國(guó)際氫能展獲悉，為進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)氫能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在前期氫能研究的基礎(chǔ)上撰寫了“氫能十解”系列文章?！稓淠荜P(guān)鍵技術(shù)之問(wèn)》是其中之一。

氫的制備

氫是一種二次能源，需通過(guò)一定方法利用其他能源制取。對(duì)于綠氫而言，常用的制備方法是電解水制氫，光解水制氫、生物質(zhì)制氫、核能制氫等新型制氫技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，目前不具備大規(guī)模制氫的能力。

技術(shù)分析

電解水制氫是指在直流電作用下將水進(jìn)行分解，產(chǎn)生氫氣和氧氣的技術(shù)，目前主要分為堿性電解水ALK、質(zhì)子交換膜電解水PEM、高溫固體氧化物電解水SOEC和陰離子交換膜電解水AEM。在技術(shù)成熟度上，堿性電解水和PEM質(zhì)子交換膜電解水處于成熟規(guī)?；瘧?yīng)用階段;高溫固體氧化物電解水處于生產(chǎn)測(cè)試到系統(tǒng)驗(yàn)證階段;陰離子交換膜電解水AEM處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段。中短期內(nèi)的大規(guī)模電解水制氫項(xiàng)目，仍將以堿性電解水和PEM電解水技術(shù)為主;長(zhǎng)期來(lái)看SOEC和AEM技術(shù)，具備光明的應(yīng)用前景。

堿性電解水ALK制氫技術(shù)是目前最為成熟，已大批量商業(yè)化規(guī)模使用的制氫技術(shù)，單槽產(chǎn)氫量在2000~3000Nm3/h，其工作溫度介于70~90℃，工作壓力介于1~3MPa，電流密度通常小于0.8A/cm2，制氫直流能耗介于4.0~5.0kWh/Nm3，能源效率介于60%~80%。

較之于其他制氫技術(shù)，堿性電解水制氫可以采用非貴金屬催化劑且電解槽具有15~20年左右的較長(zhǎng)使用壽命，因此具有成本上的競(jìng)爭(zhēng)力。但是該技術(shù)使用的電解質(zhì)是強(qiáng)堿，具有腐蝕性和危害性，加之其啟動(dòng)、調(diào)節(jié)速度較慢，運(yùn)行功率范圍較窄，與可再生能源發(fā)電的適配性還有待進(jìn)一步提升。

質(zhì)子交換膜PEM制氫技術(shù)近年來(lái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，目前PEM電解單槽產(chǎn)氫量在400~500Nm3/h，其工作溫度介于50~80℃，工作壓介于3~7MPa，電流密度通常介于1~4A/cm2，直流制氫能耗介于3.8~4.8kWh/Nm3，能源效率略高于堿性電解。

質(zhì)子交換膜電解技術(shù)流程簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，體積遠(yuǎn)小于同規(guī)模的堿性電解系統(tǒng)，且運(yùn)行功率范圍更寬10%～150%，啟動(dòng)更快，適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性特征，易于與可再生能源相結(jié)合。但是，PEM電解槽需要使用含貴金屬(鉑、銥)的電催化劑和特殊膜材料，成本較高，使用壽命也不如堿性電解槽，目前仍處于示范推廣階段。

電解水制氫當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的技術(shù)攻克目標(biāo)主要是負(fù)荷響應(yīng)范圍、交(直)流電耗、系統(tǒng)耗水量等，負(fù)荷響應(yīng)范圍主要是針對(duì)新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性實(shí)現(xiàn)電解水制氫設(shè)備的0%~150%寬功率響應(yīng)、交(直)流電耗從5.0kWh/Nm3水平降至4.0kWh/Nm3水平、系統(tǒng)耗水量從每噸氫耗水20t降至10t。

高溫固體氧化物SOEC制氫技術(shù)目前處于研究驗(yàn)證階段，其工作溫度介于500~1000℃，工作壓約0.1MPa，電流密度通常介于0.3~1A/cm2，能源效率在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試可達(dá)90%。

高溫固體氧化物電解多采用陶瓷作為電解質(zhì)，材料成本低，具有很高的能源效率，但工作溫度要求高，需要額外的熱源，可與核電站、光熱、地?zé)岬认到y(tǒng)的熱源相結(jié)合。高溫固體氧化物技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于可雙向運(yùn)行，既可以利用高溫固體氧化物電解(SOEC)將電轉(zhuǎn)化為氫，亦可利用高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)將氫轉(zhuǎn)化為電，便于為電網(wǎng)或微網(wǎng)提供平衡服務(wù)，并提高設(shè)備的整體利用率，降低成本。SOEC電解槽進(jìn)料為水蒸氣，若添加二氧化碳后，則可生成合成氣(氫氣和一氧化碳的混合物)，再進(jìn)一步生產(chǎn)合成燃料。因此SOEC技術(shù)有望被廣泛應(yīng)用于二氧化碳回收、燃料生產(chǎn)和化學(xué)合成品等，這是歐盟近年來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)。

