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階段性新成果！中國首臺氫燃料電池混合動力機車安全運行超2萬公里

由中車大同電力機車公司(簡稱“中車大同公司”)研制的中國首臺氫燃料電池混合動力機車安全運行突破2萬公里，這是中國氫能源動力裝備市場化應用的又一階段性成果。 24日，中車大同公司總經(jīng)理付擁軍介紹，上述氫燃料電池混合動力機車自2021年試運行以來，在錦白鐵路線上已安全運行20384公里，經(jīng)受了零下30攝氏度極低氣溫和32攝氏度高溫的考驗，累計完成調(diào)車作業(yè)7127鉤，完成機車牽引總重428萬噸公里，總耗電15.29萬千瓦時，節(jié)省燃油消耗約110噸，減少碳排放約350噸。錦白鐵路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市，是蒙煤東運出海的重要運輸通道。當?shù)囟練夂驀篮?，對機車運行性能要求較高。付擁軍說，上述氫燃料電池混合動力機車在2萬公里的運行考核中適應了多氣候工作環(huán)境，各項指標高于考核指標，驗證了氫能源在鐵路機車裝備領域的可行性，標志著中國軌道交通裝備在新能源領域完成了由產(chǎn)品開發(fā)到實際應用的重大跨越。全球氫能了解到，2021年1月27日，首臺國產(chǎn)氫燃料電池混合動力機車在中車大同下線。這是我國氫能源在鐵路機車領域產(chǎn)業(yè)化應用的最新成果，標志著我國氫能利用技術取得關鍵突破，中國鐵路機車裝備駛?cè)肴驓淠芗夹g高地。資料顯示，這臺機車設計時速80公里，持續(xù)功率700千瓦，滿載氫氣可單機連續(xù)運行24.5小時，平直道最大牽引載重超過5000噸。為什么要研究氫燃料電池混合動力機車？作為重要的清潔能源，對氫燃料的合理利用是世界各國競相研究的重要科技高地，特別是在交通領域，氫能開發(fā)已經(jīng)成為重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，得到了普遍應用。目前，氫燃料在我國已成功實現(xiàn)了在航天、汽車、城市有軌電車等領域的應用。鐵路方面，當前，我國鐵路機車動力約分為非電力和電力兩種類別。非電力機車發(fā)展歷程為蒸汽（煤）、燃油，以及最新的氫氣。其中，燃煤和燃油均存在因排放造成的空氣污染，燃油還有一定的噪聲；電力機車發(fā)展歷程為直流、交流，以及最新的永磁直驅(qū)。機車效率提升依次為80%、85%和90%。交通運輸部數(shù)據(jù)顯示，2021年，全國鐵路機車擁有量為2.17萬臺，其中，內(nèi)燃機車0.78萬臺，占鐵路機車擁有量的35.94%；電力機車1.39萬臺，占鐵路機車擁有量的64.06%，2021年機車能源消耗1580.74萬噸標準煤，比上年增加31.91萬噸，同比增長2.06%。 2020年初，中車大同立項氫燃料電池應用技術研究機車研制項目，也是中國中車重大項目“燃料電池混動調(diào)車機車動力系統(tǒng)匹配及整車關鍵技術研究”重要課題，并于6月份申請了山西科技重大專項。項目于5月份完成方案設計，6月份完成技術設計，9月份開始試制，12月完成樣車調(diào)試。專家認為，氫燃料電池混合動力機車經(jīng)濟效益良好。相較傳統(tǒng)燃油和電力機車，氫燃料電池混合動力機車沒有任何污染物的排放，也不用重新架設取電網(wǎng)，在相對密閉的地鐵、隧道、礦山等環(huán)境下使用優(yōu)勢更加明顯，應用和維護成本也更低；整車采用了模塊化設計，包括司機室在內(nèi)的全部設備都實現(xiàn)了模塊化安裝，這也使氫燃料混合動力機車能夠依據(jù)客戶的實際需求和應用條件，進行不同功率等級和傳統(tǒng)+新能源等不同動力方式的靈活搭配。 ?

