碳中和制氢关键技术进展及发展.doc

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1、碳中和制氢关键技术进展及发展　　本文围绕制氢关键技术的研究进展进行综述，分析了氢能发展的背景，整理并解读了当前我国与氢能相关的政策，并调研了几项国内典型制氢项目。对氢能产业链中制氢环节应用现状及关键技术原理进行了梳理和对比，包括煤制氢、醇类制氢及电解水制氢技术的原理、电解槽结构及数学模型，并分析了由“灰氢”到“绿氢”转化的重要意义，为我国“绿氢”制取关键技术的发展提供借鉴和参考。　　1我国氢能产业发展现状做好碳达峰、碳中和工作，即力争在2030年前使国内二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和，是我国今后一段时期的重

2、点任务之一。积极探索新型清洁能源有助于促进我国碳达峰、碳中和工作的加速进行，加快产业结构的优化。氢能作为一种储量丰富、热值高、能量密度大、来源多样的绿色能源，被誉为21世纪的“终极能源”。氢能的开发利用也受到了世界各国的高度重视，美国、日本、澳大利亚等国已制定相关政策，将氢能列为国家能源结构的重要组成部分，我国也在积极布局氢能发展战略，逐步完善氢能政策体系。　　2016年，国家发展改革委、国家能源局印发《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，将氢能列为15项能源技术革命重点任务之一，把可再生能源制氢、氢能与

3、燃料电池技术创新作为重点任务。使用可再生能源电解水制氢是氢能产业新的发展趋势，使用弃风、弃光、弃水打通制氢环节路线，可最大程度避免能源浪费，提高电解水制氢的经济性，符合绿色能源可持续发展需求。　　2020年5月，中共中央颁布《2020年政府工作报告》，提出引导加大氢燃料电池基础科研投入，鼓励能源企业建立稳定、便利、低成本的氢能供应体系，制定国家顶层氢能规划。　　2020年9月8日，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部4部委联合印发《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》，意见指出，加快新能

4、源发展，加快制氢加氢设施建设。随着氢能相关政策的颁布和完善，国家还鼓励支持了一大批氢能项目的建设发展，如表1所示。　　随着我国政策的引导以及大批氢能项目落地实施，氢能技术不断突破，产业体系逐步完善，我国氢能领域的发展已加速进入产业化阶段。经过多年的工业积累，中国已经是世界最大的制氢国，氢能市场潜力巨大。中国每年仅风力、光伏、水电等可再生能源弃电约1000亿kW·h，可用于电解制氢约200万t，如果能将这些富余的被弃掉的能源用于电解制氢，将会大大减少能源浪费。近年来，我国氢能产业发展速度快、覆盖广，截至2020年1月，我国

5、已建成加氢站61座（图1），规划和在建的加氢站有84座，内蒙古、辽宁、山东、河南、湖北、广东、四川、安徽等地均有分布。　　但是，我国氢能产业还存在诸多问题，如关键技术亟待突破，缺乏自主知识产权，基础设施仍有待加强等。对此，本文从氢能产业链制氢环节关键技术切入，分析总结国内外制氢技术现状，并结合我国制氢领域亟待解决的问题，对3种主流制氢工艺进行分析，总结现有技术的优缺点，最后对氢能未来技术发展方向进行展望，对我国氢能产业发展提出建议，以期对我国氢能产业的发展提供指导。　　2制氢关键技术氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电

6、解制氢，其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及化工原料制氢。化石能源制氢包括水煤气制氢、天然气重整制氢等，目前已经进行工业生产，技术相对成熟，但能量的产出大于投入，若用此法制氢发电，能量转换效率低，经济性差，因此传统能源制氢并非理想的制氢技术。化工原料制氢主要有醇类裂解制氢、醇类重整制氢，如甲醇水蒸气重整制氢。水电解制氢法即利用光伏、风电等新能源电力电解水制氢，这种制氢方式近零碳排放，可充分利用“三弃”（弃风、弃光、弃水）能源水解制氢，还可以大大降低制氢成本，是实现“绿氢”生产的重要技术环节，也是氢能领域投资的重点领域。

7、　　表2列出了当前阶段不同制氢技术的对比，可以看出：化石能源制氢技术虽然成熟度较高且经济性较好，但碳排放量较大，违背了氢能作为清洁能源的本质，不适合长期发展；可再生能源电力电解水制氢技术成熟，且环保性好、碳排放少，但是其制氢成本较高，可以考虑采取“三弃”能源制氢，以大幅降低制氢成本。不同制氢技术所使用的制氢原料及制氢工艺大有不同。　　2.1制氢原料图2给出了目前全球制氢原料占比和主流制氢方法的经济性对比。由图2a)可以看出，在所有制氢原料中，天然气使用最为广泛，占比达到48%，其次是醇类（占比为30%），电解水使用较少，

8、占比仅为4%。　　目前，全球制氢技术的主流选择是化石能源制氢和化工原料制氢，这主要是由于化石能源制氢和化工原料制氢的成本较低（图2b））。此外，由于清洁性好、效率高、成本低，采用天然气重整制氢具有较大利润空间。采用电解水制氢是当前制氢环节的研究热点，技术也较为成熟，其他新型制氢法尚未应用于大规模制氢。　　从制氢原料占