SOEC電解技術(shù)尚需解決諸如高溫下電堆衰減、熱力系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)的熱安全問(wèn)題等，國(guó)外已有企業(yè)開(kāi)展小規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的驗(yàn)證示范階段。

陰離子交換膜AEM制氫技術(shù)，通常采用純水或低濃度堿性溶液作為電解質(zhì)，與PEM電解的根本區(qū)別在于將膜的交換離子由質(zhì)子改換為氫氧根離子。該技術(shù)工作溫度較低，介于40~60℃，工作壓力低于3.5MPa，電流密度介于1~2A/cm2，能源效率介于60%~80%。

陰離子交換膜電解使用的電極和催化劑是鎳、鈷、鐵等非貴金屬材料，原材料成本低廉，同時(shí)將堿性電解槽的低成本與PEM的簡(jiǎn)單、高效相結(jié)合，其系統(tǒng)響應(yīng)快速，亦匹配可再生能源發(fā)電的特性。若實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，亦存在降本推廣的潛力。

AEM目前仍然存在著諸多不足：如氫氧根離子導(dǎo)通率較低，膜的傳導(dǎo)性低，膜的機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性不高，電極結(jié)構(gòu)和催化劑動(dòng)力學(xué)需要優(yōu)化等。AEM性能的提升通常是通過(guò)調(diào)整膜的傳導(dǎo)性，或通過(guò)添加支持性電解質(zhì)(如KOH、NaHCO3)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這又會(huì)降低耐久性。因此AEM將面臨更大的挑戰(zhàn)，需要研制更薄或具有更高電荷密度的膜，同時(shí)對(duì)BOP輔助系統(tǒng)也提出了較高的要求。

國(guó)產(chǎn)化分析

我國(guó)堿性電解技術(shù)已實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)產(chǎn)化，堿性電解裝備實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能與國(guó)際先進(jìn)水平同步，部分指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)者。而產(chǎn)品成本遠(yuǎn)低于國(guó)際水平，在市場(chǎng)上具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。早期聚焦堿性電解制氫技術(shù)與設(shè)備制造的廠商包括派瑞氫能、考克利爾競(jìng)立、天津大陸等深耕多年的老牌企業(yè)，近年來(lái)風(fēng)電、光伏、化工、燃?xì)獾犬a(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)先后布局堿性電解槽業(yè)務(wù)，同時(shí)依托大量可再生能源制氫項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)，行業(yè)產(chǎn)銷量大增，涌現(xiàn)一大批包括陽(yáng)光氫能、隆基氫能、華電重工、長(zhǎng)春綠動(dòng)、石化機(jī)械等新秀企業(yè)。據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)電解水制氫設(shè)備廠商規(guī)劃的總產(chǎn)能已達(dá)到38GW，以堿性電解槽為主。

我國(guó)PEM電解技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大部分的國(guó)產(chǎn)化，少量核心部件如質(zhì)子交換膜主要依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)當(dāng)前具備質(zhì)子交換膜初步生產(chǎn)能力，處于驗(yàn)證階段，但核心材料，如膜樹(shù)脂、膜溶液、催化劑等多為進(jìn)口。國(guó)內(nèi)第二代膜電極的制造技術(shù)已比較成熟，實(shí)現(xiàn)對(duì)外出口。國(guó)內(nèi)PEM電解裝備廠家，主要包括國(guó)氫科技、山東賽克賽斯、湖南淳華、派瑞氫能、中科院大化所等，已實(shí)現(xiàn)小規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，但設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)高于同等規(guī)模的堿性電解槽，在電流密度、電解效率、可靠性方面，與國(guó)外存在差距。

我國(guó)高溫固體氧化物電解技術(shù)總體產(chǎn)業(yè)化程度不高，推出的商業(yè)化產(chǎn)品較少。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)企業(yè)SOEC電解制氫功率以千瓦級(jí)為主，集中在2~25kW，電流密度約0.5~1.0A/cm2。設(shè)備廠家包括質(zhì)子動(dòng)力、上海翌晶、武漢華科福賽等，其中質(zhì)子動(dòng)力于2023年3月在青島投運(yùn)一期兆瓦級(jí)產(chǎn)線，上海翌晶于4月下線年產(chǎn)能達(dá)百兆瓦的SOEC電堆自動(dòng)化產(chǎn)線。

我國(guó)陰離子交換膜制氫技術(shù)正處于小型研發(fā)示范階段，清華大學(xué)、吉林大學(xué)、山東東岳集團(tuán)、山東天維膜技術(shù)有限公司進(jìn)行了陰離子交換膜研制相關(guān)工作，中科院大連化物所重點(diǎn)開(kāi)展了催化劑的研發(fā)工作，中船718所開(kāi)展了AEM電解槽的集成與基礎(chǔ)研發(fā)工作。北京中電綠波于2023年8月發(fā)布全國(guó)首臺(tái)在線運(yùn)行10Nm3/h的AEM離子膜電解槽，穩(wěn)石氫能于12月發(fā)布10kW的AEM電解槽，并擬搭建一期產(chǎn)能4GW的陰離子交換膜產(chǎn)線，北京申乾科技則是引進(jìn)了德國(guó)Enapter公司AEM產(chǎn)品。整體來(lái)看，AEM還是一項(xiàng)前沿技術(shù)，其產(chǎn)品壽命、產(chǎn)氫規(guī)模等方面，離大規(guī)模商業(yè)化還有一段距離。

