零碳問題。利用P2G，PTX等綜合能源技術(shù)改造化石能源發(fā)電和動力系統(tǒng)，增強(qiáng)能源系統(tǒng)交互性，建立廣泛的新型低碳

15、零碳綠色能源體系成為可能。 電氫融合構(gòu)建新型能源系統(tǒng)通過風(fēng)電、 光伏等可再生 能源制氫， 獲 得真正潔凈的 “綠氫”。能將間歇、 不穩(wěn)定的大規(guī) ?？稍偕茉?轉(zhuǎn)化為化學(xué)能， 促進(jìn)新能源電 力的消納。通過規(guī)?；臍淠艽尜A和就地或終端發(fā)電，滿足多時空尺度的的能量儲存轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化需求。風(fēng)力 發(fā)電電池 儲能 混合可再生能源DC直流 互聯(lián)電網(wǎng)光伏 發(fā)電電動 汽車DCDC 混合可再生能源DC直流 互聯(lián)電網(wǎng)光伏發(fā)電電動汽車風(fēng)力 發(fā)電電池 儲能DCDCDCDCDCDCDCDC氫燃料電池車氫能源網(wǎng)氫 電氫融合構(gòu)建新型能源系統(tǒng)通過風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫，能實(shí)現(xiàn)“零碳排放”，獲得真正潔凈的“”;電 氫 融 合工業(yè)

16、領(lǐng)域交通領(lǐng)域建筑領(lǐng)域加快推進(jìn)基于氫能利用的深度電能替代和零碳替代鋼鐵化工醫(yī)學(xué)與食品氫燃料電池汽車船舶與飛機(jī)、火車、航空航天等熱電聯(lián)供冷熱電三聯(lián)供加氫站、電氫加注一體站可再生能源電制氫儲氫冷熱電聯(lián)供氫電電氫融合構(gòu)建綠色能源體系綠色電能替代是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，碳中和的關(guān)鍵所在堿性燃料電池（AFC）質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)運(yùn)行溫度() 100 100800比功率（W/kg）10-30300-100015-20發(fā)電效率（%）45-6050-7550-60應(yīng)用領(lǐng)域太空船、潛水艇小型發(fā)電機(jī)組交通運(yùn)輸電源熱電聯(lián)供電廠分布式發(fā)電站優(yōu)點(diǎn)啟動快、成本低常溫常壓下工作可低溫運(yùn)行低溫迅

17、速啟動燃料來源廣氧氣可做氧化劑缺點(diǎn)對CO2敏感，需純氧對CO敏感，成本偏高高溫工作、材料要求高燃料電池（目前市場以PEMFC為主）發(fā)電形式能量效率內(nèi)燃機(jī)及外燃機(jī)10-50%燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)最大可到44%燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)加上蒸汽 渦輪發(fā)動機(jī)（聯(lián)合循環(huán)）最大可到65%水力發(fā)動機(jī)最大可到90%風(fēng)力發(fā)動機(jī)最大可到59%（理論上限）太陽能電池6%-40%（和使用技術(shù)有關(guān)， 一般的效率約15-20%，理 論上限為85%-90%）氫燃?xì)廨啓C(jī)（聯(lián)合循環(huán)） 85%燃料電池?zé)犭娐?lián)供95%氫能高效利用燃料電池技術(shù)氫能源的動力應(yīng)用有兩種方式：一是直接燃燒（氫燃?xì)廨啓C(jī)、氫內(nèi)燃機(jī)），二是采用燃料電 池技術(shù)。“氫能燃料電池是少

18、數(shù)幾個可以將不 同能源來源和終端用戶聯(lián)系在一起的 技術(shù)之一，在未來能源構(gòu)架中起到電-熱-燃料之間轉(zhuǎn)換的新型載體作用”-國際能源署氫能燃料電池技術(shù)路線圖芬蘭Aurelia Turbine A400 高效燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)，發(fā)電效 率可達(dá)40%，遠(yuǎn)高一般20%左右效率的微型燃?xì)廨啓C(jī)，將突 破終端用戶CCHP的現(xiàn)狀，更重要的是以另一種氫解決方案突 破了卡諾循環(huán)的效率而拓展了氫自身的價值，改造傳統(tǒng)燃機(jī) 有了新希望。GE與澳大利亞 10MW 100%氫燃機(jī)機(jī)組；三菱、日立電力與美國山間電力 100% 可再生氫燃料，荷蘭440MW M701改造;三菱電力，30億美元 全球首個綠色氫集成標(biāo)準(zhǔn)包HydaptiveTM和HystoreTM,100%綠氫燃料。SIEMEN 宣布2030年全部燃機(jī)產(chǎn)品為氫燃料STG-600 試驗實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷100% 氫燃料電制氫可充分發(fā)揮氫在大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)消納和儲能調(diào)峰的作用，氫 燃?xì)廨啓C(jī)可為高比lie電力電子可再生能源電力系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量，保證電 網(wǎng)靈活性需求，從而支撐建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。氫能高效靈活利用氫燃?xì)廨啓C(jī)通過改造燃?xì)廨啓C(jī)為氫燃?xì)廨啓C(jī)，幫助電網(wǎng)靈活性的調(diào)節(jié)氫儲：規(guī)?；鐣r空儲能 & 制氫儲氫發(fā)電發(fā)電部 分價格 ($/kW)儲能部 分價格 ($/kW)整體效 率 (%)充放電循環(huán)次數(shù)單次充放電循環(huán) 設(shè)備折舊成本