積極推進氫能科技研發(fā)應用

為構建清潔低碳安全高效能源體系提供有力支撐

規(guī)劃編制氫能專業(yè)組

氫能是一種來源廣泛、清潔低碳的能源載體，是打破現(xiàn)有能源領域行業(yè)板塊壁壘、實現(xiàn)不同能源形式之間深度融合的關鍵媒介。在高比例可再生能源系統(tǒng)中，一方面，由可再生能源制得的氫是替代油氣資源應用于交通和工業(yè)領域的重要燃料或原料；另一方面，電-氫雙向轉(zhuǎn)換的靈活性特征為氫能與電能在能源領域互補應用提供了重要基礎。

《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）充分聚焦氫的能源屬性，注重引導發(fā)揮氫能連接可再生能源及多元化終端用能需求的重要樞紐作用，充分體現(xiàn)氫能在構建清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系中的重要價值。《規(guī)劃》基于我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展對氫能的定位及需求，結(jié)合當前我國氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術發(fā)展現(xiàn)狀，圍繞氫氣制備、氫氣儲運、氫氣加注、燃料電池、氫安全及品質(zhì)保障等方面進行重點任務的部署，確定了3項集中攻關和3項示范試驗，并制定了技術路線圖。

一、國際氫能技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

制氫技術方面，當前化石能源制氫仍然是全球氫氣供應的主要來源，但是在全球能源轉(zhuǎn)型加速的趨勢下，提高可再生能源開發(fā)利用水平、降低化石能源消費總量是永恒的主題。電解水制氫及其他與可再生能源結(jié)合的制氫技術為可再生能源跨時間、跨空間輸送和利用提供了重要途徑，使可再生能源以不同能源形式應用于能源各行業(yè)成為可能。國際上，美國、歐洲、日本等氫能主要國家和地區(qū)已經(jīng)建成投運的可再生能源電解水制氫項目均采用堿性電解水制氫技術或質(zhì)子交換膜電解水制氫技術。其中，由于質(zhì)子交換膜電解水制氫具有啟停快、動態(tài)響應迅速的技術優(yōu)勢，更加適用于具有波動性、間歇性和隨機性特征的新能源發(fā)電場景，國外大多采用質(zhì)子交換膜電解水制氫技術作為可再生能源電解水制氫技術路線，已經(jīng)投運的質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置規(guī)模達到10MW級，正在開展100MW電解設備的研究工作。同時，依托已經(jīng)開展的多個可再生能源電解水制氫項目，歐洲、美國主要地區(qū)和國家對可再生能源功率控制、氫儲能、系統(tǒng)優(yōu)化整合等可再生能源電解水制氫集成技術進行了廣泛研究。高溫固體氧化物電解水制氫尚處于研發(fā)階段，美國、日本和韓國等國家正在進行電解池材料向電堆集成、系統(tǒng)集成研發(fā)的相關研究工作。

氫氣儲運方面，國際上，氣態(tài)儲運技術方面，運輸用高壓儲氫工作壓力已經(jīng)提升至30～40MPa，英國、意大利、德國、法國和荷蘭等歐洲多國已經(jīng)開展了天然氣管道摻氫技術研究及示范，摻氫比例范圍2%～20%，摻氫量最大達到285Nm³/h，此外，國外氫氣長輸管道設計建設技術整體成熟，且已經(jīng)建成多個純氫輸送管道，總里程超過4600公里；液態(tài)儲運技術方面，國際上低溫液態(tài)儲運技術已實現(xiàn)氫液化能力超30噸/天，體積最高達3800m³的球形液氫儲罐，并在大型儲罐系統(tǒng)基礎上將其應用于車載、船舶等；固態(tài)儲運技術方面，國際上已開發(fā)出儲氫容量1000m³、體積儲氫密度約38kg/m³的稀土系合金低壓儲氫裝置，在車載系統(tǒng)和固定式儲氫領域均有突破。

燃料電池方面，國際上，質(zhì)子交換膜燃料電池技術主要應用于備用電源和家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，日本能源農(nóng)場（ENE-FARM）項目生產(chǎn)的以天然氣為燃料的0.7～2kW燃料電池系統(tǒng)，總效率達到90%以上；固體氧化物燃料電池技術方面，已經(jīng)形成了以美國、日本為領先，歐洲、韓國緊隨其后的格局，部分領先技術已經(jīng)實現(xiàn)了初步的產(chǎn)業(yè)化。美國已經(jīng)實現(xiàn)了商用分布式固體氧化燃料電池的推廣應用，系統(tǒng)效率53%～65%，功率等級200kW～300kW，日本在能源農(nóng)場（ENE-FARM）采用的是700W 固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，發(fā)電效率達53.5%，綜合效率為87%；熔融碳酸鹽燃料電池技術方面，美國在開發(fā)和研究以天然氣為燃料的燃料電池-燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)，開發(fā)了300kW～2.8MW等級的熔融碳酸鹽燃料電池商業(yè)化產(chǎn)品，發(fā)電效率大于47%；韓國已經(jīng)在13個地區(qū)建造了18個熔融碳酸鹽燃料電池電站，總裝機容量達到140MW，其中最大的熔融碳酸鹽燃料電池電站功率達到59MW。