綠氫合成氨分析

合成氨是成熟的生產(chǎn)工藝，國(guó)際上先進(jìn)的合成氨技術(shù)均采用低壓合成工藝，常用的大型氨合成有凱洛格(Kellogg)、托普索(Tops?e)、卡薩利(Casale)、布朗(Braun)等公司所開(kāi)發(fā)的工藝，國(guó)內(nèi)早期所應(yīng)用的工藝多數(shù)從國(guó)外引進(jìn)，各種工藝均從不同角度力爭(zhēng)提高氨凈值和熱量回收效率、降低觸媒層高度及整個(gè)塔的阻力降。

自2015年起，我國(guó)合成氨行業(yè)出現(xiàn)過(guò)產(chǎn)能過(guò)?，F(xiàn)象，但現(xiàn)如今該行業(yè)又邁入轉(zhuǎn)型升級(jí)的快速發(fā)展階段。大型合成氨工業(yè)中，大型空分技術(shù)國(guó)內(nèi)已十分成熟，低壓合成氨技術(shù)我國(guó)已步入國(guó)際先進(jìn)水平，已建成諸多大型合成氨基地，同時(shí)涌現(xiàn)了云天化、湖北宜化、華魯恒升等一大批具有較高技術(shù)水平、較大生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)開(kāi)始研發(fā)設(shè)計(jì)合成效果更佳的氨合成系統(tǒng)，最有代表性的企業(yè)有南京國(guó)昌、南京聚拓與湖南安淳等等?，F(xiàn)如今所設(shè)計(jì)的合成塔，塔徑為600~3200mm，合成塔的合成能力相比之前有較大提升，提升最為明顯的就是合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇的流程所設(shè)計(jì)的醇烴化工藝搭配醇烴化產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精制時(shí)應(yīng)用的工藝所結(jié)合的新型氨合成工藝，此工藝目前設(shè)計(jì)領(lǐng)先，運(yùn)行成熟?？傮w來(lái)看，國(guó)內(nèi)合成氨研究基本處于國(guó)際領(lǐng)先地位，綜合考慮從可再生能源制氫到合成氨一體化技術(shù)，基本上已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

合成氨工藝發(fā)展趨勢(shì)是大型化、低壓化、節(jié)能化、安全環(huán)?；?。除了低溫低壓合成氨，還有直接電催化合成氨、低溫常壓合成氨、等離子體法合成氨等新技術(shù)。

可再生能源電解水制氫合成氨的設(shè)計(jì)與運(yùn)行存在諸多挑戰(zhàn)，需要在合成氨工藝柔性優(yōu)化與調(diào)控、大規(guī)模電解水制氫平穩(wěn)運(yùn)行、制氫負(fù)荷參與電網(wǎng)調(diào)控和全系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面展開(kāi)研究?？稍偕茉措娊馑茪浜铣砂必?fù)荷的調(diào)控策略和動(dòng)態(tài)控制技術(shù)是當(dāng)前正全力突破的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。具體包括：高效低溫低壓合成氨技術(shù);可再生能源波動(dòng)條件下的合成氨工藝流程優(yōu)化和柔性調(diào)控技術(shù);考慮“電-熱-質(zhì)”耦合的大規(guī)模電解水制氫系統(tǒng)的模塊化集成和集群動(dòng)態(tài)控制技術(shù)。

綠氫制備綠氨下一步需要進(jìn)行的突破，主要是需考慮可再生能源供給和綠氨市場(chǎng)消費(fèi)需求的波動(dòng)，同時(shí)充分考慮操作安全性和過(guò)程經(jīng)濟(jì)性，研究復(fù)雜變工況條件下的催化劑動(dòng)力學(xué)機(jī)制、適應(yīng)柔性生產(chǎn)的合成氨工藝流程技術(shù)等，主要是：波動(dòng)性可再生能源與氨合成塔、壓縮機(jī)、氣體分離、換熱網(wǎng)絡(luò)等適配方案與協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)冷熱電互濟(jì)，提升系統(tǒng)靈活性，提高綜合轉(zhuǎn)換效率。

