中國工程院重大咨詢項目中國氫能源與燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略研究彭蘇萍中國工程院、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)2023年9月2氫能源與燃料電池發(fā)展的現(xiàn)狀人類的能源利用一直朝著低碳的方向在發(fā)展能源種類：生物質(zhì)煤炭石油天然氣氫能源蒸汽輪機內(nèi)燃機(燃氣輪機)燃料電池口截至2022年底，包口截至2022年底，包中國在內(nèi)的41個國2019年及以5發(fā)達國家已將氫能規(guī)劃上升到國家能源戰(zhàn)略高度5全球氫能貿(mào)易開展影響未來國際產(chǎn)業(yè)格局重塑AcademyofEngineeri大利亞、沙特等資源國正爭搶全球氫(泛氫)能源出口市場個文萊日本沙特日本阿聯(lián)酋6中國工程院國情現(xiàn)實國情現(xiàn)實口我國擁有全球最大的能源系統(tǒng)，也是最口“一大三小”(煤、油、氣、非化石能源)的能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)；非水可再生能源口推動經(jīng)濟增長模式的綠色低碳轉(zhuǎn)型不會一蹴而就，我國國情能情的特殊性決定口須依靠科技進步，走出具有中國特色的現(xiàn)實挑戰(zhàn)現(xiàn)實挑戰(zhàn)傳統(tǒng)能源逐步退出必須建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上氫能將是我國能源低碳發(fā)展的重要途徑中國工程院低碳：推動新能源資源富集地區(qū)高效開發(fā)，清潔：推動化石能源的清潔化利用，低質(zhì)廉高效：高效：實現(xiàn)各能源品種之間高效轉(zhuǎn)化的理想8氫能是未來國家能源體系的重要組成部分AcademyofEngineer電網(wǎng)2B化地活消納>2023年7月氫能進入國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)鼓勵類項目氫能將從供需兩側(cè)影響能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與供應(yīng)鏈建設(shè)中國工程院9中國工程院4氫能源與燃料電池發(fā)展的戰(zhàn)略思路占比20.2%,電解水制氫和甲醇制氫分別占比1.2%……重■111111"a靠a靠(Kwhng-H.工程院高溫固體氧化高溫固體氧化物電解制氫(SOEC)技術(shù)具有獨特優(yōu)勢，是電解制氫的重要發(fā)展方向口目前電解制氫技術(shù)主要包括：堿性(ALK)、質(zhì)子交換膜(PEM)和固體氧化物電解池(SOEC)口SOEC高溫運行(600~800℃)、電解電壓低(1.1~1.4V)、效率高、能耗低(3~4kWh/Nm2H?)口SOEC可利用各種高溫余熱，如核能或甲醇(氨)等化工合成過程，通過吸熱進一步降低電耗口SOEC可直接電解二氧化碳和水，制備甲醇、甲烷等能口美國將SOEC視為提升核電運行靈活性重要手段；歐盟將SOEC視作Powe電氣源力H經(jīng)經(jīng)酯經(jīng)濟>2023年5月，TopsoeA/S公司慶祝世界首座工業(yè)化規(guī)模的SOEC電解槽制造工廠在丹麥赫寧>2021年4月，NASA采用SOEC實現(xiàn)了利用火星大氣中的CO?制氧的計劃SOEC示范(130kW,2022)sunfire(2.6MW系統(tǒng)示范，由12個225kW模組組成)(CO產(chǎn)量96m3/h)2.2國內(nèi)外供氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)工程院AcademyofEngineeri>截止2022年底，全球共有727座在營加氫站，其中我國在營245座(建成358座),日本在營164座，韓國168座；德國96座；美國54座氨需求1700方噸]綠氫產(chǎn)能1000萬噸氨需求1700方噸]綠氫產(chǎn)能1000萬噸年供解量526方噸FCV保有80萬輛站)預(yù)期目標(biāo)持續(xù)上升加氫站5600座400億美元產(chǎn)鎮(zhèn)1400億歐元加基站900座加繁站1200座加氫站5600座400億美元產(chǎn)鎮(zhèn)1400億歐元加基站900座FCV累計生產(chǎn)620FCV累計生產(chǎn)620方輛產(chǎn)值43萬億韓元滿足24%能游需求側(cè