绿电制绿氢及其综合利用技术PPT

1、电制绿氢及其应用展望绿电制氢及其综合利用技术目录CONTENTS一、战略与必要性二、氢与可再生能源电制绿氢三、氢电融合及其综合利用四、结论一、需求与必要性碳中和需要构建零碳的新型电力与能源系统、氢能将大展宏 图能源安全新战略：四个革命、一个合作3060碳达峰、碳中和战略需求构建以新能源为主 体的新型电力系统构建清洁、低碳、 安全、高效的现代 能源体系目标任务 一、战略需求与必要性提出要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动， 深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。3月1日，发布“碳达峰、碳中和”行动方案，成为首个公开“碳达峰、碳

2、中和”具体行动规划的央企。在能源供给侧，构建多元化清洁能源供应体系。 其中包括推动氢能利用，.在能源消费侧，全面推进电气化和节能提效, .,其中包括加快电能替代，.,推动电制氢技术应用,“碳中和”背景下能源结构中氢能预期未来中国氢气供给结构预测未来能源消费结构与CO2排放量预测可再生能源电解制氢比重增加化石能源可再生能源替代面向3060能源结构的转换和优化有两条路径：第一个就是不可再生的 化石能源一定要被可再生的绿色能源来替代；第二就是一个高碳向低 碳过程的过渡。而氢将成为一个重要元素。一、战略需求与必要性IEA:按2050年的3.22亿吨绿色和电解氢，将需要 3585吉瓦的全球电解槽容 量（

3、目前约300兆瓦）， 以及约14500太瓦时的电 力约占世界电力供应 的20%。国际发 展前景在2030年碳达峰情景下，我国氢气的 年需求量将达到 3715万吨，在终端 能源消费中占比约 为5%， 在2060年碳 中和情景下，我国 氢气的年需求量将 增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中 占比约为20%。国内发 展前景一、战略需求与必要性及路径H2目前，全球年生产氢气约为1.17亿吨，其中副产氢气4800万吨，专门制氢约为6900万吨。国际能源署表示，这将要求清洁氢气生产的复合平均年增长率从现在到2030年间达到66%，在2030到2050年间达到23%。气候危机能源转型绿色低碳生态文明“氢能是

4、将全球变暖限制在2的能源转换的中心支柱”-国际氢能委员会一、战略需求与必要性及路径氢能的多场景应用未来已来工业建筑电力交通冶金化工（合成氨、甲醇等）炼油、食品、生物、 医学城市燃气 热电联供（1）电力领域 （2）交通领域 （ 3） 工业领域 （ 4） 建筑生活领域一、战略需求与必要性及路径二、氢与可再生能源电制绿氢IEA的报告指出，鉴于目前制氢产能不足，到2050年实现净零排放情景所要 求的速度推出电解槽是一项关键挑战，确保足够的发电能力也是一项挑战。是柴薪的100倍，煤6.8倍，汽油3.3倍，天然气3.4倍比大多数气体的导热系数高出10 倍，是很好的传热载体可作为一种新能源在双碳目标中 推进

5、能源清洁低碳转型能适应贮运及各种应用环境的不同要求氢的能量密度是很大的，最符合我们要选择的一种清洁能源、可再生能源、新能源面向双碳目标，氢无疑是最好的一个元素，来源广泛、可再生、无毒、清洁、燃值高、 能量密度大、转换效率高。来源广泛1. 可再生能源制氢。 2.工业副产制取氢。 3.化石能源制取氢。存储、规模、长周期 储能竞争力高于锂电 池。体积密度小、逃逸性 强。转换灵活。氢气发电的最终产物是水，环境友好。安全高效便于储存清洁低碳氢 能原料来源化石原料制氢工业副产制氢电解水制氢灰氢可满足一定时期需求的氢气来源。绿氢需结合地区资源 条件，因地制宜。蓝氢具有环境友好 性，是未来趋势。绿氢来之自然，

6、是可再生的二次能源、是绿色的能源、友好的能源、和平的能源、将是全球碳中和的关键角色面向双碳目标，制氢路线正在由“蓝氢”、“灰氢”向“绿氢”转变，也就是着力开展以可再生能源电解水制得 氢气。CCS CCUS可再生能源电制绿氢技术IEA的报告指出，鉴于目前制氢产能不足，到2050年实现净零排放情景所要求的速度推出电解槽（电制氢）是一项关键挑战。电 解 水 制 氢碱性电解水质子交换膜电解水固体氧化物电解水碱性电解水制氢(AWEs)技术是目前市场化最成熟、制氢成本最低的技术质子交换膜电解水制氢(PEMWEs)技术 较成熟，能适应可再生能源的波动性固体氧化物电解水制氢(SOEC)技术能耗 最低、能量转换