氫氣加注方面，國際上，美國、日本、歐洲90%以上加氫站具有70MPa加氫能力，已經(jīng)建成液氫加氫站并實現(xiàn)商業(yè)化運行，美國45MPa壓縮機單缸排量超750Nm³/h，90MPa壓縮機兩級壓縮排量達560Nm³/h以上，全負荷、高可靠運行技術完備。

氫氣安全防控及氫氣品質(zhì)保障方面，國際上，在氫氣安全方面，國外對高壓氫氣泄漏、燃爆風險評估及防控方面研究較早，以大尺度氫氣燃燒噴射火焰及爆炸相關實驗為基礎開發(fā)了評估軟件，構建了氫安全事故數(shù)據(jù)庫；采用相同的分立傳感器組成檢測陣列進行氫氣泄漏檢測，實現(xiàn)極端環(huán)境使用和快速檢測；開發(fā)了氫脆測試裝置；發(fā)布了固態(tài)儲氫系統(tǒng)安全檢測標準；形成了制氫設備、燃料電池檢測技術和認證體系。在氫氣品質(zhì)保障方面，開展了氫氣中微量雜質(zhì)分析檢測和加氫站內(nèi)雜質(zhì)遷移規(guī)律等研究，提出了燃料電車用氫氣全周期品質(zhì)保障的理念。

二、我國氫能技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

氫氣制備方面，“十三五”期間，我國電解水制氫技術已經(jīng)由試驗示范進入商業(yè)化示范的初步階段。在堿性電解水制氫方面，已經(jīng)建成多個可再生能源與堿性電解水制氫系統(tǒng)結(jié)合的示范裝置，單機最大容量達到1000Nm³/h，氫生產(chǎn)能力1752×104Nm³/年；質(zhì)子交換膜電解水制氫方面，單機制氫能力已經(jīng)達到0.5～50Nm³/h；高溫固體氧化物電解水制氫方面，已經(jīng)實現(xiàn)了千瓦級高溫電解水蒸氣制氫系統(tǒng)集成；太陽能(7.160, 0.04, 0.56%)光催化制氫技術、熱化學循環(huán)分解水制氫技術等先進可再生能源制氫技術已經(jīng)開展實驗室級別或中試級別的試驗研究工作。

氫氣儲運方面，我國氫資源中心和氫負荷中心呈現(xiàn)逆向分布，規(guī)模化、大容量氫儲運技術是提高氫能在終端能源消費占比的重要前提。同時，由于氫能是一種靈活多元且具有物質(zhì)形態(tài)的二次能源，適合因地制宜作為長周期、跨季節(jié)儲能形式進行布局，因此，大規(guī)模儲氫對保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。“十三五”期間，氣態(tài)儲運技術方面，我國已經(jīng)研制出87.5Mpa鋼質(zhì)碳纖維纏繞高壓大容積加氫站用固定式儲氫瓶，運輸用高壓儲氫工作壓力在20Mpa等級，已建成電解水制氫～摻氫量10%的天然氣摻氫管道示范工程；液態(tài)儲運技術方面，我國航天及軍事領域已經(jīng)具備液氫貯罐的自行研制能力，具備1.5～5噸/天氫液化系統(tǒng)設計制造能力，已經(jīng)完成針對引進國外5噸/天以上的氫液化工藝包進行國產(chǎn)適應性優(yōu)化，正在開展有機液體規(guī)模化加氫與運氫示范；固態(tài)儲運技術方面，開展了kW級風電制氫、15kg固態(tài)車載儲氫系統(tǒng)示范應用。