)造540萬崗位產(chǎn)值7500億美元截至2022年底，實現(xiàn)三個“全球第一”,累計建成加氫站358座，絕對數(shù)量全球第一；新建成加氫站109座，增量全球第一；在營加氫站245座，位居全球第一2.2國內(nèi)外供氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)中國工程院我國供氫技術(shù)現(xiàn)狀35MPa加氫機整機和45MPa隔膜式壓縮機)均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，2022年以來，國內(nèi)70MPa加氫站的推國工程院2.3國內(nèi)外用氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)2.3國內(nèi)外用氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)口氫氣消費規(guī)模再創(chuàng)新高，行業(yè)和區(qū)域特征明顯。2022年，全國氫氣消費量約3,530萬噸/年，較2021年提高約63萬噸，同比增長約1.8%口化工與煉化是氫能主要消費領(lǐng)域，共計約為2851萬噸，其中細分消費應(yīng)用集中合成甲醇、合成氨等領(lǐng)域口傳統(tǒng)重工業(yè)地區(qū)是氫能主要消費地。山東、內(nèi)蒙古、陜西、山西和寧夏地區(qū)占據(jù)氫氣消費量前五**氫基化工方面，二氧化碳捕集利用一綠色甲醇一新能源材料產(chǎn)業(yè)**古赤峰，規(guī)劃年產(chǎn)152萬噸零碳工業(yè)氣體項目 氫冶金方面，內(nèi)蒙古烏海年產(chǎn)30萬噸氫基熔融還原法高純鑄造生鐵項目進入試生產(chǎn)。富氫碳循環(huán)高爐試驗項目在新疆開工。百萬噸級 氫基豎爐工程在廣東湛江奠基2.3國內(nèi)外用氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)國工程院口氫燃料電池汽車推廣力度持續(xù)提升，重型交通應(yīng)用加快試點應(yīng)用口氫燃料電池汽車推廣力度持續(xù)提升，重型交通應(yīng)用加快試點應(yīng)用。2022年，依托“燃料電池汽車示范城市群”等重大示范項目，實現(xiàn)氫燃料電池汽車保有量新增3,367輛，累計12,682輛，同比增長大功率氫能動力機車在內(nèi)蒙古完成試驗運行；國內(nèi)首艘500千瓦級內(nèi)河氫燃料電池動力工作船開建，配套船用制加一體站進入開工籌備階段熱電聯(lián)產(chǎn)加速部署截至2022年底，我國累計建成運營發(fā)電/熱電聯(lián)產(chǎn)項目達到55個，總規(guī)模超12兆瓦，同比增長118%。30%摻氫燃氣輪機燃燒完成驗證，純氫燃氣輪機示范項目逐步落地比82%;發(fā)電方式以PEMFC為主，占比81%中國工程院2017-2021不同燃料電池類型發(fā)貨量(干臺)2.3.1國內(nèi)外用氫--燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)中國工程院口氫燃料電池汽車爸國85爸國85中國3,67韓國29369量分布2.3.2國內(nèi)外用氫--燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)中國工程院口固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電國外產(chǎn)業(yè)動態(tài)>分布式及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用：BloomEnergy公司為蘋果、沃爾瑪、谷歌及可口可樂等提供數(shù)百兆瓦中國工程院2.4國內(nèi)外氫能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)(氫2.0新動向)國工程院AcademyofEngineer>氫能不利于存儲、液化成本高等難題限制了氫能遠距離輸送，全球正進入“氫2.0”時代，氫能產(chǎn)業(yè)向綠氨、綠色甲醇等“泛氫”能源方向發(fā)展>美國、日本、阿聯(lián)酋、澳大利亞等國已將“氨”納入其政府能源戰(zhàn)略，根據(jù)日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省公布的數(shù)據(jù),到2030年，日本的發(fā)電用