綠氫合成甲醇分析

目前綠色甲醇主要有兩種生產(chǎn)途徑：一種是生物質(zhì)甲醇，利用生物基原料生產(chǎn);另一種是綠電制甲醇。

生物質(zhì)制甲醇主要有兩種途徑：一是采用生物質(zhì)氣化-合成氣的途徑，二是生物質(zhì)發(fā)酵制甲烷再制甲醇。

生物質(zhì)氣化制甲醇包含生物質(zhì)氣化和合成氣制甲醇兩個(gè)部分，首先是生物質(zhì)氣化形成富碳合成氣，再經(jīng)氣體重整合成甲醇。其中，生物質(zhì)氣化技術(shù)是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量合成氣的最具前景的關(guān)鍵工藝之一，合成氣制甲醇的技術(shù)原理跟煤制甲醇類似，至今已有80年歷史，工藝路線已經(jīng)成熟穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)研究側(cè)重于氣化技術(shù)、裝備及原理三個(gè)關(guān)鍵方面。關(guān)鍵設(shè)備包括生物質(zhì)氣化爐、蒸汽變換室以及甲醇合成器。研究的關(guān)鍵因素為生物質(zhì)氣化當(dāng)量比、蒸汽變換溫度、氫循環(huán)比等，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是研究如催化氣化技術(shù)、等離子體氣化技術(shù)等具有更高的轉(zhuǎn)化效率和反應(yīng)速度的氣化技術(shù)，針對(duì)生物質(zhì)基合成氣的甲醇合成催化劑，不同工藝方案(氣化劑、反應(yīng)溫度、壓力)下的生物質(zhì)甲醇合成系統(tǒng)的工藝匹配等關(guān)鍵技術(shù)。

生物質(zhì)發(fā)酵制甲醇，是利用微生物將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，通過(guò)甲烷轉(zhuǎn)化成氫氣與一氧化碳合成甲醇，或?qū)⑵渲械亩趸挤蛛x，加氫重整，也可合成生物甲醇。受限于生物質(zhì)發(fā)酵技術(shù)，目前暫未實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。由于生物質(zhì)發(fā)酵的特性及其在反應(yīng)過(guò)程中的變化比較復(fù)雜，制取的甲醇質(zhì)量可能受到一定影響，需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程，提高轉(zhuǎn)化產(chǎn)量和質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的可控性，提高反應(yīng)速率和效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、加快工業(yè)化進(jìn)程是生物質(zhì)發(fā)酵制甲醇技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。

綠電制甲醇主要以二氧化碳為原料，其技術(shù)路線分為：①綠電制綠氫耦合二氧化碳制甲醇;②二氧化碳電催化還原制甲醇。其中，二氧化碳電催化還原制甲醇工業(yè)化尚存一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，相比之下二氧化碳加氫制甲醇被證明是最具可實(shí)施性和規(guī)?；穆肪€。

由CO加H2合成甲醇的工藝技術(shù)已經(jīng)成熟穩(wěn)定，而對(duì)于以CO2作為原料與氫氣反應(yīng)制備甲醇，相比于一氧化碳加氫制甲醇，突出的問(wèn)題主要有三個(gè)：一是熱力學(xué)平衡限制二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率較低，二是較高溫度下嚴(yán)重的逆水煤氣變換反應(yīng)降低了甲醇選擇性，三是反應(yīng)生成的水會(huì)加速催化劑的失活。

催化劑是CO2加氫制甲醇反應(yīng)的關(guān)鍵，研究側(cè)重于提高催化劑的二氧化碳轉(zhuǎn)化率，甲醇選擇性、活性及反應(yīng)穩(wěn)定性等方面。目前可用于合成綠色甲醇的催化劑包括Cu基催化劑、金屬氧化物催化劑、貴金屬催化劑等，但主要側(cè)重于Cu基催化劑的研究。國(guó)內(nèi)已有機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出銅基、鋅基等催化劑，但總體來(lái)看研究尚處于小試階段。

相比于甲醇催化劑的研究，CO2加氫制甲醇的工藝及設(shè)備方面的研究相對(duì)較少，但從工程角度來(lái)看，工藝與設(shè)備的研發(fā)同樣具有較好的應(yīng)用前景。甲醇裝置的大型化是今后行業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向，研究重點(diǎn)在對(duì)反應(yīng)器工藝的優(yōu)化以提高CO2轉(zhuǎn)化率同時(shí)節(jié)能降耗。

日本、德國(guó)相繼建成年產(chǎn)100噸和500噸的甲醇試驗(yàn)工廠，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院、西南化工研究設(shè)計(jì)院亦分別建成年產(chǎn)5000噸甲醇工業(yè)試驗(yàn)裝置。吉利是布局甲醇較早的企業(yè)，從甲醇制備、甲醇輸配、甲醇車輛應(yīng)用等方面進(jìn)行多年探索，于2015年投資冰島碳循環(huán)國(guó)際公司，利用地?zé)岚l(fā)電制氫與捕集的二氧化碳合成可再生甲醇。目前二氧化碳加氫制甲醇技術(shù)還處于工業(yè)化初期階段，技術(shù)路線已打通，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)中試示范，接下來(lái)還需對(duì)技術(shù)做進(jìn)一步改進(jìn)，解決產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題。

綜上所述,目前甲醇主要的發(fā)展方向包括傳統(tǒng)合成工藝的改進(jìn)及新合成技術(shù)的開(kāi)發(fā)。裝置超大型化、工藝耦合、技術(shù)集成、綠色節(jié)能將是未來(lái)甲醇生產(chǎn)工藝發(fā)展的趨勢(shì),以二氧化碳及生物質(zhì)為原料生產(chǎn)甲醇的技術(shù),符合綠色化工、環(huán)境友好的特點(diǎn),具有很好的發(fā)展前景。

