科技發(fā)展與新能源技術

匯報提綱1三、氫能發(fā)展形勢四、氫能技術一、能源科技發(fā)展二、新能源技術概覽一、能源科技的發(fā)展2一、能源科技的發(fā)展3服務人類能源能源科技能源科技的范圍能源科技進步的動力能源科技進步的方向世界能源科技中國能源科技一、能源科技的發(fā)展41.能源科技的范圍能源的開采1能源開采技術的發(fā)展是能源結構更新?lián)Q代的前提2開采技術的發(fā)展，使化石能源的儲備增多，同時開采成本降低。3“非常規(guī)”能源是未來開采技術的發(fā)展方向一、能源科技的發(fā)展51.能源科技的范圍能源的轉化和利用電能電能替代進程迅速發(fā)電技術的發(fā)展方向：高效粉煤燃燒技術的推廣應用流化床燃燒技術。天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術（NGCC）整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術（IGCC）熱電聯(lián)合技術可再生能源發(fā)電技術氫能氫能潛力大，起步階段1繼續(xù)降低內(nèi)燃機能耗和碳排放的技術。2新能源汽車技術，用其他能源形式替代內(nèi)燃機，從本質(zhì)上改變交通工具的用能方式。25%的能源用于交通領域，主要體現(xiàn)在：一、能源科技的發(fā)展62.能源科技進步的動力1滿足自然資源限制2應對全球氣候變暖和溫室氣體排放問題3其他領域新技術的推廣使用電子計算機自動化和人工智能技術儲能技術新型材料技術一、能源科技的發(fā)展73.能源科技進步的方向1安全、有效、可持續(xù)的為人類提供更多的能源2能源利用從低效到高效OIL&GASWINDMILLNUCLEARHYDROGOALSOLAR匯報提綱8三、氫能發(fā)展形勢四、氫能技術一、能源科技發(fā)展二、新能源技術概覽二、

新能源技術概覽核能9核能技術核電技術可控核聚變技術核能供熱反應堆技術第三代EPR/AP1000/EDF等第一代試驗性和原型反應堆第二代重水堆、壓水堆、沸水堆等第四代鉛冷快堆、鈉冷快堆、氣冷快堆等EAST托卡馬克裝置ITER國際熱核聚變實驗堆后處理技術中間貯存技術最終處置庫技術高放核廢料處理技術模塊式反應堆技術核燃料和核反應堆技術核能制氫技術核能海水淡化技術二、

新能源技術概覽太陽能10太陽能技術光化利用光電利用光熱利用光熱發(fā)電光伏發(fā)電太陽能電池技術系統(tǒng)組件技術并網(wǎng)系統(tǒng)技術光伏建筑一體化槽式、蝶式、塔式、菲涅爾式太陽能集熱器型式太陽能熱利用形式太陽能儲熱技術太陽能海水淡化技術太陽能熱化學制氫技術太陽能微藻技術太陽能光熱利用與石油化工的結合光電化學作用光敏化學作用光分解光合作用目前太陽能電池多用晶硅材料晶硅材料占主體地位生產(chǎn)成本低、輕型化、耗材少、弱光響應良好薄膜材料是發(fā)展趨勢產(chǎn)業(yè)體系基本建立，但仍受本質(zhì)不穩(wěn)定性影響城市并網(wǎng)與獨立離網(wǎng)前景巨大橫跨建筑/光伏，挑戰(zhàn)與機遇并存光伏器件與建筑的集成二、

新能源技術概覽風能風能技術風電場群技術風電設備分散式風電整機技術其他關鍵零部件低風速風電機組技術分散式風電應用場景分散式風電工業(yè)化非并網(wǎng)應用葉片技術單機容量功率調(diào)節(jié)方式傳動鏈結構垂直軸風力機海上風電機組葉片材料技術葉片設計技術發(fā)電機、變流器、軸承、塔架等二、

新能源技術概覽生物質(zhì)能生物質(zhì)能技術生物沼氣生物質(zhì)發(fā)電燃料乙醇畜禽糞便生產(chǎn)沼氣秸稈發(fā)酵制沼氣垃圾填埋生產(chǎn)沼氣工業(yè)有機廢水制沼氣沼渣沼液利用技術沼氣提純技術垃圾發(fā)電直接燃燒發(fā)電混合燃燒發(fā)電沼氣發(fā)電以合成氣為原料的生物法制乙醇木薯/紅薯燃料乙醇甜高粱燃料乙醇微藻燃料乙醇纖維素燃料乙醇生物質(zhì)固體成型燃料生物柴油生物航煤第三代生物柴油技術—氣體合成第一代生物柴油技術—酯交換第二代生物柴油技術—催化加氫藻類生物柴油工藝技術油脂加氫技術其他技術生物質(zhì)氣化-費托合成技術生物質(zhì)水相催化合成技術生物質(zhì)熱裂解催化裂解技術生物異丁醇轉化技術生物質(zhì)制氫生物質(zhì)氣化二、