燃料中氫和氨將各占10%>中國作為傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)大國，在綠氨生產(chǎn)和氨能利用方面正在積極發(fā)力>“氫經(jīng)濟”與“甲醇經(jīng)濟”是能源革命的重要組成部分，諾獎得主喬治·奧拉提出“甲醇經(jīng)濟”,消納吸收CO?,耦合可再生能源與化工，構(gòu)建綠色化工體系項目液氫甲醇液氨2.4國內(nèi)外氫能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)中國工程院口新興領(lǐng)域：綠氨口新興領(lǐng)域：綠色甲醇 2.4國內(nèi)外氫能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)中國工程院口新興領(lǐng)域：天然氣管網(wǎng)摻氫·國際上從2000年初開始相關(guān)的應(yīng)用示范研究，歐盟、美國、日本、加拿大等均開展了示范。截至2020年，全球共有40多個示范工程，每年有2900噸氫氣摻入天然氣管網(wǎng)·英國天然氣管網(wǎng)計劃從2023年開始，在全國范圍內(nèi)供應(yīng)混合氫氣的天然氣，摻氫比例為20%·處于運行階段的示范性項目有2個，摻氫比為10%,處于施工階段的摻氫示范性項目有3個，近日·在湖北荊門，國家電投的在運燃機機組近日成功實現(xiàn)30%摻氫燃燒改造和運行，這標(biāo)志著國內(nèi)已工程院口新興領(lǐng)域：氫(氨)儲能>我國氫儲能起步較晚，在2019年之前多處于實驗室研發(fā)階段>2019年8月，我國首個MW級氫儲能項目——安徽省六安市1MW分布式氫能綜合利用站電網(wǎng)調(diào)峰示范項目成功簽約，2022年7月6日順利投運>2021年1月29日，國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》,將項目名稱安徽六安1WM分布式氫施綜合利用站張家口200MW/800MWh氨儲能發(fā)電項目中國工程院3氫能源與燃料電池發(fā)展定位與差距 《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》2021年 《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》2021年2019年2006至2014年十國工程院口口2022年3月，我國氫能產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》正式出臺，明確截至2022年底，中國已發(fā)截至2022年底，中國已發(fā)布氫能相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)102項、域空白。期規(guī)劃(20212035年))各地加氣站主管部各地加氣站主管部門中國工程院張家口張家口并開展海上風(fēng)電制氫試點。島海、濟南等島海、濟南等中國26個省(區(qū)、市)公開發(fā)布氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)專項政策316項3.我國發(fā)展氫能源與燃料電池發(fā)展定位與差距中國工程院央企強企加快氫能產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)布局占比約49%50國家能源集團國華投資公司(氫能公司)率先打造風(fēng)光氫儲融專業(yè)化運營平臺霞本域感度氫能產(chǎn)業(yè)鏈55項細分技術(shù)中60%現(xiàn)存挑戰(zhàn)工程院霞本域感度氫能產(chǎn)業(yè)鏈55項細分技術(shù)中60%現(xiàn)存挑戰(zhàn)mmwR體瞬瞬車順中車順峰洋納科技部針對氫能領(lǐng)域及子領(lǐng)域涉及技術(shù)梳理提出55項細科技部針對氫能領(lǐng)域及子領(lǐng)域涉及技術(shù)梳理提出55項細分技術(shù)方向，中國有2項技術(shù)處于領(lǐng)跑，有19項技術(shù)處于井跑，其他處于跟跑。以車載三型瓶、燃料電池系統(tǒng)、空壓機、雙極板為代表的5項技術(shù)快速縮小國家發(fā)展改革委采用“揭榜掛帥”裝備攻關(guān)?！笆奈濉币褜⒎軐ｍ梿瘟校俊笆奈濉币褜⒎軐ｍ梿瘟?