氫能儲(chǔ)輸

目前，我國(guó)氫基能源示范應(yīng)用主要圍繞產(chǎn)地附近布局，長(zhǎng)距離輸送項(xiàng)目較少，故而發(fā)展高效、低成本的氫基能源儲(chǔ)輸技術(shù)氫能行業(yè)發(fā)展的必要保障。氫儲(chǔ)輸以高壓氣態(tài)方式為主，技術(shù)相對(duì)成熟，在成本方面具備優(yōu)勢(shì)，受技術(shù)和成本端的制約，低溫液態(tài)、固態(tài)等其他儲(chǔ)輸技術(shù)僅有少量應(yīng)用;氨和甲醇儲(chǔ)輸以液態(tài)為主。

氣態(tài)儲(chǔ)輸

氫氣儲(chǔ)輸方面，高壓氣態(tài)儲(chǔ)輸氫操作簡(jiǎn)單、成本較低、技術(shù)成熟，是目前應(yīng)用最多的氫儲(chǔ)輸方式，我國(guó)在固定式高壓儲(chǔ)氫技術(shù)方面處于國(guó)際先進(jìn)水平。高壓氣態(tài)氫儲(chǔ)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備為壓縮機(jī)和儲(chǔ)氫瓶：

氫氣壓縮機(jī)主要作用為通過(guò)提高氫氣儲(chǔ)存密度和壓力將氫氣壓縮成高壓氫氣，儲(chǔ)氫瓶是氫儲(chǔ)輸?shù)闹匾萜鳌Ｔ跉錃鈮嚎s機(jī)方面，2023年國(guó)產(chǎn)90MPa氫氣壓縮機(jī)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用落地，羿弓氫能全球首創(chuàng)“液驅(qū)+隔膜”技術(shù)方案，具備傳統(tǒng)隔膜壓縮機(jī)的保證氣體絕對(duì)潔凈、密封性好、單級(jí)壓縮比高、散熱性能好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也兼?zhèn)湟候?qū)活塞式壓縮機(jī)的適應(yīng)頻繁啟停、帶載啟停、變工況運(yùn)行、可維修性好(模塊化)、可實(shí)現(xiàn)靈活串/并聯(lián)提升排氣壓力或排量等優(yōu)勢(shì)。液驅(qū)隔膜式壓縮機(jī)可適應(yīng)加氫站的變工況、頻繁啟停等需求，同時(shí)整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)、占地面積小等方面使其具備較高的經(jīng)濟(jì)性，目前已在“嘉定氫能港”加氫站投入使用。豐電金凱威(蘇州)壓縮機(jī)有限公司發(fā)布了國(guó)內(nèi)首臺(tái)250MPa超高壓隔膜氫氣壓縮機(jī)，意味著我國(guó)在關(guān)鍵領(lǐng)域，特別是氫氣超高壓設(shè)備領(lǐng)域擺脫卡脖子實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代的突破。

在儲(chǔ)氫瓶方面，中集安瑞科在氫氣儲(chǔ)輸方面取得了較大的技術(shù)突破，以制造儲(chǔ)輸設(shè)備為主，其儲(chǔ)氫領(lǐng)域布局涵蓋氣氫和液氫儲(chǔ)氫設(shè)備制造，2023年成功下線國(guó)內(nèi)首臺(tái)30MPa碳纖維纏繞管束式氫氣集裝箱并可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，該集裝箱刷新了國(guó)內(nèi)高壓氫氣運(yùn)輸裝備運(yùn)載量的紀(jì)錄，將會(huì)極大提高高壓氫氣單車的運(yùn)載能力和卸氣量，有望大幅降低運(yùn)氫成本。

大容積流量、高排氣壓力隔膜壓縮機(jī)產(chǎn)品是當(dāng)前和未來(lái)壓縮機(jī)廠商的重要研制方向，同時(shí)就儲(chǔ)氫瓶來(lái)說(shuō)，需進(jìn)一步提高儲(chǔ)輸高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的壓力和單車運(yùn)氫量。

長(zhǎng)管拖車是最普遍的氣態(tài)氫運(yùn)輸方式。由于氫氣密度小，儲(chǔ)氫容器自重大，長(zhǎng)管拖車實(shí)際運(yùn)氫重量?jī)H為總運(yùn)輸重量的1%~2%，因此長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫適用于運(yùn)輸距離短且輸氫量較低的場(chǎng)景。目前我國(guó)以20MPa氣態(tài)長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫方式為主，單車運(yùn)氫量350kg。儲(chǔ)存壓力是未來(lái)公路運(yùn)輸?shù)墓タ朔较颍A(yù)計(jì)到2030年，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車的工作壓力可以達(dá)到35MPa，單車運(yùn)氫量可達(dá)到700kg，到2050年，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車的工作壓力可以達(dá)到50MPa，單車運(yùn)氫量可達(dá)到1200kg。

