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上海市氫能發(fā)展的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)選擇
日期:2019-09-17   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:simaran_sxj 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:氫能作為一種新型燃料,因其來源廣、環(huán)保效果好等原因受到世界各國廣泛認(rèn)同。上海是我國較早步入氫燃料電池的城市,具有多項(xiàng)發(fā)展優(yōu)勢(shì)。目前上還有5家氣體公司和2家化工公司,可支持18萬輛燃料電池汽車的運(yùn)營。

氫能相比傳統(tǒng)化石能源具有來源廣、能量密度高、環(huán)保效果好和用途范圍廣等優(yōu)勢(shì),正逐漸成為世界各國普遍認(rèn)同的未來能源。

國際氫能委員會(huì)發(fā)布的《氫能源未來發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研報(bào)告》顯示,到2050年,氫能源需求將是目前的10倍。

上海市作為國內(nèi)較早介入氫能和燃料電池領(lǐng)域的城市,一直處于國內(nèi)“領(lǐng)頭羊”的位置,但與國際先進(jìn)城市的氫能發(fā)展尤其是燃料電池技術(shù)和應(yīng)用相比我們還有不小的差距。

在當(dāng)前國家鼓勵(lì)發(fā)展氫能利用的背景下,找準(zhǔn)定位、明確技術(shù)路線可以為今后上海更好的發(fā)展氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)提供思路。

我國氫能發(fā)展總體情況

我國氫能發(fā)展現(xiàn)狀


我國高度重視氫能與燃料電池的發(fā)展,自2011年以來,在戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技、財(cái)政等方面相繼發(fā)布了一系列政策,引導(dǎo)并鼓勵(lì)包括氫燃料電池和相關(guān)產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2016年,氫能與燃料電池更是被列為我國能源科技重點(diǎn)發(fā)展的十五個(gè)領(lǐng)域之一,但對(duì)標(biāo)國際先進(jìn)水平,我國在氫能儲(chǔ)運(yùn)、氫燃料電池以及燃料電池汽車整車技術(shù)上還存在較大差距,關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化率仍存在較大提升空間。

上游:制氫路線多元、優(yōu)勢(shì)各異

我國大規(guī)模制氫主要采用成本較低的煤氣化法、工業(yè)尾氣提純法,小規(guī)模分散制氫主要采用甲醇蒸汽重組、水電解和氨氣裂解。

其中:煤制氫符合我國的資源稟賦、具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),但存在增加煤炭消費(fèi)總量、污染物排放和碳排放等問題,且無法擺脫對(duì)化石能源的依賴。

可再生能源制氫(電解水)雖然成本高、能效天花板明顯,但是有利于釋放我國資源紅利,消化可再生能源過剩產(chǎn)能,尤其是解決我國西部地區(qū)的“三棄”問題。

工業(yè)尾氣提純雖然較好的提升煉化副產(chǎn)品的附加值,實(shí)現(xiàn)資源的梯度利用且具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),但是面臨生產(chǎn)端與用戶端不匹配、規(guī)模不可控等情況,利用規(guī)模和利用方式相對(duì)受限。

中游:儲(chǔ)運(yùn)、加氫環(huán)節(jié)是制約我國氫能發(fā)展的卡脖子問題

儲(chǔ)運(yùn)上,我國氫能儲(chǔ)運(yùn)主要采用高壓和低溫液態(tài)路線,形成了法國液化空氣公司、氣體產(chǎn)品公司和林德集團(tuán)為代表的外企寡頭壟斷格局,設(shè)備國產(chǎn)化率低。

加氫環(huán)節(jié),2006年以來,我國已建成加氫站12座,另有20余座加氫站在建(見表1)。



下游:我國氫氣應(yīng)用領(lǐng)域仍以化工為主

目前我國年產(chǎn)氫氣2000萬t,其中50%用于石油和煤化工領(lǐng)域,45%用于合成氨。受制于技術(shù)水平,氫氣在能源領(lǐng)域的應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?;耐黄?。

以燃料電池汽車為例,我國氫能下游技術(shù)水平距離商業(yè)化運(yùn)營要求存在一定差距,突出體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是電堆功率偏低;二是催化劑損耗量高;三是車輛耐久性較差。