新能源技術概覽氫能氫能技術氫能應用氫能制備氫能儲運天然氣蒸汽轉化制氫重油制氫煤焦化/氣化制氫甲醇水蒸氣轉化制氫電解水制氫副產(chǎn)氫新能源制氫高壓儲氫液氫儲存有機液態(tài)載體儲氫儲氫材料低溫燃料電池高溫燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池磷酸燃料電池堿性燃料電池小型蒸汽轉化制氫氫燃料站設計氫氣長輸管道工程服務二、

新能源技術概覽儲能儲能技術電化學儲能機械儲能電磁儲能抽水儲能超導儲能鋰離子電池鈉硫電池液流電池壓縮空氣儲能負極材料正極材料隔膜鉛酸電池超級電容器石墨烯電解液全釩氧化還原液流電池匯報提綱15三、氫能發(fā)展形勢四、氫能技術一、能源科技發(fā)展二、新能源技術概覽三、氫能發(fā)展形勢1.什么是氫能Source:IEA201916三、氫能發(fā)展形勢1.什么是氫能Source:BPEnergyOutlook2020氫能源發(fā)展歷程：氫氣從工業(yè)氣體到二次能源轉變能源是可以直接或經(jīng)轉換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源——能源百科全書2020年，國家能源法征求意見稿中首次將氫能列為“能源”。17三、氫能發(fā)展形勢1.什么是氫能18燃料電池燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。中科院為代表的新源動力清華為代表的億華通上海交大、同濟大學為代表的全柴動力引進外資技術合作和開發(fā)為代表的濰柴動力自身研發(fā)如東方電氣三、氫能發(fā)展形勢1.什么是氫能2020年12月9日，豐田宣布第二代Mirai正式上市，在電機動力輸出功率上有所提升，儲氫罐由2個增至3個，續(xù)航里程提升至WTLC工況下850km。與時同時新車在日本地區(qū)的售價從740萬日元降至710萬日元（約合人民幣44.48萬元，享受日本環(huán)保車補貼后，最低售價為570萬日元（約合人民幣35.71萬元）。19三、氫能發(fā)展形勢2.為什么是氫能制備方式多樣、