，每5億元年中央財政資金支持力度在5個億2.PEM制氫裝備產(chǎn)業(yè)已形成產(chǎn)線，相關(guān)零部件國產(chǎn)化率需加強3.AEM2.PEM制氫裝備產(chǎn)業(yè)已形成產(chǎn)線，相關(guān)零部件國產(chǎn)化率需加強3.AEM電解水裝備尚未實現(xiàn)商業(yè)化，裝置研發(fā)與降低成本為主要方4.SOEC電解水裝備尚未實現(xiàn)規(guī)模化，提升耐久性是目前的首要問題1.高效、長壽命ALK水電解制筆位術(shù)(-2025年)關(guān)鍵材料與組件設(shè)畜集成可再生能源璃合當(dāng)前我國電解槽技術(shù)路線以ALK和PEM為主：3.我國發(fā)展氫能源與燃料電池發(fā)展定位與差距中國工程院(1)制氫環(huán)節(jié)部分技術(shù)達到國際先進水平1.ALK制氫裝備產(chǎn)業(yè)較為成熟，技術(shù)方面需提升關(guān)鍵材料及組件性電額水設(shè)備-51500/kW電解水設(shè)備5200-300/kW卷命>10年2、高效。長壽命、低設(shè)備成本SPE水電解制氫接術(shù)(-2030年)①高效低成本MW關(guān)鍵材料與組件設(shè)備集成級SPE制氧系統(tǒng))制胞技術(shù)與示范(-2030年)③可再生能源制氫場景下高效，長海命SPE國工程院AcademyofEngineeri(2)儲運環(huán)節(jié)技術(shù)水平與國外相比差距較大口當(dāng)前我國氫儲運技術(shù)以20兆帕高壓長管拖車輸運為主，已具備30兆帕技術(shù)推廣能力；液氫和管網(wǎng)相70兆帕/液氫加氫站70兆帕/液氫加氫站(3)加氫環(huán)節(jié)具備技術(shù)與裝備集成能力但仍有差距35兆帕加氫站35兆帕加氫站證及優(yōu)化(4)應(yīng)用環(huán)節(jié)氫燃料電池等用氫裝備技術(shù)不斷突破我國已初步掌握了質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料及電堆的核心技術(shù)和生產(chǎn)制造工藝，但規(guī)?；?、批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈還未完全形成。我國主流氫燃料電池產(chǎn)品的功率已超過200干瓦，使用壽命大于20,000小時，系統(tǒng)成國內(nèi)外均處于研發(fā)示范階段，但國外具備一定的先發(fā)優(yōu)勢，已經(jīng)開展中試實驗，我國處于基礎(chǔ)研發(fā)跟跑階段煤摻氨混燃技術(shù)：國家能源集團實現(xiàn)40兆瓦等級燃煤鍋爐氨混燃比例為35%的中試驗證，但仍處于研發(fā)示范階段，短期內(nèi)較難實現(xiàn)商業(yè)化●摻氫/純氫燃機我國摻氫燃氣輪機成功實現(xiàn)30%摻氫燃燒改造并已完成可靠性驗證；純氫燃汽輪機即將開啟示范運行**氫能領(lǐng)的者行動標(biāo)準(zhǔn)體屬文離研電等家填該足冊402電解質(zhì)戶工程院(5)氫能生態(tài)質(zhì)量服務(wù)體系開始建設(shè)口氫質(zhì)量、氫檢測認證等公共服務(wù)以及氫安全方面標(biāo)準(zhǔn)制定可打造高質(zhì)量氫能生態(tài)體系口氫能數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)字化運營助力氫燃料汽車、加氫站、儲運氫管理，通過建設(shè)信息化平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)賦能氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中國氫能聯(lián)盟同中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院深入合作，構(gòu)建氫能領(lǐng)跑者行動標(biāo)準(zhǔn)體系，搭建中國首個氫能關(guān)鍵技數(shù)字氫能數(shù)字氫能氫能領(lǐng)跑者行動標(biāo)準(zhǔn)體系中國工程院育本力度中國工程院國工程院口可再生氫是助力我國能源消費體系綠色低碳轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)新時代我國能源安全保障的重要支撐，也是未來重塑地緣政治格局的可能推動力口2030年可再生氫裝機有望達到100GW——綜合考慮了碳中和情景下我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型以及國家氫能的年需求量將增加至近1.3億噸左右，在終端能源消費中占比20%。