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氢能:四大模块 全面创新
来源:中国化工报 发布时间:2018-7-6 10:16:34

贯穿氢能制备、储存、运输和应用

  产业的技术创新能力决定着产业结构层次的高低。要实现石油和化学工业高质量发展和转型升级,必须在核心技术创新上占据先机,而当前正值这样的关键时期。在这一时期,新能源、化工新材料、现代煤化工这些化工行业的重点领域应当如何发展?重点发展哪些产品?在近日举行的石化和化工产业转型升级绿色发展大会上,石油和化学工业规划院专家对此做出了研判。本报今日推出的系列报道《化工重点领域创新策略》对这些研究成果进行展示。

 

  因具有发热量高、燃烧性能好、过程清洁、最终产物为水以及利用形式多样等特点,氢能作为一种新的能源应用形式正为各界所关注,氢能产业关键技术的突破以及下游的大规模应用也被提到议事日程。

 

  在近期召开的石化和化工产业转型升级绿色发展大会上,石油和化学工业规划院能源化工处项目经理刘思明表示,氢能源要进行全产链的技术创新,通过制备、储运、应用各环节的技术突破,推动氢能的发展。

 

  发展热潮开始显现

 

  从全球氢能源产业的利用来看,美国、德国和日本走在世界前列。日本是亚洲氢能利用做得最好的国家,近几年日本汽车厂商和能源研究所形成了氢能源开发联合体,实现了氢燃料电池汽车全流程的生产和量产。

 

  反观我国氢能产业的发展,目前新能源汽车的发展速度非常快,但燃料电池汽车的发展却相对缓慢,主要是因为技术尚不成熟,成本不具比较优势。

 

  “我国已经对氢能源产业发展规划了路线图:到2020年有5000辆左右的氢燃料电池示范车辆和100座左右的加氢站;到2030年实现商业化运行,加氢站达到1000座的网络化目标。就在今年,国家能源集团牵头成立了中国氢能利用产业联盟,表明能源主力军已正式进入该领域,氢能源产业的发展热潮已经开始显现。”刘思明说。

 

  产业存在六大问题

 

  “在发展热潮之下我们要冷静看待氢能产业存在的六大核心问题。”刘思明认为,一是其关键系统——燃料电池系统的可靠性和耐腐性与国外主流产品还存在一定差距;二是国内燃料电池系统在环境适应性方面与国外产品也存在差距;三是燃料电池中使用的关键核心材料、设备,如催化剂、电解质膜等,国内还不能达到稳定的工业量产级水平;四是目前量产汽车中所采用的核心零部件,如氢气循环泵、大功率的直流电压变换器等,大多仍采用国外技术和设备;五是在氢气的储运环节,高压储氢设备材料特别是以高强度碳纤维为依托的材料,研发水平还存在差距;六是氢能安全标准尚未健全,这是未来影响氢能利用和民众接受度的一个很重要的因素。

 

  对此,刘思明建议:“氢能产业的明显特征是通过技术创新推动产业发展,因此未来包括制氢、储氢、运氢、加氢技术的研发,将是实现该产业大规模应用的关键要素。所以在未来五年,最重要的是加大这些方面的投资,尽早取得技术突破。”

 

  四大模块全面创新

 

  对于具体要发展哪些技术,刘思明做了进一步分析。氢能的利用可以分为四大模块,包括氢能制备、氢能储存、氢能运输及氢能应用。

 

  氢能制备 目前能够梳理出来的传统制氢路线有重油气化制氢、煤气化供氢、煤焦化供氢、氯碱工业供氢等7种。而新能源的制氢路线有太阳能、风能、生物质和电解水制氢4种。

 

  根据测算,化学燃料或化工原料的制氢成本较低,是目前最经济的、能够大规模稳定供氢一种方式。而新能源的制氢成本要高于它。预计近期氢能源电池汽车的氢能供应仍以化学燃料或化工原料制氢为主,其他方式占比较小。但随着技术的进步,太阳能和风能能源转化效率的提高,新能源制氢也将会成为一个可选择的途径。

 

  氢能储存 氢能储存有三种方式,即高压储氢、低温液态储氢和有机液态载体储氢。目前我国所能做出来的实验室级别的储氢压力可以达到70MPa,但缺乏工业验证。所以未来的发展重点就是在高压碳纤维复合材料储氢罐设备的研发上,希望能在可控的成本之下研发出一种高强度且抗腐蚀能力比较强的储氢容器。

 

  有机液态储氢在日本、德国受到关注并取得一些进展。其工作原理是利用化学反应,使有机液体成为氢能的一种载体,通过加氢形成化合物。以这种非常稳定安全的方式将氢运送到加氢站以后,通过加氢再使氢气得到释放。

 

  从目前来看有机液态储氢有几个明显的优点,一是储氢量大,储氢密度高;二是比较适合长距离氢能的输送;三是由于这个反应是可逆的,其中应用的有机液体成本相对低廉,而且可循环,所以操作成本比较低。这种方法也将成为未来储氢和运氢的非常重要的方式。目前国内一些民营企业已经在模仿国外的路径发展有机液态储氢技术,但这些技术还有待工业化和大规模的验证。

 

  氢能运输 目前比较切实可行的是长距离输送管道的运输。在化工企业中,氢气的短途运输已经实现了工业化。但是氢气管道的造价要比传统天然气管道高出一倍,所以未来实现氢气和天然气的混输,降低整个氢气管道的造价,是实现氢气大规模长距离运输的核心。

 

  氢能应用 目前重点关注的是氢能利用的核心载体——燃料电池系统,该系统主要是质子交换系统,主要包括膜电极和双极板两大关键材料。在全产业链中,最为核心的是氢燃料电池系统的研发与制备,目前我国在这一领域急需大量的技术研发。

 

  此外,对现有加油站改造,并将其升级为加油、加氢一体化的供应模式也值得关注。

 

  但要注意的是不应把氢燃料电池或氢能的利用仅仅看成是汽车动力的来源,它应该更广泛地应用于分布式能源、储能装备等领域,即氢能源可以替代目前很多驱动领域使用的传统能源。所以我国氢能源产业的发展和布局将是未来非常值得研究和探讨的课题,要尽可能在网络化建设中使氢能源产业从示范区域运行转向社会区域运行,扩大其应用面和影响力。

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