燃料電池方面，在國家和地方產(chǎn)業(yè)政策的支持和鼓勵下，燃料電池技術尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池在交通領域的應用得到快速推廣，蓬勃發(fā)展。隨著我國能源結(jié)構調(diào)整步伐加快，燃料電池清潔低碳、無污染、綜合能源利用效率高的特點使其適合成為多元化供能的主體，從而在提高能源效率、推動終端用能清潔化、低碳化方面發(fā)揮不可替代的作用。“十三五”期間，質(zhì)子交換膜燃料電池技術方面，我國已經(jīng)突破了10kW級質(zhì)子交換膜燃料電池分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供關鍵技術并實現(xiàn)示范應用，電堆實測壽命達到9500小時，實現(xiàn)了5kW燃料電池備用電源系統(tǒng)商業(yè)化生產(chǎn)，燃料效率≥50%；固體氧化物燃料電池技術方面，實現(xiàn)了10kW級的分布式發(fā)電系統(tǒng)及5kW級熱電聯(lián)供系統(tǒng)示范，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率達到80%以上，自主設計并建設了10kW級（2個5kW模塊）整體煤氣化燃料電池（IGFC）發(fā)電系統(tǒng)及CO?近零排放工程示范，實現(xiàn)燃料利用率84.5%，發(fā)電效率53.3%；熔融碳酸鹽燃料電池技術中，完成了10kW～20kW以純氫為燃料的發(fā)電系統(tǒng)的試驗運行，初步具備了由實驗室走向中試規(guī)模的條件。

氫氣加注方面，我國建成加氫站數(shù)量已經(jīng)躍居世界第二，但加氫站關鍵裝備如加氫機、壓縮機等核心技術仍然面臨受制于人的局面。提高加氫關鍵技術裝備國產(chǎn)化水平的重要意義在于：一是提高能源產(chǎn)業(yè)鏈安全穩(wěn)定水平，二是夯實我國氫能規(guī)模化發(fā)展的關鍵基礎，三是為氫能關鍵裝備“走出去”提供重要技術保障。“十三五”期間，我國已經(jīng)建成的加氫站以35MPa氣態(tài)加氫站為主流，我國已經(jīng)具備35MPa和70MPa等級氣態(tài)加氫站的集成設計能力。在35MPa加氫站技術方面，開發(fā)了基于國產(chǎn)III型儲氫瓶的快速加氫控制技術，國產(chǎn)壓縮機在加氫站實現(xiàn)應用；在70MPa加氫站技術方面，我國正在開展70Mpa加氫站關鍵技術和壓縮機、加氫機關鍵裝備的技術攻關工作。

氫安全防控及品質(zhì)保障是氫能健康、有序、快速發(fā)展的重要保證。氫具有分子量小、點火能低、燃爆范圍寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤烊菀装l(fā)生爆轟、高壓高純氫與材料相容性等特性，使得氫能各環(huán)節(jié)應用的安全問題都不容忽視，氫能安全利用是氫能大規(guī)模推廣應用的重要前提。氫氣品質(zhì)保障是保證氫能利用各環(huán)節(jié)關鍵技術裝備的壽命、能效、避免設備故障的重要方面，隨著我國氫能步入商業(yè)化應用階段，氫氣全周期品質(zhì)保障技術方面的研究和技術儲備的重要性逐漸凸顯。“十三五”期間，我國在氫氣安全和品質(zhì)保障方面進行了大量基礎科學研究。在安全防控方面，已經(jīng)進行了不同應用場景的氫氣擴散、液氫的泄漏、燃燒及爆炸的理論研究，建立了高壓臨氫部件及儲氫瓶測試試驗平臺，初步具備臨氫部件及儲氫瓶測試能力，進行了制氫設備安全監(jiān)測體系研究和氫氣泄漏爆炸及其防控技術的研究。在品質(zhì)保障方面，我國尚處于技術跟蹤階段，正在建立快速檢測、品質(zhì)管控技術儲備。

三、“十四五”重點突破的技術方向及發(fā)展目標

氫氣制備方面，現(xiàn)階段，我國堿性電解水制氫技術已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，掌握了大型化單槽制造技術，處于國際領先水平。質(zhì)子交換膜電解水制氫技術中，隔膜、電極及催化劑等關鍵技術裝備尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化，與國際先進水平存在一定的差距。高溫固體氧化物電解制氫、太陽能光解水制氫等其他可再生能源制氫技術大體與國際研究階段同步。“十四五”期間，應對質(zhì)子交換膜電解水制氫技術、高溫固體氧化物電解制氫技術、太陽能光解水等新型制氫技術的關鍵材料、技術裝備進行集中攻關，提供綠色低碳氫源的重要保障基礎。可再生能源電解水制氫集成技術方面，我國尚未有兆瓦級可再生能源電解槽長時間運行經(jīng)驗，缺乏功率控制、動態(tài)響應、控制策略等方面的研究及實際運行。“十四五”期間，應結(jié)合不同制氫技術適用場景，鼓勵開展可再生能源制氫綜合能源系統(tǒng)關鍵技術應用、集成設計優(yōu)化、協(xié)同耦合調(diào)控的示范試驗，力爭到2025年實現(xiàn)可再生能源-氫能綜合系統(tǒng)工程應用。