國家氫能發(fā)展政策

頂層設(shè)計(jì)是產(chǎn)業(yè)導(dǎo)入期行業(yè)發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”。我國氫能發(fā)展正處于從示范運(yùn)營到商業(yè)化擴(kuò)張的過渡階段,頂層設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出國家引導(dǎo)信號(hào)釋放充分、地方規(guī)劃布局百花齊放的特征。

國家層面:政策導(dǎo)向逐漸由技術(shù)儲(chǔ)備轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化集成

“十五”和“十一五”期間,我國氫能發(fā)展政策主要以引導(dǎo)技術(shù)儲(chǔ)備為導(dǎo)向。2006年2月國務(wù)院出臺(tái)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》,將氫能及燃料電池技術(shù)列入先進(jìn)能源技術(shù)。

“十二五”期間,我國氫能發(fā)展政策逐步過渡到引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化集成?!懂?dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南(2011年度)》《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》《中國制造2025》等都將發(fā)展氫能納入了高技術(shù)產(chǎn)業(yè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)和能源發(fā)展戰(zhàn)略的“版圖”。

“十三五”以來,我國氫能發(fā)展政策站位更加明確、路線更加清晰?!赌茉醇夹g(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等進(jìn)一步將氫能上升到了國家能源戰(zhàn)略和國家創(chuàng)新戰(zhàn)略的高度。

地方層面:各地積極從規(guī)劃、補(bǔ)貼和審批政策三方面布局

截至2018年8月,我國已有14個(gè)省份布局氫能產(chǎn)業(yè),相關(guān)政策設(shè)計(jì)主要圍繞行業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼、加氫站審批三個(gè)維度展開。

(1)北京、上海、武漢、蘇州等市紛紛發(fā)布產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,明確發(fā)展目標(biāo),其中:《北京市加快科技創(chuàng)新培育新能源智能汽車產(chǎn)業(yè)的指導(dǎo)意見》《上海市燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)布局燃料電池汽車產(chǎn)業(yè);《武漢市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃建議方案》《蘇州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》等在發(fā)展燃料電池技術(shù)的同時(shí),進(jìn)一步明確了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)。

(2)北京、上海、武漢、蘇州、西安、海南、河南、廣東、重慶、深圳等省市先后出臺(tái)燃料電池汽車補(bǔ)貼政策,其中:深圳側(cè)重整車環(huán)節(jié)的補(bǔ)貼;佛山、中山側(cè)重加氫站環(huán)節(jié)的補(bǔ)貼;佛山對(duì)引進(jìn)氫能相關(guān)的新能源汽車企業(yè)還額外提供一次性獎(jiǎng)勵(lì)(見表2)。



(3)圍繞氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題——加氫站審批流程,各地在政策設(shè)計(jì)上進(jìn)行了積極探索。廣東省將氫燃料的性質(zhì)定義為“能源”,并鼓勵(lì)利用現(xiàn)有的加油(氣)站建設(shè)油(氣)氫合建站。

佛山要求各部門盡量實(shí)行同步并聯(lián)合辦理或提前對(duì)接,不互為審批前置;武漢建立了“聯(lián)席會(huì)議”解決機(jī)制;江蘇如皋、湖北十堰取消了節(jié)能審查,精簡(jiǎn)了審批流程、壓縮了審批時(shí)間。

上海市氫能發(fā)展基礎(chǔ)與趨勢(shì)

從區(qū)域比較看,上海市在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展上,雖然面臨“中游短板”,但是具備“三大優(yōu)勢(shì)”——氫氣資源稟賦優(yōu)勢(shì)、加氫站先發(fā)優(yōu)勢(shì)、高端制造優(yōu)勢(shì)。

上游:氫能發(fā)展家底厚、資源稟賦佳

上海市作為國內(nèi)主要的煉化基地之一,擁有充足的工業(yè)副產(chǎn)氫,具備制氫的資源稟賦。

據(jù)初步統(tǒng)計(jì),目前上海市5家氣體公司和2家化工公司的年產(chǎn)氫量(含副產(chǎn)氫)合計(jì)超過13萬噸,按照百公里氫能消耗2kg、日行100km測(cè)算,理論上可支撐約18萬輛燃料電池汽車的運(yùn)營。

