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氢能与燃料电池产业链现状及发展前景

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由于能源需求的日益增长,化石燃料的消耗与CO2排放总量快速上升,“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革已是大势所趋。可再生能源(如太阳能、风能、水电等)作为替代能源大规模使用却受限于其固有的间歇性、波动性与随机性;而氢是一种洁净的二次能源载体,能方便地转换成电和热,转化效率较高,有多种来源途径。采用可再生能源实现大规模制氢,通过氢气的桥接作用,既可为燃料电池提供氢源,也可绿色转化为液体燃料,从而有可能实现由化石能源顺利过渡到可再生能源的可持续循环,催生可持续发展的氢能经济。氢能作为连接可再生能源与传统化石能源的桥梁,可以为实现“氢经济”与现在或“后化石能源时代”能源系统起到桥接作用。因此,氢能作为洁净能源利用是未来能源变革的重要组成部分。

氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点,可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。从燃料电池在载人航天、水下潜艇、分布式电站获得应用以来,燃料电池一直受到各国政府和企业的关注,其研发、示范和商业化应用的资金投入不断增加。在未来煤电占比相对较低的情况下,由于风能、太阳能等可再生能源技术规模的增大,整个上游的电源结构会越来越清洁。在这种结构下,新能源汽车特别是纯电动汽车、基于电解水制氢的燃料电池汽车,排放强度会明显下降。而燃料电池汽车不同于纯电动汽车的是,它实现了上游发电和终端用电在时间上的“分离”,进而使得氢能相比于波动性较大的风能和太阳能(纯电动车技术路线)的互补能力更强。因此,发展氢能和氢燃料电池具有巨大的能源战略意义。

国外氢能与燃料电池发展现状及分析

全球范围来看,世界主要发达国家从资源、环保等角度出发,都十分看重氢能的发展,目前氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化。2017年全球燃料电池的装机量达到670兆瓦,移动类装机量455.7兆瓦,固定式装机量213.5兆瓦。截至2017年12月,全球燃料电池乘用车销售累计接近6000辆。丰田Mirai共计销售5300辆,其中美国2900辆,日本2100辆,欧洲200辆,占全球燃料电池乘用车总销量的九成以上。截至2017年年底,全球共有328座加氢站,欧洲拥有139座正在运行的加氢站,亚洲拥有118座,北美拥有68座。目前氢燃料电池及氢燃料电池汽车的研发与商业化应用在日本、美国、欧洲迅速发展,在制氢、储氢、加氢等环节持续创新。

1、美国氢能与燃料电池发展现状

美国氢能的生产和储运有Air Products、Praxair等世界先进的气体公司,并且有技术领先的质子膜纯水电解制氢公司,同时还掌握着液氢储气罐、储氢罐等核心技术。液氢方面,美国在液氢生产规模、液氢产量、价格方面都具有绝对优势。美国燃料电池乘用车和叉车保有量领先全球:丰田Mirai在美国销售了超过2900辆燃料电池汽车。美国拥有世界最大的燃料电池叉车企业Plug Power,目前已有超过2万辆燃料电池叉车,进行了超过600万次加氢操作。加氢站建设方面,目前北美分布的68座加氢站仅1座位于加拿大,其余全部分布在美国,其加州地区集中度最高。美国燃料电池汽车液氢使用量非常高,全年液氢市场需求量的14%都被用于燃料电池车。

2、日本氢能与燃料电池发展现状

日本由于资源短缺,政府对氢能和燃料电池的推广力度在世界范围内都是最大的。目前,日本在家庭用燃料电池热电联供固定电站和燃料电池汽车商业化运作方面都是最成功的。早在2014年4月制定的“第四次能源基本计划”,日本政府就明确提出了加速建设和发展“氢能社会”的战略方向。所谓“氢能社会”是指将氢能广泛应用于社会日常生活和经济产业活动之中,与电力、热力共同构成二次能源的三大支柱。据此,2014年6月,日本经济产业省制定了“氢能与燃料电池战略路线图”,提出了实现“氢能社会”目标分三步走的发展路线图:到2025年要加速推广和普及氢能利用的市场;到2030年要建立大规模氢能供给体系并实现氢燃料发电;到2040年要完成零碳氢燃料供给体系建设。截至2018年1月,日本燃料电池乘用车保有量约2000台,燃料电池大巴预计2020年增加到100台。从目前的燃料电池汽车价格、保有量和加注站数量来看,日本尚处于燃料电池汽车社会的摇篮期,预计2050年将是日本燃油汽车全面向燃料电池汽车过渡之年。