用途廣泛0

1Source:IEA:ProjectedCostsofGeneratingElectricity2020Edition可再生能源的快速發(fā)展0

2碳減排、碳中和0

3氫與電的互補關系04氫氣具有能量密度高、來源廣泛、綠色低碳環(huán)保等特點隨著氫能技術，特別是燃料電池技術的日趨成熟，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正在受到前所未有的廣泛關注。氫能電能制備方式廣泛廣泛儲運成本一般高WelltoWheel效率(NG)31%→37%35%加注速度快慢加注成本很高一般續(xù)航性高一般安全性未有定論20氫能與電能比較（2019年）Source:Well-to-WheelsAnalysisofFutureAutomotive，CONCAWE三、氫能發(fā)展形勢3.世界氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀世界正處在前所未有的氫能“熱潮”當中212020年，全球氫氣產(chǎn)量約9000萬噸，其中79%來自專用的制氫廠，21%為副產(chǎn)氫氣。全球對于氫氣的需求不斷增長，2020年，全球氫氣需求量近9000萬噸，其中化工行業(yè)對于氫氣的需求約4500萬噸，主要用于生產(chǎn)氨和甲醇。三、氫能發(fā)展形勢3.世界氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀222021年加氫站數(shù)量持續(xù)增長，2021年全球共有685座，其中僅亞洲地區(qū)就有超350座加氫站世界范圍內(nèi)氫能發(fā)展受到廣泛關注，燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展窗口期，引領行業(yè)發(fā)展截至2021年底，全球氫燃料電池汽車保有量49,562臺三、氫能發(fā)展形勢3.世界氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀23德國：推動深度脫碳，促進能源轉型日本：保障能源安全，鞏固產(chǎn)業(yè)基礎美國：儲備戰(zhàn)略技術，緩推實際應用澳大利亞：拓寬出口渠道，推動氫氣貿(mào)易三、氫能發(fā)展形勢4.我國氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀特點一：氫能是中國構建多元化能源體系關鍵一環(huán)富煤、貧油、少氣+可再生能源豐富我國碳減排任務艱巨氫電耦合是構建我國現(xiàn)代能源體系的重要途徑中國氫能兼具產(chǎn)業(yè)基礎及應用市場，綜合優(yōu)勢顯著24三、氫能發(fā)展形勢4.我國氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀特點二：氫燃料電池技術使氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)商業(yè)化注：數(shù)據(jù)來自中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的《2016年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》《2017年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》《2018年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》《2019年汽車工業(yè)經(jīng)濟運行情況》。2016—2019年，國內(nèi)燃料電池汽車銷量大幅增加我國在燃料電池汽車方面保持了較強的產(chǎn)業(yè)扶持力度。定位與客用車與運輸車輛，定位明確。25三、氫能發(fā)展形勢4.我國氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀特點三：我國可再生能源制氫潛力巨大：風能、太陽能資源豐富，制氫成本低廉26三、氫能發(fā)展形勢3.我國氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀272021年11月，工信部印發(fā)了《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》，表明應加快基礎設施建設，推動氫能多元利用；2022年1月，國家能源局綜合司發(fā)布的《2022年能源行業(yè)標準計劃立項指南》中落實了氫能發(fā)展的重點方向；2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》明確了各階段氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本目標；2022年4月，《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中提出了突破氫能及燃料電池等關鍵技術的要求。中國：明確氫能協(xié)同互補定位，構建多元化應用場景2025年2030年2035年基本掌握核心技術和制造工藝燃料電池車保有量5萬輛可再生能源制氫量10-20萬噸/年二氧化碳減排100-200萬噸/年形成較完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應體系形成氫能多元應用生態(tài)可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升三、氫能發(fā)展形勢3.我國氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀28注：數(shù)據(jù)來自中汽協(xié)、華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院、隆眾資訊。2016-2021年，我國燃料電池汽車產(chǎn)銷情況總體呈現(xiàn)增長態(tài)勢，2020年受疫情影響略有滑坡。根據(jù)中汽協(xié)，2022年1-2月氫能源汽車產(chǎn)銷量分別達到了355輛和370輛，行業(yè)或將迎來爆發(fā)期。我國在燃料電池汽車方面保持了較強的產(chǎn)業(yè)扶持力度。定位明確，主要用于客用車與運輸車輛。截至2021年底，全國共建成加氫站212座，其中正運營的加氫站數(shù)量為126座。我國加氫站主要分布于廣東、江浙滬、山東等燃料電池車發(fā)展較快的省市，其中廣東地區(qū)所有加氫站41座，占全國總加氫站數(shù)量的19.3%。三、氫能發(fā)展形勢29北京冬奧會示范運行超1000量氫能源汽車，成為運輸主力。氫燃料電池低溫性能優(yōu)越，可實現(xiàn)-30℃低溫啟動，-40℃低溫存放和停機自動保護，大巴車續(xù)航里程可達400公里以上。冬奧會的氫燃料電池汽車有3個車型，分別是豐田Mirai乘用車、豐田柯斯達中巴車和豐田-福田合作開發(fā)的12米大巴車。與同級別燃油車相比，三款氫燃料電池汽車每百公里可減少排放二氧化碳分別約為18.79公斤、47.01公斤和57.86公斤。企業(yè)合作，利用由光伏、風能等所產(chǎn)生的“綠電”進行氫氣的制取工作，實現(xiàn)“綠電制綠氫”，不間斷為北京冬奧會提供氫能支持。2022年北京冬奧會配備了30多個加氫站，保障比賽期間的氫能供應。匯報提綱30三、氫能發(fā)展形勢四、氫能技術一、能源科技發(fā)展二、新能源技術概覽四、氫能技術氫能產(chǎn)業(yè)技術全景31氫能產(chǎn)業(yè)技術全景四、氫能技術制備儲運應用化石能源制氫電解制氫副產(chǎn)氫氣生物質(zhì)制氫核能制氫光催化制氫物理儲氫化學儲氫材料儲氫加氫站(交通領域)家用熱電聯(lián)產(chǎn)燃料電池煉油廠化工原料冶金行業(yè)……32四、氫能技術1.制氫技術332019年我國各類制氫平均成本與碳排放對比如Source:IEA2019.Allrightsreserved.灰氫藍氫綠氫四、氫能技術1.制氫技術：化石能源制氫天然氣蒸汽轉化煤氣化副產(chǎn)氫氣甲醇重整分