中游:先發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯、國產(chǎn)化率逐步提高

上海市早在“十五”期間就開始參與燃料電池汽車和關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā),在科技部“863”計(jì)劃的支持下,2006年建設(shè)了全國第一座示范運(yùn)營固定站——安亭加氫站。

建成之初,該站的設(shè)備和零部件全部依賴進(jìn)口,運(yùn)營方上海舜華通過十多年的自主研發(fā)改造,陸續(xù)在加氫機(jī)、站控系統(tǒng)、儲(chǔ)氫瓶組上實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化,國產(chǎn)化率已達(dá)到了20%~30%。

目前該站儲(chǔ)氫量最大可達(dá)800公斤,一次能連續(xù)為6輛大巴、20輛小汽車加注氫氣,未來如果能夠進(jìn)一步在壓縮機(jī)、管閥件、報(bào)警探頭和槍頭等核心部件上實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,將會(huì)對(duì)我國氫能利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成更大的助力。

下游:汽車制造能力卓越、示范運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)豐富

上海市是新能源汽車行業(yè)的排頭兵,2017年燃料電池汽車銷售量達(dá)590輛,居全國第一。

從2003年“超越一號(hào)”燃料電池汽車到2015年上汽榮威950燃料電池汽車,上海市燃料電池汽車技術(shù)始終代表了我國燃料電池汽車發(fā)展的最高水平。

上海市擁有豐富的示范運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),自2003年開始,在GEF/UNDP支持下,上海市先后參與“促進(jìn)中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”的二期、三期示范項(xiàng)目,燃料電池汽車?yán)塾?jì)示范運(yùn)行里程超過140萬km。

上海市聚集了產(chǎn)業(yè)鏈上下游的龍頭企業(yè),初步形成了燃料電池整車廠商,核心部件研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化企業(yè),測(cè)試、評(píng)價(jià)和認(rèn)證機(jī)構(gòu),示范運(yùn)營商以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)商等在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系,上海市專注于氫能與燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)、制造的企業(yè)數(shù)量已超過30家。

上海市氫能發(fā)展技術(shù)路線建議

制氫:工業(yè)副產(chǎn)氫和電解氫是上海市近期和遠(yuǎn)期氫能的重要來源

近中期來看,工業(yè)副產(chǎn)氫是上海市發(fā)展氫能的主力資源。

一是上海市具備氫氣資源稟賦,據(jù)測(cè)算,上海市化工區(qū)的副產(chǎn)氫資源量約為1.5萬—2萬標(biāo)方/小時(shí)(折合約1.2萬—1.7萬噸/年),基本可以滿足《上海市燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃》中期目標(biāo)提出的2025年不少于2萬輛燃料電池乘用汽車的氫氣需要。

二是工業(yè)副產(chǎn)氫在現(xiàn)有制氫技術(shù)水平下具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),適用于推廣氫能的初期階段。按2018年12月的價(jià)格水平估算,綜合考慮土地投資,工業(yè)尾氣提純到氫氣的成本僅11.3元/公斤,制氫成本較低。按照每公斤氫氣運(yùn)輸成本0.1元/公里測(cè)算,工業(yè)副產(chǎn)氫的經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑約170km,基本可以覆蓋除崇明外的上海市域范圍。

三是從其他氫源來看,化石能源制氫與節(jié)能減排目標(biāo)(尤其是控煤指標(biāo))相悖,可再生能源制氫在短期內(nèi)無法突破制取儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)約束,難以解決電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性問題和“源”“荷”的距離問題。

中長期來看,電解氫以及其他新型制氫路線將成為重要發(fā)展方向。

在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排壓力的雙重作用下,化工產(chǎn)業(yè)在上海市的發(fā)展會(huì)進(jìn)一步受限,資源稟賦將逐漸被弱化,預(yù)計(jì)未來工業(yè)副產(chǎn)氫規(guī)模將難以滿足車用氫能的需求。

而隨著電力供需逐漸走向平衡,可再生能源消化壓力將逐漸加大,同時(shí)制氫電耗單價(jià)將走低,利用電解水就地制氫、就地用氫的分布式利用方式既具備必要性,又將具有經(jīng)濟(jì)性上的可行性,還可以帶動(dòng)一批電解和儲(chǔ)氫裝備制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)。