3、欧洲氢能与燃料电池发展现状

近期,欧洲燃料电池和氢能事业联合组织(FCH JU)发布了“欧洲氢能路线图”(图1)。该路线图提出了欧洲氢能未来30年的发展规划,并得到欧洲17家氢能公司和组织的支持。该报告认为,氢是欧洲能源转型的重要元素,到2050年可占最终能源需求的24%并提供540万个工作岗位。为了实现欧洲二氧化碳减排目标,必须发展氢能。对于诸如天然气网、运输(特别是重型车辆)关键部分的规模脱碳、高级燃料和化学原料需要大量使用氢气。

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图1 欧洲氢能未来市场需求

此外,氢气可以解决大规模整合可再生能源以及实现低成本季节性储能和跨区域有效清洁能源运输中的技术难题。报告认为,到2050年,氢能将在各个领域发挥重要作用,并为了实现欧洲2050年氢能产业目标,设置了短期和中期目标。报告预测,到2050年,欧洲10%—18%建筑的供暖和供电可以由氢能提供;工业中23%的高级热能可由氢能提供。报告指出,氢能的使用将带来巨大的社会、经济和环境效益。到2030年,氢能的预计部署将为欧盟公司的燃料和相关设备创造约1300亿欧元的产业;到2050年达到8200亿欧元。氢能将为欧盟工业创造一个本地市场,作为在全球氢能经济中竞争的跳板。2030年的出口潜力估计将达到700亿欧元,净出口额将达到500亿欧元。

4、韩国氢能与燃料电池发展现状

韩国在氢能和燃料电池领域也有较强的规划布局,但是其相关技术实力较欧、美、日略逊一筹。以现代等汽车企业为依托,韩国政府未来5年内用于氢燃料电池以及加氢站的补贴将达到20亿欧元。目标是到2022年为15000辆燃料电池汽车和1000辆氢气公交车提供资金。其中资助计划包括310个新的氢气加气站,政府还将制定使用法规。韩国政府于2019年1月发布“氢能经济发展路线图”,旨在大力发展氢能产业,以引领全球氢燃料电池汽车和燃料电池市场发展。

根据该路线图,韩国政府计划到2040年氢燃料电池汽车累计产量由2018年的2000余辆增至620万辆,氢燃料电池汽车充电站从现有的14个增至1200个。韩国政府表示将开始为燃料电池出租车和卡车提供补贴,到2022年燃料电池公交车数量将增加到2000辆,并预计在2021年开始用燃料电池车取代燃油警车。在固定式燃料电池方面,韩国目前的发展重点在于大型燃料电池发电站。韩国斗山集团是推动该项目建设的主体。2017年6月,该集团完成了韩国最大的氢能燃料电池发电站的建设,而该发电站的建设成本大约有3600万美元。据报道,该发电站每年可生产144台440千瓦的燃料电池系统,可以满足市场的需求。

国内氢能与燃料电池发展现状及分析

1、国内氢能产业链的结构分析

氢能产业链主要包括:氢的制取、储存、运输和应用等环节。氢既可广泛应用于传统领域,又可应用于新兴的氢能车辆(包括乘用车、商用车、物流车、叉车、轨道车等)以及氢能发电(包括热电联供分布式发电、发电储能、备用电源等)。为加快发展中国的氢能产业,依据目前的资源条件和能源产业状况,应在加强氢安全的基础上,积极推行氢源多元化及氢能多元化和规模化应用。

我国近年来每年纯度99%以上氢气的使用量约700亿立方米(约600万吨),年产值1200亿元人民币以上。目前国内发展氢能的生产方式,主要有煤制氢、天然气制氢和工业副产氢,其中工业副产氢追溯其上游一次能源主要还是煤和天然气。因此,目前国内氢能生产主要还是依靠化石能源,而电解水制氢仅占比2%—4%,占比较为有限。对于氢能的消费,国内大约90%或更多纯度99%左右的氢气都用于炼化产品生产过程中的加氢,以及合成氨、合成甲醇、石油炼化等化工领域,仅有2%—4%的氢气作为工业气体用于冶金、钢铁、电子、建材、精细化工等行业的还原气、保护气、反应气等,而在燃料电池汽车领域氢能的利用更少。总体看,目前我国具备一定的氢工业基础,但是仍然还是以工业原料为主。氢作为能源消费的市场规模依然较小。

在氢能和燃料电池发展方面,我国也一直不落后。2016年10月,中国标准化研究院资源与环境分院和中国电器工业协会发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》首次提出了我国氢能产业的发展路线图(表1)。对我国中长期加氢站和燃料电池车辆发展目标进行了规划。《中国制造2025》明确提出燃料电池汽车发展规划,更是将发展氢燃料电池提升到了战略高度。目前不论是国内的氢能技术,还是氢能产业基础,虽然都具有一定的战略规模,但是与国际最先进水平还有一定的差距。

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