離

凈

化H2序號工藝路線成本元/Nm3技術規(guī)模Nm3碳排放kg/GJ1煤炭氣化0.6~1.21000~20x1041932天然氣SMR0.8~1.5200~20x104693甲醇裂解1.8~2.550~500734液氨裂解2.0~2.510-20005水電解3.0~4.010-200034四、氫能技術1.制氫技術：副產(chǎn)氫氣純化GB/T37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》燃料電池用的氫氣更關心雜質(zhì)組成工業(yè)氫氣燃料電池用氫氣研究機構純化方法研究成果中石化吸附法已開發(fā)出氫氣純化成套（S-PSA）技術工藝包北京佳安氫源吸附法開發(fā)的“模塊化定向除雜（MDP）”技術可來自于化石能源制氫，將工業(yè)尾氣、廢氣的富氫純化后用于燃料電池。四川天一科技吸附法已開發(fā)出焦爐煤氣凈化和提氫技術，可滿足氫燃料電池的使用要求。國家能源集團吸附法開發(fā)了自有的氫氣純化技術，并在北京建立了純化技術平臺。美國的杜克大學，NASA，AkzoNobel等膜分離主要是鈀膜的研究，實現(xiàn)商業(yè)化。35四、氫能技術1.制氫技術：電解水制氫水電解：陰極：陽極：總反應：特性堿性電解水制氫質(zhì)子交換膜電解水(PEM)固體氧化物電解水(SOE)能源效率60%-75%70%-90%85%-100%運行溫度℃70-9070-80700-1000電流密度A/cm20.2-0.41-21-10能耗kWh/Nm34.5-5.53.8-5.02.6-3.6啟停速度啟停較快啟?？靻⑼Ｂ齽討B(tài)響應能力較強強--電能質(zhì)量需求穩(wěn)定電源穩(wěn)定或波動穩(wěn)定電源電解質(zhì)20-30%KOHPEM（常用Nafion）Y2O3/ZrO2系統(tǒng)運維有腐蝕液體，后期運維復雜，成本高無腐蝕性液體，運維簡單，成本低目前以技術研究為主，尚無運維需求電解槽壽命可達12000h已達到10000h--商業(yè)化規(guī)模Nm3/單電解槽1000-1500200無占地面積較大占地面積小未知特點技術成熟。已實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模應用，成本低較好的可再生能源適應性，無污染，成本高（PEM更換與貴金屬電極），商業(yè)化水平低部分電能被熱能取代，轉化效率高，高溫限制材料選擇，尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化水可以通過電流分解為氫氣和氧氣，該原理已長期用于工業(yè)制氫。電解過程與燃料電池過程相同，只是與電化學反應方向相反，主要有以下三種技術路線：36四、氫能技術1.制氫技術：電解水制氫-堿性水電解堿性水電解技術特點技術成熟，壽命可靠耗電量高(4.5-6kWh/Nm3)規(guī)模較大(5.3MW)需提高能量密度提高系統(tǒng)的動態(tài)響應能力開發(fā)新材料，提高分離膜片壽命國外代表企業(yè)：法國Mcphy，美國Teledyne，挪威Nel國內(nèi)代表企業(yè)：中船重工718所，蘇州競立，天津大陸制氫，中電豐業(yè)，技術特點：Diaphragm:Asbestos(past)PPS,PTFE,PSF,Zirfon?(current)LiquidelectrolyteKOH50-120℃，1-60bar產(chǎn)業(yè)化情況：津巴布韋:28×3.5MW-21000Nm3/h秘魯：7×3.5MW-5200Nm3/h埃及Aswan:165MW-3700N3/h新能源領域：2006年加拿大Idaho風電制氫項目德國勃蘭登州ENERTRAG制氫項目德國美因茨風能制氫項目(Linde)河北沽源200MW風電,10MW制氫項目金風吉林長嶺20萬千瓦風電和制氫37四、氫能技術1.制氫技術：電解水制氫-PEM電解PEM電解技術特點采用純水能量密度大理論耗電量更低(3.8-5kWh/Nm3)快速響應能力膜需要貴金屬國外代表企業(yè)：ITM，德國西門子、美國Proton、加拿大Hydrogenics國內(nèi)代表企業(yè)：中船重工718所，大連物化所，安思卓，中國航天科技507所產(chǎn)業(yè)化情況：加拿大安大略省電網(wǎng)調(diào)度機構，利用PEM技術制氫，并協(xié)助平衡電網(wǎng)。該項目于2017年建成，制氫能力1,000公斤/天，增加了電網(wǎng)調(diào)度備用容量，加大可再生能源并網(wǎng)的能力。2018年殼牌與ITM能源公司計劃在萊茵煉油綜合體內(nèi)的Wesseling煉油工廠安裝一個大型電解槽制氫裝置。該裝置容量為10兆瓦，2020年下半年基本完工。法國液化空氣公司完成了世界上最大的PEM(質(zhì)子交換膜)電解槽的建設，通過利用可再生能源，該裝置現(xiàn)在每天能夠生產(chǎn)8.2噸低碳氫，位于加拿大Bécancour。38四、氫能技術1.制氫技術：電解水制氫-固體氧化物電解國外代表企業(yè)：德國Sunfire公司、日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所國內(nèi)研究機構：清華大學核能與新能源技術研究院、華南理工大學、中國礦業(yè)大學高溫下高溫固體氧化物電解技術以固體氧化物（如氧化鋯-氧化釔）為電解質(zhì)，在約700-1000°C的高溫條件下進行，為高溫熱源的應用提供了新途徑。電解水蒸氣制氫與常規(guī)水電解相比，具有更高效、環(huán)境友好等優(yōu)點。高溫下，電解水的電量需求可顯著降低。固體氧化物技術特點轉化效率高耗電量更低(2.6-3.6kWh/Nm3)投資成本高技術不夠成熟全球首套商業(yè)規(guī)模的高溫固體氧化物電解設備將在荷蘭投入使用，電力來源為綠色電力，德國Sunfire供貨一套2.6MW的高溫固體氧化物電解設備是全球首個高溫固體氧化物電解水制綠色氫氣項目。39四、氫能技術光解水制氫-主要挑戰(zhàn)-效率的提高催化劑成本可見光譜范圍Fujishima(1972年)，TiO2載體日本三菱化學ARPChem南京工學院,鄒志剛教授課題組生物質(zhì)制氫核能制氫生物質(zhì)氣化：撬塊化，安全和環(huán)保，穩(wěn)定性，原料的適應性，成本和效率，發(fā)電到制氫的轉變…生物質(zhì)厭氧發(fā)酵：總體上處于試驗室階段。