其中，可再生能源制氫有望在整個氫能需求中占比超過80%國工程院口當(dāng)前已規(guī)劃建設(shè)的示范項目呈現(xiàn)數(shù)量多、規(guī)模小、同質(zhì)化的特征，實證研究與扎實工程化示范基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)化支撐水平和力度尚有不足口需統(tǒng)籌資源和產(chǎn)業(yè)布局，加強可再生氫氨項目差異化、精準(zhǔn)化部署，注重項目成果轉(zhuǎn)化及商業(yè)化潛力，推動工程化示范，開展自主化技術(shù)先行先試，降低產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本煤化工國工程院煤化工AcademyofEngineeri電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電都市住宅電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電都市住宅調(diào)峰發(fā)電黛調(diào)峰發(fā)電黛制氫繼級理繼級理氫網(wǎng)說說煤層氣氣化煤氣冷卻國工程院氣化煤氣冷卻整體煤氣化燃料電池發(fā)電(IGFC)可以提高煤氣化發(fā)電效率，降低CO,捕集成本，同時實現(xiàn)CO?及污染物近零排放，是煤炭發(fā)電的根本性變革技術(shù)震高溫燃料電池變換-CO高溫燃料電池變換-CO載回載回空氣一解池空氣一解池化工產(chǎn)品綠氨產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)工程院綠氨產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)綠氮(3H)氣化爐中國工程院(4)氫燃料重卡等領(lǐng)域應(yīng)用>重卡使用場景對動力/續(xù)航能力要求較高>在機車領(lǐng)域，調(diào)車機車、鐵路專用線機車、支線機車目前還都是內(nèi)燃機車，與之相比，氫燃料中國工程院(5)氫燃料電池船舶應(yīng)用到2050年將航運業(yè)的CO?排放量比2008年減少50%,氫能船舶是氫燃料電池示范“風(fēng)口”,我國交通部提出推廣燃料電池等動力船舶，推進氫中國首張船用一科電產(chǎn)品型式認可證節(jié)3.戰(zhàn)略目標(biāo)國工程院(1)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)*完善我國可再生能源制氫技術(shù)鏈，建立綠色制氫試點示范項目，形成綠氫大規(guī)模制備的成熟可靠技術(shù)體系*建成天然氣摻氫和綠色合成氨示范工程，推進綠色甲醇和綠色冶金工程化示范研究*煤制氫成本10元/kg以下(煤價相關(guān)),電解制氫成本20元/kg以下政策引導(dǎo)局部示范導(dǎo)入期 *建立完善的氫能儲運、供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模氫能儲運技術(shù)取得突破，基本建立以可再生能源制氫為主體、工業(yè)副產(chǎn)氫等為輔的多元低成本氫能供應(yīng)體系*低成本綠氫在天然氣摻氫、合成氨、石油煉化和氫冶金領(lǐng)域的市場規(guī)模持續(xù)擴大，綠色甲醇技術(shù)逐步開展工業(yè)化示范*電解制氫成本10元/kg以下市場驅(qū)動商業(yè)模式培育期*形成高效低碳的氫能供給網(wǎng)絡(luò)，市場引領(lǐng)、價格調(diào)節(jié)、體制機制科學(xué)健全的高質(zhì)量發(fā)展格局*以可再生能源制氫為絕對主體，各地根據(jù)資源與工業(yè)的發(fā)展情況，因地制宜地選擇供氫方案多相態(tài)、多渠道氫能輸運網(wǎng)絡(luò)體系逐步形成。*電解制氫成本7元/kg以下產(chǎn)業(yè)生態(tài)綠色智慧成熟期(2)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)：PEM發(fā)電及制氫小于0.2mg/cm2;建立燃料電池汽車完整產(chǎn)業(yè)鏈，滿足100萬輛以上燃料電池車需求，實現(xiàn)高溫工程院(3)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)：SOFC/SOEC國工程院(1)未來產(chǎn)業(yè)布局將以區(qū)域為主實