管道輸氫是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離、低成本運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑煞譃榧儦涔艿篮吞烊粴鈸綒涔艿?。根?jù)我院前期研究成果，我國(guó)輸氫管道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步相對(duì)較晚，受資源市場(chǎng)規(guī)模制約，目前還未形成大規(guī)模的氫氣管道輸送網(wǎng)絡(luò)，已建純氫管道輸送壓力均為4MPa以下、管徑不大于D508mm，2015年建成的濟(jì)源-洛陽(yáng)氫氣管道年輸量10萬(wàn)噸，是我國(guó)當(dāng)前輸量最高的氫氣管道;目前已有設(shè)計(jì)壓力在6.3MPa、管徑D610mm的純氫管道示范項(xiàng)目已處于工程建設(shè)階段，年輸氫規(guī)模可達(dá)50萬(wàn)噸/年。設(shè)計(jì)壓力在6.3MPa、管徑D813mm的純氫管道處于前期方案設(shè)計(jì)階段，預(yù)計(jì)后續(xù)可能具備規(guī)模應(yīng)用條件，我國(guó)石油化工相關(guān)企業(yè)正在開(kāi)展陸上與海上輸氫管道規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，高壓氫氣管道輸送相關(guān)技術(shù)和管材仍處于研究階段。據(jù)我院展望，全國(guó)氫管道相關(guān)企業(yè)，下一步將加快開(kāi)展高壓力、大管徑純氫管道的技術(shù)研究工作，并有望在輸氫管道材料上實(shí)現(xiàn)重大突破，解決氫脆等重大問(wèn)題，未來(lái)純輸氫管道有望壓力達(dá)到10MPa、管徑達(dá)到D1016mm。

天然氣摻氫起步較晚，但是發(fā)展較快，目前正處于工程示范驗(yàn)證階段。目前在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等方面均已有天然氣摻氫示范項(xiàng)目，并已有項(xiàng)目處于運(yùn)行階段。我國(guó)的天然氣摻氫示范項(xiàng)目以城市燃?xì)夤┙o為主，隨著管道技術(shù)的提升，2023年中石油在天然氣摻氫實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)突破，天然氣最高摻氫比例已可達(dá)到24%，研究表明，利用華白數(shù)、燃燒勢(shì)、AGA指數(shù)判定，加以爆炸極限計(jì)算、擴(kuò)散性安全分析，摻混氫氣的體積小于24%時(shí)，摻混氣與天然氣基準(zhǔn)氣具有互換性。從國(guó)內(nèi)外示范工程及研究表明，摻氫比例在10%至20%之間是合理的。

天然氣摻氫后，管道內(nèi)高壓富氫環(huán)境將引發(fā)管道本體及輸送設(shè)備發(fā)生氫脆和氫腐蝕。為保證摻氫管輸?shù)陌踩?，需開(kāi)展高壓富氫環(huán)境中摻氫天然氣與管材的相容性研究。目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展相關(guān)研究，包括從微觀角度采用分子動(dòng)力學(xué)方法或掃描電鏡等儀器揭示發(fā)生氫脆和氫腐蝕的內(nèi)在機(jī)理，以及從宏觀角度測(cè)試和模擬材料典型力學(xué)性能在高壓富氫環(huán)境中的變化。盡管目前研究均表明天然氣摻氫后會(huì)給管道及相關(guān)設(shè)施帶來(lái)諸多不利影響，但摻氫比與材料氫破壞、管道壓力等之間的定量關(guān)系仍不明晰，未來(lái)需開(kāi)展進(jìn)一步研究。

在天然氣中摻混氫氣不僅會(huì)影響輸送管道，還可能導(dǎo)致沿線的關(guān)鍵設(shè)備及其部件產(chǎn)生氫脆、氫損傷，且隨著氫氣摻入量的變化，摻輸設(shè)備、計(jì)量設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性也會(huì)發(fā)生變化。因此，以上涉氫設(shè)備在材料選擇、設(shè)計(jì)制造、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面與天然氣設(shè)備有較大不同。相比于天然氣泄漏，高壓氫氣泄漏的影響范圍更廣，但其在近地面的危險(xiǎn)系數(shù)更小。目前對(duì)摻氫天然氣管道多組分氣體泄漏在空氣中的氣體擴(kuò)散機(jī)理尚不明晰，管道事故失效特征、事故風(fēng)險(xiǎn)演化動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程、災(zāi)害鏈?zhǔn)叫?yīng)的蔓延及其控制方法尚不明確。長(zhǎng)距離輸氫管線完整性管理、事故應(yīng)急決策及搶維修缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

液態(tài)儲(chǔ)輸

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是以低溫將液化氫氣儲(chǔ)存到絕熱真空容器中的一種新興儲(chǔ)氫技術(shù)，相比于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫質(zhì)量密度更大，儲(chǔ)存氫氣純度更高。為了保證低溫、高壓條件，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫需使用具有良好絕熱性能的液氫儲(chǔ)罐以及配套嚴(yán)格的絕熱方案與冷卻設(shè)備。氫的液態(tài)儲(chǔ)輸以液氫槽車為主，當(dāng)前液氫槽車單車運(yùn)氫量可達(dá)到4000kg，相較于20MPa高壓氣氫拖車，可使單車儲(chǔ)輸量提高約9倍，充卸載時(shí)間減少約1倍，并且在液化過(guò)程還能提高氫氣純度，一定程度上節(jié)省了提純成本。

