光伏制氫可行性調(diào)研報告

光伏制氫可行性調(diào)研匯報氫在自然界中分布廣泛，并且在自然狀態(tài)下僅存在著很少許的游離態(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)模制取的可燃氣態(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。氫能作為氫的化學能體現(xiàn)為物理與化學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)模人工制氫并運用氫能的產(chǎn)業(yè)被稱為氫工業(yè)，包括上游制氫、中游儲運和下游應(yīng)用。氫工業(yè)體系中各個產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟關(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。氫能是被公認的清潔能源，被譽為二十一世紀最具發(fā)展前景的二次能源。氫能在處理能源危機、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)化能源消費構(gòu)造、保障國家能源供應(yīng)安全的戰(zhàn)略選擇。據(jù)預(yù)測，煉油業(yè)、新能源汽車以及清潔能源發(fā)電等將是氫能運用的最大終端市場，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%。伴隨燃料環(huán)境保護規(guī)定的日趨嚴格，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)氫氣需求量的迅速增長。國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)實狀況國外研究和發(fā)展現(xiàn)實狀況全球重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)達國家已經(jīng)將氫能上升到國家能源戰(zhàn)略高度，不停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”概念，奧巴馬政府公布《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)子互換膜燃料電池、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，兩國的技術(shù)占比總和約超過了50%。日本提出成為第一種實現(xiàn)氫能社會的國家。政府先后公布了《日本復興戰(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)劃了實現(xiàn)氫能社會的技術(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。并以東京奧運會為契機推廣燃料電池車，打造氫能小鎮(zhèn)。歐盟在戰(zhàn)略層面提出了《氣候和能源一攬子計劃》《2030氣候和能源框架》等文獻，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)濟中的重要構(gòu)成部分。在老式制氫措施中，化石燃料制取的氫占全球的90%以上?；剂现茪渲匾哉羝D(zhuǎn)化和變壓吸附相結(jié)合的措施制取高純度的氫。運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，對太陽能制氫的措施研究重要集中在如下幾種措施：直接熱分解法、熱化學循環(huán)法、光催化法以及光電化學分解法。經(jīng)理解，美國、日本、德國等發(fā)達國家發(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)實狀況中國是全球氫能運用的大國，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個氫能產(chǎn)業(yè)集群。以來，政府相繼出臺了《十三五戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《中國制造2025》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（-2030年）》等文獻。提出了氫工業(yè)（氫的制取、儲運及加氫站）、先進燃料電池、燃料電池分布式發(fā)電等3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6項創(chuàng)新行動。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)子互換膜/固體氧化物電池電解水制氫一體化技術(shù)，掌握適應(yīng)可再生能源迅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。目前我國的諸多著名的科研院所對制氫的研究工作也在有聲有色的進行。“973”計劃“氫能的規(guī)模制備、儲運及有關(guān)燃料電池的基礎(chǔ)研究”項目首席科學家清華大學毛宗強專家，重要從事化石燃料制氫等方面的研究工作。西安交通大學郭烈錦專家重要從事生物及有機廢料的超臨界水熱化學制氫的研究。中國科學院大連化學物理研究所、中國科學院蘭州化學物理研究所重要進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)重要有如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；二是以焦爐煤氣、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)路線仍處在試驗和開發(fā)階段，產(chǎn)收率有待深入提高，尚未到達工業(yè)規(guī)模制氫規(guī)定?；茉粗茪渲匾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），再通過水汽變換反應(yīng)CO+H2O＝H2+CO2獲得氫氣，而CO深入轉(zhuǎn)化為CO2。因此，由化石能源制氫就會排放CO2，其CO2排放量：煤>油>天然氣，這是由原料的碳氫比所決定的。目前在中國氫氣制取成本是較高的（相對于其他國家來說），重要是由于我國一次能源是以煤為主，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6月26日公布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)測展望，我國在現(xiàn)階段重要為化石能源重整制取氫，平均成本不高于10元/公斤；在2025年前將積極運用工業(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2026-2035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)氫為補充手段，平均成本不高于15元/公斤；遠期在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)濟性以及環(huán)境容量，因地制宜選擇制氫路線。