鉅大LARGE | 點擊量：1880次 | 2021年11月10日
氫能及燃料動力電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和前景
氫能是一種綠色高效的二次能源，具有來源廣、燃燒熱值高、清潔無污染、可儲存、與多種能源便捷轉(zhuǎn)換等優(yōu)點，是未來清潔能源的重要組成部分。從全球看，作為重要技術(shù)創(chuàng)新方向的氫燃料動力鋰電池汽車正逐步成為氫能大規(guī)模商業(yè)化應用的重要領(lǐng)域。我國氫能發(fā)展處于示范應用初期，未來將在新能源消納、交通運輸領(lǐng)域碳減排等方面發(fā)揮重要用途。
新能源制氫技術(shù)和氫燃料動力鋰電池技術(shù)成為當前熱點
氫能是一種綠色、高效的二次能源，具有熱值較高、儲量豐富、來源多樣、應用廣泛、利用形式多等特點。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲運氫、用氫等環(huán)節(jié)。在制氫方面，2017年全球氫氣生產(chǎn)量超過6000萬噸，其中96%來自化石燃料，大部分采用天然氣和煤油制氫技術(shù);電解水制氫產(chǎn)量僅占4%，制氫成本較高，是化石燃料制氫的兩倍多，目前利用可再生能源電解水制氫已經(jīng)成為新熱點。在儲運氫方面，目前普遍采用具備高耐氫和耐壓能力的25至35兆帕儲氫罐，70兆帕處于示范應用階段。管道運輸是運氫環(huán)節(jié)的重要方式，根據(jù)麥肯錫公司數(shù)據(jù)，截至2017年年底，全球共鋪設(shè)了4284千米輸氫管道，其中美國達到2400千米，歐洲約有1500千米。在用氫方面，大部分局限在工業(yè)領(lǐng)域，重要用途是作為化工行業(yè)的原材料，其中60%用于合成氨，38%用于煉油和煤炭深加工。氫燃料動力鋰電池汽車應用規(guī)模不大，但發(fā)展快速。截至2017年年底，全球在運的氫燃料動力鋰電池汽車超過6000輛，加氫站達到286座，重要集中在美國、日本和德國。
氫能已成為許多國家能源體系的重要組成部分
氫能是一種低碳高效的清潔能源，隨著全球變暖控制步伐加快，氫能源發(fā)展存在迫切要，市場空間也十分廣闊。目前，發(fā)達國家紛紛出臺了強有力的氫能及燃料動力鋰電池扶持政策，其中力度最大、響應最積極的是日本、歐盟和美國，我國、韓國、巴西、加拿大等國家也有相關(guān)部署。
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美國是氫能發(fā)展的先行者。1970年開始布局氫能技術(shù)研發(fā)，2002年布什政府制定美國氫能發(fā)展路線圖，頒布一系列法令，加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2008年金融危機以來，奧巴馬政府減少對氫能領(lǐng)域的財政支持，轉(zhuǎn)向支持清潔能源、電動汽車等技術(shù)相對成熟、短時間內(nèi)利于經(jīng)濟復蘇的產(chǎn)業(yè)，對氫能發(fā)展帶來一定影響。2014年美國頒布《全面能源戰(zhàn)略》，重新確定氫能在交通轉(zhuǎn)型中的引領(lǐng)用途，并于2017年宣布繼續(xù)支持30個氫能項目建設(shè)，推動氫能產(chǎn)業(yè)取得顯著進展。據(jù)美國能源部統(tǒng)計，2016年美國氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了約1.6萬個就業(yè)崗位，氫燃料動力鋰電池汽車超過3500輛，加氫站達到60座。
日本著力打造氫能社會，制定了國家氫能基本戰(zhàn)略，確定至2050年氫能社會建設(shè)目標以及具體行動計劃，并計劃在東京奧運會全面采用氫能源公交車。日本政府與汽車行業(yè)生產(chǎn)商合作研發(fā)氫燃料動力鋰電池汽車，截至2017年年底，日本氫燃料動力鋰電池汽車超過2000輛，是世界上最大的氫能燃料動力鋰電池汽車市場。計劃到2020年，日本可上路的氫能燃料動力鋰電池汽車達到4萬輛，到2025年達到20萬輛，到2030年達到80萬輛。900座廣泛應用的加氫站將為這些車輛供應加氫服務。
德國漢堡市啟動了規(guī)模宏大的氫能示范應用項目——“HyCity(氫能城市)”的計劃，被稱之為“通向明天能源世界的窗口”。該計劃涵蓋了氫氣制取、運輸、儲存及燃料動力鋰電池應用的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。德國致力于開發(fā)集風力發(fā)電、電解水制氫、高壓儲氫及燃料動力鋰電池發(fā)電技術(shù)于一體的氫能應用技術(shù)，并建立多個氫能示范應用中心。例如，由ENERTRAG能源公司執(zhí)行建設(shè)的氫能示范項目——燃料動力鋰電池電站，該電站的總額定功率為700千瓦，每年可出現(xiàn)16吉瓦時的電能，可滿足4000個家庭的用電需求。