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，液氫儲(chǔ)輸是大規(guī)模長(zhǎng)距離儲(chǔ)輸氫的重要方向之一。2024年初，中集安瑞科研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)商用液氫罐車正式下線，填補(bǔ)了我國(guó)在商用液氫儲(chǔ)輸裝備領(lǐng)域的空白，根據(jù)中集安瑞科公開(kāi)信息，該液氫罐車在100%無(wú)損情況下，可運(yùn)輸2000km以上。未來(lái)在各方力量加持下，我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性及國(guó)產(chǎn)化的重大突破，為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

目前低溫液態(tài)儲(chǔ)氫主要應(yīng)用于軍事航天等對(duì)氫氣純度要求較高的領(lǐng)域，液氫儲(chǔ)輸各環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備主要有氫液化裝置、儲(chǔ)罐、罐車和加注系統(tǒng)等，均已基本具備自主國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)和產(chǎn)品，但產(chǎn)業(yè)尚未進(jìn)入高速發(fā)展階段，在核心設(shè)備和部件大型化、集成應(yīng)用規(guī)?；确矫孢€有待創(chuàng)新。未來(lái)隨著液化能耗的減少及保溫效率的提升，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫商業(yè)化進(jìn)展有望加快。

氨和甲醇的液態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)目前商業(yè)化已十分成熟，在此不再詳細(xì)分析。目前我國(guó)氨、醇尚未形成規(guī)模化輸送效應(yīng)，長(zhǎng)距離輸送氨、甲醇管道，國(guó)際上(美國(guó)、俄羅斯等)已有實(shí)證，國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)際運(yùn)營(yíng)案例。隨著未來(lái)的規(guī)?；l(fā)展效應(yīng)，我國(guó)氨、甲醇輸送管道有望實(shí)現(xiàn)6.3MPa，管徑D356mm~D406mm;隨后進(jìn)一步突破達(dá)到6.3MPa，管徑D457mm~D559mm。

固態(tài)儲(chǔ)輸

固態(tài)儲(chǔ)氫是基于氫氣與儲(chǔ)氫材料間的物理或化學(xué)變化，形成固溶體或者氫化物，實(shí)現(xiàn)氫氣的存儲(chǔ)，具有儲(chǔ)氫密度高、運(yùn)行壓力低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。目前利用金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)較為熱門，單位體積的金屬可以儲(chǔ)存常溫常壓下近千倍體積的氫氣，體積密度甚至優(yōu)于液氫。但由于固態(tài)儲(chǔ)氫的技術(shù)門檻較高，資金需求巨大，我國(guó)仍處于研發(fā)示范的早期階段，攻關(guān)技術(shù)主要集中在材料方向。近年國(guó)內(nèi)陸續(xù)有以固態(tài)儲(chǔ)氫為能源供應(yīng)的大巴車、卡車、冷藏車、備用電源等問(wèn)世，隨著氫能行業(yè)及企業(yè)對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)注度加大，固態(tài)儲(chǔ)氫有望在實(shí)際應(yīng)用中不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)迭代。

目前，國(guó)內(nèi)已有LAVO(氫能科技公司)固態(tài)儲(chǔ)氫示范項(xiàng)目，以“氫”為能源載體，以“固態(tài)儲(chǔ)氫”為核心技術(shù)，來(lái)驗(yàn)證固態(tài)儲(chǔ)氫安全性優(yōu)良、儲(chǔ)氫體積密度大。同時(shí)，LAVO開(kāi)放自身應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為該項(xiàng)目提供全球領(lǐng)先的金屬合金儲(chǔ)氫技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。未來(lái)我國(guó)將在吸附儲(chǔ)氫和金屬儲(chǔ)氫的技術(shù)上進(jìn)行更多的深入研究。

氫能應(yīng)用

氫能用途廣泛，可用作原料、燃料或能源儲(chǔ)存載體，在交通、工業(yè)、電力和建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，可助力交通、工業(yè)、電力等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳化。當(dāng)前目前主要應(yīng)用在工業(yè)和交通領(lǐng)域中，在建筑、發(fā)電等領(lǐng)域仍然處于探索階段。

交通領(lǐng)域

交通領(lǐng)域“氫動(dòng)力”利用是氫能的重要方式之一，目前國(guó)內(nèi)已可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)氫能重卡、甲醇汽車等。通過(guò)氫燃料電池、氨-氫燃料電池、甲醇內(nèi)燃機(jī)等應(yīng)用于在汽車、軌道交通、船舶和航空器等設(shè)備，降低了長(zhǎng)距離高負(fù)荷交通對(duì)石油和天然氣的依賴?，F(xiàn)全國(guó)已在中東部形成京津冀城市群、上海城市群、廣東城市群、河北城市群、河南城市群五大示范城市群。在制氫成本下降、政策積極推動(dòng)的背景下，并隨著加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐步完善，我國(guó)燃料電池汽車、甲醇汽車的供給和需求正快速增長(zhǎng)。