EU聯(lián)合工程項目:Hyvolution

反應器設計，解決反應器放大的問題，原料適用性，成本控制，菌種開發(fā)…40-主要挑戰(zhàn)-安全性問題技術本身的成熟度材料的選擇核島和化工島的連接工程化經(jīng)驗欠缺四、氫能技術2.氫的儲運技術:目前氫能發(fā)展的最大瓶頸41四、氫能技術2.氫的儲運技術——物理儲氫42四、氫能技術2.氫的儲運技術——高壓氣態(tài)儲氫(a)HydrogenstoragetankinHerten,Germany(b)HydrogengasholderofInfraservinH?chst/Frankfurt,Germany@50bar,5300m3(STP),470kgH2,2013.(c)SphericalpressurevesselofWuppertalerStadtwerkeinM?beck/Sonnborn,Germany12-16bar,15000m3,1988(d)pipestoragefacilityofErdgasZürichAGinUrdorf,SwitzerlandDN1400,64-100bar,2013.~€17m,260tubes,14teach,Thickness25.5mm，6112m3(c)(d)43四、氫能技術不同型號儲氫罐的特點型號I型II型III型IV型V型材料純鋼質(zhì)

金屬鋼質(zhì)內(nèi)膽

纖維纏繞鋁內(nèi)膽

纖維纏繞塑料內(nèi)膽

纖維纏繞無內(nèi)膽纖維環(huán)繞壓力17.5-20MPa26.3-30MPa30-70MPa>70MPa研發(fā)中使用壽命15年15年15-20年15-20年成本低中最高高車載使用否否是是在氫氣臨界溫度以上，通過高壓壓縮的方式實現(xiàn)氫氣儲存

儲氫罐相關廠商：浙江大學、開原維科、東方電氣Faurecia（法國）、ILJINComposite（韓國）、HexagonComposites（挪威）、NPROXX（德國）儲氫瓶相關廠商：安瑞科、浙江蘭能、JFE（日本）國內(nèi)一般使用國內(nèi)禁止使用2.氫的儲運技術——高壓氣態(tài)儲氫44四、氫能技術2.氫的儲運技術——液氫將純氫冷卻到-253℃使之液化，然后充裝到高真空多層絕熱的燃料罐中來進行氫儲存在大規(guī)模、遠距離氫的儲運過程中，相比高壓氣態(tài)儲運氫，液氫具有明顯的成本優(yōu)勢。

技術提供商：LINDE、液空、中科富海美國液氫產(chǎn)能超過300噸/天，其中約33.5%液氫用于石油化工電子行業(yè)，18.6%用于航空航天，10%用于燃料電池車輛的加氫站。日本川崎重工神戶工廠舉行全球首艘液氫運輸船“SUISOFRONTIER”下水。45四、氫能技術2.氫的儲運技術——化學與材料儲氫4