7、效率最高2H2O=2H2+ O2碱性电解（AEC）质子交换膜电解(PEMEC)固体氧化物电解(SOEC)技术成熟度规模应用产业化（国外）研发示范中运行温度() 90(0-45) 80(0-45)7001000电流密度(Acm-2)0.20.4131-10波动性电源适 应性爬坡：15%-100%负载；启停：1m热启/10m冷启爬坡：0-160%负载； 启停：1s热启/5m冷启低能量效率(%)628270908095优点氢纯度99.8%成本低、单机功率高氢纯度99.99%、体积1/3、响应快、仅脱水无需铂铱；能效高缺点碱液腐蚀、体积大，维护费用 大催化剂及全氟膜成本偏高高温工作、材料要求高， 冷启

8、动慢绿氢制造（水分解制氢为绿氢制造主要方式）电解制氢技术对比特性碱性电解水制氢质子交换膜电解水制氢固体氧化物电解水制氢能耗kWh/Nm34.5-5.53.8-5.02.6-3.6启停速度启停较快启停快启停慢动态响应能力较强强-电能质量需求稳定电源稳定或波动稳定电源电解质20-30%KOHPEM (常用Nafion)Y203/Zr02系统运维有腐蚀液体，后期运维复杂， 成本高无腐蚀性液体，运维简单， 成本低目前以技术研究为主， 尚无运维经验电解槽寿命12000 h已达到10000 h（国内）-电解槽成本 美元/kW400-600约20001000-1500环境友好较差较好-占地面积较大占地面积小

9、-目前对PEM 水电解技术的研究主要集中在电解池的设计、关键材料( 如催化剂、质子交换膜和极板) 开发以及电极的制备工艺等方面。PEM电解 水制 氢的 特点高温固体氧化物电解池(SOEC)利用各种可再生能源以及先进核能提供的热能和电能,在高温下将水蒸气高效电 解为氢气和氧气，可以实现高达50 %的热氢转化效率。SOEC中间利用致密的电解质层隔开氧气和燃料气体并同时 传导氧离子;两边采用多孔结构的氢电极和氧电极,以利于气体的扩散和传输。优点：可以利用现有固体氧化物燃料电池部分技术，采用非贵金属作为电极材料；并且耗电量低。挑战：技术尚处于研发阶段，需要解决固体氧化物电解池堆的高温稳定运行，缺乏系统

10、性经验和验证。下图展示了水电解的能量需求随温度的变化关系， 随温度的升高，电解水对热量的需求升高明显，对电能 的需求则显著下降，而总能量需求并没有大的提升。利用该 特点，选择 合适的工作 温度，SOEC 制氢可以最 大程度地降 低对高品位电能的需求，同时提升低品位工业废热的利用率。电能输入热量输入能源需求/(kJ mol1H2)300250200150100500HGTS能源总需求 电能需求 热能需求2020年，全球首套商用绿色SOEC制氢设备 将在荷兰投入使用。该项目利用废热作为热量来 源，每千瓦时电能产生的氢气可以达到普通未加 热电解槽的6倍。项目建成后每小时可生产氢气60kg，预计到20

11、24年底能生产960t绿色氢气能源。碱液制氢设备质子膜制氢设备固体氧化物制氢设备IEA:按2050年的3.22亿吨绿色和电解氢，将需要3585吉瓦的全球电解槽容量（目前约300兆瓦），以 及约14500太瓦时的电力约占世界电力供应的20%。到2025年，我国氢气年需求量约为3500万吨，可再生氢约为200万吨（2020年为50万吨），电 解槽装机总量约为20GW。 在2030年碳达峰情景下，我国氢气的年需求量将达到3715万吨，在 终端能源消费中占比约为5%，可再生氢量约为550万吨 ，电解槽装机总量约为80GW。 在2060 年碳中和情景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源

12、消费中占比约为20%。对我国，可再生能源电制绿氢是氢作为零碳新能源的关键。预计2030/2060 年可再生 能源电制绿制氢占中国氢气来源比例预计为15 /80。氢气生产成本Source: International Renewable Energy Agency, 2019a Note: LOCE (levelised cost of electricity)风能均线光伏均线风能最佳光伏最佳蓝氢（化石氢+CCS）风光发电制取绿氢在2020年前后局部地区已具有竞争力，2030年趋于评价，到2035年，全面低于蓝氢当电价为0.2元/kWh、 电解制氢系统成本降至 3000元左右/kW，制氢 成本达

13、到1.2 元/Nm3H2， 与采用碳捕集的煤气化 制氢成本相当； 当电价为0.15元/kWh、电 解 制氢系统成本降至2200 元/左右kW，制氢成本 达到 0.8元/Nm3H2，同 不采用碳捕集的煤气化 制氢成本相当电制绿氢的经济性国外欧洲氢能组织“2x40GW绿氢行动计划”：氢能广泛利用建立在可再生能源发电成本降低的基础上。未来随着可再生能源发电成本持续下降，廉价 电力下将带来廉价氢气，为氢能快速渗透提供 基础三、电氢融合及其综合利用IEA的报告指出，鉴于目前制氢产能不足，到2050年实现净零排放情景所要 求的速度推出电解槽（电制氢）是一项关键挑战，确保足够的发电能力（燃 气轮机及内燃机、