我國(guó)生產(chǎn)氫能重卡的企業(yè)包括上汽、濰柴動(dòng)力、大運(yùn)汽車、一汽等，目前已具有突破性的氫能汽車技術(shù)。以一汽解放氫能重卡“星熠”為例，搭載了300kW的自主高功率燃電發(fā)動(dòng)機(jī)，其峰值效率達(dá)到60%以上。同時(shí)，其配備了50kWh容量的高功率型動(dòng)力電池，具備高放電倍率，確保在勻速行駛或瞬時(shí)加速爬坡時(shí)提供充足的驅(qū)動(dòng)電量。

未來(lái)的技術(shù)攻關(guān)將集中在大容量燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓力儲(chǔ)氫系統(tǒng)兩大核心方向，并且氫能將加快在汽車、船舶和航空器等領(lǐng)域的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

甲醇汽車發(fā)展較早，目前技術(shù)已較為成熟。吉利是布局甲醇汽車較早的企業(yè)，從甲醇制備、甲醇輸配、甲醇車輛應(yīng)用等方面進(jìn)行多年探索。吉利汽車當(dāng)前是甲醇汽車主要的生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品包括甲醇混動(dòng)汽車和純甲醇汽車，通過(guò)提高壓縮比等先進(jìn)技術(shù)將醇電混動(dòng)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升至43.1%，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升至50.2%。陜重汽、宇通汽車等一批汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，也具備甲醇汽車專有技術(shù)與自主開(kāi)發(fā)能力。就甲醇汽車而言，未來(lái)的重點(diǎn)研究方向?qū)⒅赜谕黄萍状純?nèi)燃機(jī)的熱效率，在未來(lái)幾年熱效率將有望達(dá)到60%以上。

綠色甲醇作為國(guó)際上公認(rèn)的清潔燃料，可以實(shí)現(xiàn)船舶低改裝成本下柴油的部分或完全替代。我國(guó)船舶和船舶動(dòng)力制造行業(yè)也在積極推進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)、江海直達(dá)、近海運(yùn)輸甲醇燃料動(dòng)力船舶的制造。以中船重工為主的研究機(jī)構(gòu)也在積極研發(fā)。就甲醇船舶而言，未來(lái)的重點(diǎn)研究方向?qū)⒅谥眹娂状及l(fā)動(dòng)機(jī)、甲醇燃料加注單元等甲醇船舶的核心裝置技術(shù)研發(fā)上。

發(fā)展綠色航油將是實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)最重要的措施，綠色航空煤油是指從非化石資源而來(lái)的C8～15液體烴類燃料，綠色航空煤油可以通過(guò)對(duì)植物油、地溝油或其它高含油生物燃料加氫精制生成;也可以通過(guò)將纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)氣化生成合成氣，經(jīng)費(fèi)托合成工藝后，再加氫裂化、加氫異構(gòu)改質(zhì)生成。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)指向含芳環(huán)航煤餾分為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線，從熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)一步生產(chǎn)航空煤油，目前已完成100噸/年的小型生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。由于高含油生物燃料有限且分布分散、收集成本較高，綠色航油未來(lái)的主要工藝方向?yàn)樯镔|(zhì)氣化-費(fèi)托合成工藝，研究重點(diǎn)為高轉(zhuǎn)化率、低成本的催化劑及多相反應(yīng)器設(shè)計(jì)。

在氫燃料電池技術(shù)方面。質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)上已經(jīng)成熟，以啟動(dòng)時(shí)間短(約1分鐘)、操作溫度低(小于100攝氏度)、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等成為研究熱點(diǎn)和氫燃料電池汽車邁入商業(yè)化進(jìn)程的首選，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力等領(lǐng)域，是應(yīng)用最廣泛的燃料電池類型。固體氧化物燃料電池及熔融碳酸鹽燃料電池為高溫型燃料電池，轉(zhuǎn)換效率較高，但運(yùn)行溫度在600攝氏度以上，啟動(dòng)較慢，需要耐高溫材料維持系統(tǒng)運(yùn)行，成本較高，系統(tǒng)維護(hù)難度較大。固體氧化物燃料電池已初步突破關(guān)鍵技術(shù)，小型產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了商品化，但成本仍然較高。

質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，完整的燃料電池系統(tǒng)包括電堆和BOP系統(tǒng)，電堆主要包含催化劑、質(zhì)子膜、碳紙、膜電極、雙極板等關(guān)鍵部件，BOP系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、氫循環(huán)系統(tǒng)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、控制器、加濕器等關(guān)鍵設(shè)備。盡管我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在明顯差距：一是產(chǎn)品體積功率密度等關(guān)鍵參數(shù)與當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平仍存在一定差距;二是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品沒(méi)有得到充分的應(yīng)用驗(yàn)證，在可靠性和耐久性方面與國(guó)際先進(jìn)水平相比差距較大。三是關(guān)鍵材料部件方面尚存在卡脖子問(wèn)題沒(méi)有解決，催化劑、碳紙、質(zhì)子膜等關(guān)鍵材料部件對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品依賴較大。催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、雙極板、膜電極、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)等燃料電池關(guān)鍵材料部件以及電堆、系統(tǒng)是未來(lái)自主研發(fā)的重點(diǎn)。

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