氫氣儲運方面，我國在固定式高壓儲氫技術方面處于國際先進水平，需要進一步提高輸運用高壓氣態(tài)儲氫的儲氫密度和單車運氫量；在天然氣管道摻氫、純氫管道輸運技術和工程示范等方面與國外主要國家存在差距；低溫液態(tài)儲運技術在核心設備和部件大型化、集成應用規(guī)模化等方面存在差距，有機液氫技術、固態(tài)儲氫技術處于小規(guī)模示范試驗階段，總體與國際保持同步水平。針對我國在氫儲運技術方面存在的差距與不足，“十四五”期間，應鼓勵突破自主化氫氣儲運關鍵技術，在50MPa氣態(tài)運輸用儲氫技術、低溫液氫儲運技術、固態(tài)氫儲運技術及有機液體氫儲運技術等方面部署了關鍵技術裝備集中攻關重點任務；針對適用于規(guī)模化氫儲運的純氫/摻氫天然氣管道輸送及氫液化技術開展示范試驗，力爭到2025年建成摻氫比例3%～20%，最大摻氫量200Nm³/h的摻氫天然氣管道示范項目。

燃料電池方面，我國的燃料電池技術在能源領域的技術儲備和工程應用相對薄弱。部分電堆材料、核心部件研發(fā)應用已經(jīng)取得了顯著進展，但尚未經(jīng)過長時間工程驗證。此外，在熱交換器、預重整器等輔機裝備，電堆集成設計優(yōu)化，系統(tǒng)長期運行性能保證及可靠性等三方面仍然有待進一步開展攻關和示范研究。“十四五”期間，應針對能源領域應用場景，以進一步提高燃料電池技術成熟度、優(yōu)化設計結(jié)構、積累運行經(jīng)驗、推廣先進工程應用為目的，開展不同燃料電池本體技術的集中攻關和集成設計優(yōu)化，推動燃料電池向大規(guī)模、高效率方向發(fā)展并實現(xiàn)固定式發(fā)電、分布式功能等應用，力爭到2025年實現(xiàn)固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示范。

氫氣加注方面，我國在加氫站關鍵技術方面與國際存在一定差距。雖然在35MPa等級加氫關鍵裝備方面已經(jīng)取得了一定的突破，但可靠性及耐久性需要進一步驗證和提高，且國際上主流建設的70MPa等級加氫站關鍵技術裝備方面，我國處于研發(fā)階段，尚未實現(xiàn)工程應用。“十四五”期間，應針對我國在35MPa和70MPa等級加氫站關鍵裝備尚存在短板的問題，部署70MPa加氫機、滿足35MPa/70Mpa等級加氫站的壓縮機、涉及性能評價和控制技術、加氫裝備核心零部件的示范試驗，旨在以示范工程推動國產(chǎn)化技術水平的提高，力爭到2025年實現(xiàn)加氫站關鍵部件國產(chǎn)化。

氫安全防控及氫氣品質(zhì)保障方面，我國在氫氣泄漏檢測、安全測試評價、檢測試驗能力等方面均與國外存在較大差距。針對這一問題，“十四五”期間，應開展臨氫環(huán)境下臨氫材料和零部件氫泄漏檢測及危險性試驗研究，氫氣燃燒事故防控與應急處置技術裝備研究；在氫氣品質(zhì)保障方面，考慮到未來一段時期內(nèi)，副產(chǎn)氫仍然是我國主要的氫源，“十四五”期間，應鼓勵開展工業(yè)副產(chǎn)氫純化關鍵技術研究。

四、氫能科技發(fā)展展望

氫能技術是近年來被廣泛關注的戰(zhàn)略性新興能源技術，氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋制、儲、運、用四個環(huán)節(jié)。積極推動氫能技術研發(fā)應用，一是符合我國能源轉(zhuǎn)型的必然要求，二是對協(xié)同帶動能源全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、強鏈延鏈具有重要意義。未來應持續(xù)推動氫能制、儲、運、用全產(chǎn)業(yè)鏈技術創(chuàng)新，協(xié)同推動上下游產(chǎn)業(yè)鏈共同發(fā)展：一是聚焦氫氣制備關鍵技術，突破適用于可再生能源電解水制氫的各類電解水制氫關鍵技術，推動多能互補可再生能源制氫集成關鍵技術研發(fā)應用，開展多應用場景可再生能源-氫能的綜合能源系統(tǒng)示范；二是聚焦氫氣儲運技術，開展氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)氫儲運關鍵技術研究，開展摻氫/純氫天然氣管道及輸送關鍵設備安全可靠性研究，研發(fā)規(guī)模化氫存儲示范裝置；三是聚焦燃料電池設備及系統(tǒng)集成關鍵技術，開展高性能、長壽命不同技術路線的燃料電池技術研究，開展多場景下燃料電池固定式及分布式功能示范應用。