14、燃料电池）也是一项挑战。 电氢融合构建新型能源系统氢能与电能同属二次能源， 且氢能容易耦合电能、热能、 燃料等多种能源并与电能一起 建立“产业互连”的现代能源 体系。氢能与电力融合转换、 氢网与电网的有机融合、氢储 能及氢能与电能的互补支撑以 及终端综合能源系统下多种能 源的互联互通，将能够实现电 力系统峰谷调节和能源的时空 调节，推动新能源消纳和深度 零碳替代，支撑能源互联网建 设，助力双碳目标实现。基于可再生能源电制绿氢制氨、甲醇等技术，将解决无碳燃料替代、电力替代和冶金、化工等工业零碳问题。利用P2G，PTX等综合能源技术改造化石能源发电和动力系统，增强能源系统交互性，建立广泛的新型低碳

15、零碳绿色能源体系成为可能。 电氢融合构建新型能源系统通过风电、 光伏等可再生 能源制氢， 获 得真正洁净的 “绿氢”。能将间歇、 不稳定的大规 模可再生能源 转化为化学能， 促进新能源电 力的消纳。通过规模化的氢能存贮和就地或终端发电，满足多时空尺度的的能量储存转移和转化需求。风力 发电电池 储能 混合可再生能源DC直流 互联电网光伏 发电电动 汽车DCDC 混合可再生能源DC直流 互联电网光伏发电电动汽车风力 发电电池 储能DCDCDCDCDCDCDCDC氢燃料电池车氢能源网氢 电氢融合构建新型能源系统通过风电、光伏等可再生能源制氢，能实现“零碳排放”，获得真正洁净的“”;电 氢 融 合工业

16、领域交通领域建筑领域加快推进基于氢能利用的深度电能替代和零碳替代钢铁化工医学与食品氢燃料电池汽车船舶与飞机、火车、航空航天等热电联供冷热电三联供加氢站、电氢加注一体站可再生能源电制氢储氢冷热电联供氢电电氢融合构建绿色能源体系绿色电能替代是实现碳达峰，碳中和的关键所在碱性燃料电池（AFC）质子交换膜燃料电池(PEMFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)运行温度() 100 100800比功率（W/kg）10-30300-100015-20发电效率（%）45-6050-7550-60应用领域太空船、潜水艇小型发电机组交通运输电源热电联供电厂分布式发电站优点启动快、成本低常温常压下工作可低温运行低温迅

17、速启动燃料来源广氧气可做氧化剂缺点对CO2敏感，需纯氧对CO敏感，成本偏高高温工作、材料要求高燃料电池（目前市场以PEMFC为主）发电形式能量效率内燃机及外燃机10-50%燃气涡轮发动机最大可到44%燃气涡轮发动机加上蒸汽 涡轮发动机（联合循环）最大可到65%水力发动机最大可到90%风力发动机最大可到59%（理论上限）太阳能电池6%-40%（和使用技术有关， 一般的效率约15-20%，理 论上限为85%-90%）氢燃气轮机（联合循环） 85%燃料电池热电联供95%氢能高效利用燃料电池技术氢能源的动力应用有两种方式：一是直接燃烧（氢燃气轮机、氢内燃机），二是采用燃料电 池技术。“氢能燃料电池是少

18、数几个可以将不 同能源来源和终端用户联系在一起的 技术之一，在未来能源构架中起到电-热-燃料之间转换的新型载体作用”-国际能源署氢能燃料电池技术路线图芬兰Aurelia Turbine A400 高效燃氢燃气轮机，发电效 率可达40%，远高一般20%左右效率的微型燃气轮机，将突 破终端用户CCHP的现状，更重要的是以另一种氢解决方案突 破了卡诺循环的效率而拓展了氢自身的价值，改造传统燃机 有了新希望。GE与澳大利亚 10MW 100%氢燃机机组；三菱、日立电力与美国山间电力 100% 可再生氢燃料，荷兰440MW M701改造;三菱电力，30亿美元 全球首个绿色氢集成标准包HydaptiveTM和HystoreTM,100%绿氢燃料。SIEMEN 宣布2030年全部燃机产品为氢燃料STG-600 试验实现满负荷100% 氢燃料电制氢可充分发挥氢在大规模可再生能源并网消纳和储能调峰的作用，氢 燃气轮机可为高比lie电力电子可再生能源电力系统提供转动惯量，保证电 网灵活性需求，从而支撑建以可再生能源为主体的新型电力系统构建。氢能高效灵活利用氢燃气轮机通过改造燃气轮机为氢燃气轮机，帮助电网灵活性的调节氢储：规模化跨时空储能 & 制氢储氢发电发电部 分价格 ($/kW)储能部 分价格 ($/kW)整体效 率 (%)充放电循环次数单次充放电循环 设备折旧成本