儲(chǔ)運(yùn):液態(tài)儲(chǔ)氫將成為技術(shù)突破的重要方向

儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)氫氣形態(tài)將逐漸由氣態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變。

液態(tài)氫具備密度高、純度高的特點(diǎn),低溫液態(tài)氫比壓縮氫(70兆帕)的運(yùn)輸效率高12倍,是突破氫能儲(chǔ)運(yùn)效率的有效途徑。

其他液態(tài)儲(chǔ)氫路線包括有機(jī)液體儲(chǔ)氫、液氨儲(chǔ)氫等,除了具備液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)效率高的特點(diǎn)外,還通過化學(xué)反應(yīng)脫氫破解了低溫運(yùn)輸?shù)陌踩詥栴}。

但目前上述技術(shù)還存在反應(yīng)條件苛刻、能耗大、不適宜間歇性生產(chǎn)等一系列技術(shù)難點(diǎn)。

未來,從新材料(吸附介質(zhì))開發(fā)、高效催化劑、工藝工程優(yōu)化等角度切入,是突破液態(tài)儲(chǔ)氫約束條件的方向(見表3)。



應(yīng)用:氫燃料電池汽車有望較快迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇

雖然氫作為一種具有高能量密度的能源表現(xiàn)形式,已經(jīng)在航空航天和部分軍事領(lǐng)域得到了較為成熟的使用,但是與其他能源品種的規(guī)?;蜕虡I(yè)化應(yīng)用相比還存在較大的差距。

當(dāng)前,世界各國紛紛出臺(tái)燃油車退出計(jì)劃,退出時(shí)間集中在2025、2030和2040年,德國斯圖加特、法國巴黎已經(jīng)開始先行試點(diǎn)柴油車退出,新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大成為確定性趨勢(shì)。

根據(jù)上述國家擬定的技術(shù)替代方案,氫燃料電池汽車將對(duì)電動(dòng)車形成補(bǔ)充,在長距離運(yùn)輸中發(fā)揮比較優(yōu)勢(shì)(見表4)。



與此同時(shí),我國也明確提出到2020年將普及500萬輛新能源汽車(含插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和氫燃料電池汽車),隨著插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車的補(bǔ)貼在2020年全面退坡,而氫燃料電池汽車的補(bǔ)貼維持現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不變,我們判斷,2020年有望成為氫燃料電池汽車規(guī)?;茝V的節(jié)點(diǎn)年。

綜上,我們認(rèn)為上海市的氫能利用應(yīng)當(dāng)首先依托自身工業(yè)副產(chǎn)氫的優(yōu)勢(shì),結(jié)合較為成熟的高壓儲(chǔ)運(yùn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)在氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?;茝V,并借此提升上海市在燃料電池技術(shù)方面的研發(fā)水平。

中期隨著市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,結(jié)合化石能源重整技術(shù)的使用和液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的完善,實(shí)現(xiàn)向儲(chǔ)能和分布式能源應(yīng)用領(lǐng)域的拓展;遠(yuǎn)期隨著應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展,上海市可在氫能利用的全產(chǎn)業(yè)鏈上構(gòu)建技術(shù)制高點(diǎn)(見圖1)。



結(jié)語

2019年全國兩會(huì)期間,氫能產(chǎn)業(yè)一度成為了代表委員們討論的熱點(diǎn)話題,這對(duì)進(jìn)一步加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)化應(yīng)用無疑會(huì)形成很好的頂層推動(dòng)作用。

上海市作為氫能應(yīng)用領(lǐng)域的“排頭兵、先行者”,應(yīng)當(dāng)在找準(zhǔn)自身定位,明確城市氫能發(fā)展路線的前提下,勇于探索、創(chuàng)新實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)上海市未來能源多元化發(fā)展,氫能和燃料電池關(guān)鍵技術(shù)突破,提升核心裝備自主研發(fā)和生產(chǎn)能力等經(jīng)驗(yàn)積累,結(jié)合上海市“五個(gè)中心”和“四大品牌”建設(shè),形成輻射長三角、服務(wù)全國的氫能產(chǎn)業(yè)和技術(shù)新高地。

原標(biāo)題:上海市氫能發(fā)展的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)選擇
 
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來源:《交通與運(yùn)輸》雜志
 
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