氫能的用途以及制約氫燃料動力鋰電池汽車發(fā)展的因素
未來氫能將與風能、太陽能等新能源在共同推動碳減排、助力能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要用途，成為能源系統(tǒng)中重要的組成部分。國際氫能源委員會預測2050年氫能源需求是目前的10倍，占終端能源消費量的比例超過15%，對全球二氧化碳減排量的貢獻度達到20%。
安全性和成本高是目前制約氫燃料動力鋰電池汽車發(fā)展的重要因素。從安全性看，氫燃料動力鋰電池汽車安全性不斷提高。豐田汽車公司通過裝備高強度碳纖維材質(zhì)的車載儲氫罐和高性能傳感器等，降低氫燃料泄漏導致的爆燃風險;從成本看，氫燃料動力鋰電池汽車未來具有較大成本下降空間。2016年年底，氫燃料動力鋰電池汽車的整車成本約是燃油汽車的2.1倍，是純電動汽車的1.6倍，其中燃料動力鋰電池系統(tǒng)占一半。近年來，豐田汽車公司通過技術(shù)創(chuàng)新不斷降低燃料動力鋰電池系統(tǒng)(成本約占整車的一半)催化劑鉑金屬的用量，使得氫燃料動力鋰電池汽車成本近10年來下降近80%。IEA(國際能源署)預測，到2030年、2050年，氫燃料動力鋰電池汽車成本將比目前分別下降44%和55%，接近燃油汽車成本。2030年，全球氫燃料動力鋰電池汽車將占全部汽車產(chǎn)量的3%，2050年提高到15%左右，超過3億輛氫燃料汽車投運。考慮發(fā)展階段、技術(shù)成熟、成本趨勢等因素，電動汽車仍將是未來新能源汽車的主導技術(shù)，氫燃料動力鋰電池汽車通過發(fā)揮加氫時間短、續(xù)航里程長等技術(shù)優(yōu)勢，將在公交、大巴等重型車載領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應用。
我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來氫能在我國的應用領(lǐng)域
我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于示范應用初期，與發(fā)達國家存在較大差距。2011年以來，我國相繼公布了一系列政策措施，引導并鼓勵包括氫能和燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2017年以來，我國各地方也開始出臺適合自身發(fā)展的氫能支持政策。上海2017年率先出臺燃料動力鋰電池汽車發(fā)展規(guī)劃，此后武漢和蘇州相繼公布氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。目前，我國煤化工制氫的產(chǎn)量前列，但在燃料動力鋰電池技術(shù)研發(fā)、氫能關(guān)鍵材料和裝備制造等方面相對滯后，基礎(chǔ)研發(fā)與核心技術(shù)投入不足，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體落后于發(fā)達國家。截至2017年年底，我國實際在運的氫燃料動力鋰電池汽車不足300輛，加氫站僅7座，新能源制氫項目進展緩慢。近期，國家能源投資集團公司牽頭成立我國氫能源及燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，國家電網(wǎng)、我國中車、寶武鋼鐵、我國一汽等十多家央企參與，聯(lián)盟單位超過50家，旨在加速我國氫能產(chǎn)業(yè)布局。
作為國家戰(zhàn)略性新興能源的重要組成部分，我國正在加快推動氫能開發(fā)和產(chǎn)業(yè)應用。未來我國氫能將在交通運輸減排、電能替代等方面發(fā)揮重要用途。一是與電動汽車互為補充，共同推動交通運輸領(lǐng)域碳減排。國家規(guī)劃明確2020年實現(xiàn)5000輛氫燃料動力鋰電池汽車在特定地區(qū)公共服務用車領(lǐng)域的示范應用，建成100座加氫站;2030年實現(xiàn)百萬輛氫燃料動力鋰電池汽車的商業(yè)化應用，建成1000座加氫站。二是建設(shè)氫能源發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)美國拉扎德咨詢公司統(tǒng)計，2016年氫燃料動力鋰電池發(fā)電系統(tǒng)成本為0.74至1.16元每千瓦時，已經(jīng)具備一定市場競爭力。未來在用戶側(cè)推廣應用小型氫燃料動力鋰電池分布式發(fā)電系統(tǒng)，滿足家用熱電聯(lián)供的要，推動家庭電氣化進程，促進電能替代。
(作者單位：國網(wǎng)能源研究院)