如下為不一樣類型制氫成本比較表。不一樣類型制氫成本比較表制氫類型制氫方式能源價格制氫成本（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/m313煤炭550元/t10工業(yè)副產(chǎn)氫：焦爐氣、氯堿8至14綜上，我國與發(fā)達國家相比，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)重要有堿性水電解槽（AE）、質(zhì)子互換膜水電解槽（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)單臺最大產(chǎn)氣量為1000m3/h；質(zhì)子互換膜電解槽流程簡樸，能效較高，國內(nèi)單臺最大產(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，尚處在試驗室研發(fā)階段。電解水制氫具有綠色環(huán)境保護、生產(chǎn)靈活、純度高（一般在99.7%以上）以及副產(chǎn)高價值氧氣等特點。但其單位能耗約在4-5千瓦時/立方氫，制取成本受電價影響很大，電價占到總成本的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，仍舊面臨碳排放問題。一般認為當電價低于0.3元/千瓦時，電解水制氫成本會靠近老式化石能源制氫。按照目前中國電力的平均碳強度計算，電解水制得1公斤氫氣的碳排放量為35.84公斤，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，首先作為全周期零碳排放技術(shù)，伴隨可再生能源發(fā)電平價上網(wǎng)，電解水制氫成本將持續(xù)下降，尤其是近年來局部區(qū)域棄風、棄光制氫的經(jīng)濟性較為突出，可提供制氫量約263萬噸/年；另首先，當波動性可再生能源在電源構(gòu)造中占到較高比重時，單純依托短周期（小時級）儲能將無法滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要。日間、月度乃至季節(jié)性儲能將是實現(xiàn)高滲透率可再生能源調(diào)峰的重要手段。國家發(fā)展和改革委與國家能源局先后發(fā)文，支持高效運用廉價且豐富的可再生能源制氫。四川、廣東等地紛紛給與電價支持政策，電解水制氫最高電價限定0.3元/千瓦時和0.26元/千瓦時。經(jīng)理解，我國電解水制氫走在前列的重要企業(yè)有中國船舶重工集團企業(yè)第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限企業(yè)及蘇州竟力制氫設(shè)備有限企業(yè)。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目蘭州新區(qū)液態(tài)太陽能燃料合成示范項目是國內(nèi)首個光伏制氫并與二氧化碳結(jié)合制甲醇的示范項目，位于蘭州新區(qū)精細化工園區(qū)內(nèi)。項目重要由光伏發(fā)電、電解水制氫、二氧化碳加氫合成甲醇三個單元構(gòu)成。項目規(guī)模為10MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、2套規(guī)模各1000Nm3/h電解水制氫裝置(1套為一般電解槽制氫裝置+1套電解水催化制氫裝置,試驗室測算，電解水催化制氫裝置比一般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。項目投資業(yè)主單位為蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資有限企業(yè)，該企業(yè)為蘭州新區(qū)政府直屬國有企業(yè)；工藝包設(shè)計單位為華陸工程科技有限責任企業(yè)；施工單位新區(qū)石化集團下屬化學工程企業(yè)。關(guān)鍵技術(shù)是中國科學院大連化物所李燦院士團體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3月份動工，9月初10MWp光伏單元所有安裝調(diào)試完畢；目前，電解水制氫單元安裝前土建工程完畢，設(shè)備到場40%；二氧化碳加氫合成甲醇單元安裝前土建工程完畢，重要設(shè)備就位40%；估計在11份所有設(shè)備安裝完畢，12月份調(diào)試投運轉(zhuǎn)入試運行。（二）河北張家口沽源縣風電制氫綜合運用示范項目沽源風電制氫綜合運用示范項目由河北省建投新能源有限企業(yè)與德國邁克菲及歐洲安能企業(yè)聯(lián)手打造，12月31日獲得省發(fā)改委核準（冀發(fā)改能源核字【】163號）。項目受到國務(wù)院李克強總理的高度重視，5月18日，正式簽約落地沽源縣西辛營鄉(xiāng)。項目包括200MWp風電場和10MWp電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合運用系統(tǒng)兩個部分。項目總投資20.3億元，其中風電場投資約15.1億元，電解水制氫系統(tǒng)投資5.2億元。10月3日風電場轉(zhuǎn)商業(yè)運行。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280萬標方的電解水制氫系統(tǒng)（含配套氫氣儲存運送設(shè)備）,制氫站工程位于張家口沽源縣西辛營東約2公里，場區(qū)距離沽源縣城35公里；二期投資2.7億元，建設(shè)年制氫量420萬標方的電解水制氫系統(tǒng)（含配套氫氣儲存運送設(shè)備）。電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合運用系統(tǒng)引進德國先進儲氫及氫氣運用技術(shù)。項目規(guī)劃建設(shè)10MWp電解水制氫系統(tǒng)，重要由補水系統(tǒng)、堿液循環(huán)系統(tǒng)、整流變、電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化妝置、氫氣儲存系統(tǒng)等部分構(gòu)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5月5日動工建設(shè)，計劃于6月建成投運，目前處在待調(diào)試階段。三、下一步發(fā)展提議光伏制氫雖然可以處理棄光、棄電問題，但怎樣用氫，怎樣形成氫產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要，發(fā)展方向重點是氫燃料電池及其下游產(chǎn)業(yè)，運用氫氣與二氧化碳合成甲醇技術(shù)尚處在研發(fā)中試階段，因此提議如下：重點跟進兩個示范項目在今年內(nèi)轉(zhuǎn)產(chǎn)投運后工藝技術(shù)路線可靠性、能耗、成本、效益等各方面實際運行狀況，吸取經(jīng)驗教訓。研究二氧化碳加氫合成甲醇的工藝技術(shù)及經(jīng)濟性。探索嘗試原料采用庫布其光伏制氫和庫布其化工園區(qū)低溫甲醇洗放空尾氣凈化、提純的二氧化碳合成甲醇。氫燃料電池是