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氫的高壓與液化儲運應用前景

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和全球人口的急劇增長, 人類的能源需求與日俱增. 傳統(tǒng)化石燃料的使用導致了嚴重的環(huán)境污染和溫室效應問題. 我國政府為適應新發(fā)展理念的需要和高質(zhì)量發(fā)展的要求, 提出了碳達峰、碳中和的能源發(fā)展目標. 目前各國都在著力發(fā)展太陽能、風能、氫能等可再生能源, 其中氫能優(yōu)勢顯著. 氫的來源形式廣泛, 對環(huán)境友好, 質(zhì)量能量密度高, 而且易與其他可再生能源匹配使用, 有潛力在未來取代化石燃料. 2020年9月8日, 國家發(fā)展改革委員會等四部門印發(fā)意見, 指導加快新能源發(fā)展, 加快制氫加氫設施建設. 在國家的鼓勵和支持下, 一批氫儲運及應用項目開始規(guī)劃和建設, 我國氫能產(chǎn)業(yè)已進入產(chǎn)業(yè)化的快車道. 我國西部地區(qū)可開發(fā)的綠氫資源超過3億噸, 完全能夠滿足我國可持續(xù)發(fā)展的能源需求, 將從根本上確保能源戰(zhàn)略安全. 但我國能源負荷中心位于中東部, 遠離氫能儲存豐富的西部地區(qū), 因此需要遠距離輸送. 在“產(chǎn)、儲、輸、分配、應用”的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈中, 儲運環(huán)節(jié)成本超過30%, 是最為關鍵的一環(huán), 也是我國氫能布局的瓶頸. 儲氫技術大類上可以分為物理儲存和化學儲存兩類, 具體如圖1所示.?? 在物理儲存技術中, 氫氣可以通過高壓氣氫、液氫、低溫壓縮氫、漿氫以及物理吸附等形式儲存. 其中, 壓縮氫氣和金屬氫化物被認為是中小型儲氫的有效方法, 低溫液氫是大規(guī)模儲運的有效方式. 高壓氣態(tài)儲氫的單位質(zhì)量儲氫密度為1.0%~5.7%, 在常溫和20?MPa條件下的儲氫密度為17.9?kg/m3,?每千克僅需2?kW?h的耗電, 儲運能效超過90%, 技術成熟, 能耗低, 成本低, 但存在體積密度低、長途運輸成本高的問題. 低溫液態(tài)儲氫的體積儲氫密度達到70.6?kg/m3,?儲運能效約為75%, 但制備1?kg液氫需要耗費12~17?kW?h的電量, 還存在易揮發(fā)、成本高的缺點.? 化學儲氫技術是將氫儲存在有較高儲氫能力的化合物中或使氫氣與能夠氫化的金屬/合金相化合, 以固體金屬氫化物的形式儲存起來, 包括氫化物儲氫(金屬氫化物、復合氫化物、化學氫化物和間隙型氫化物)、有機液態(tài)儲氫(liquid organic hydrogen carriers, LOHC)、有機燃料重整氫和水解氫等. 其中, 有機液態(tài)儲氫的單位質(zhì)量儲氫密度達到5.0%~7.2%, 體積儲氫密度達到60?kg/m3,?存儲運輸方便, 儲運能效約為85%, 可循環(huán)使用, 但成本高且操作條件苛刻, 2021年國內(nèi)僅有一家從事有機液態(tài)儲氫的公司. 氫化物儲氫的體積儲氫密度可以達到50?kg/m3,?儲運能效約為85%, 但單位質(zhì)量儲氫密度僅為1.0%~4.5%, 且對吸放氫溫度有要求, 目前仍處于研發(fā)階段. 未來10年, 高壓氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫依然是主要的儲氫方式. 氫主要通過管道、長管拖車和槽車進行運輸. 管道輸送是最經(jīng)濟的運輸方式, 儲運能效高達95%, 維護成本較低, 運輸距離為100?km時每千克僅需1元, 但需要較高的初始成本, 目前氫氣長輸管道的造價達到每公里63萬美元. 可以采用已有天然氣管道實現(xiàn)天然氣摻氫運輸, 但由于氫脆問題, 需對天然氣管道進行一定的改造. 長管拖車單次運氫量僅為200~300?kg,?只占長管拖車總重量的1%~2%, 運輸距離為100?km時的成本高達1.1美元/kg. 與壓縮氫相比, 低溫液氫運輸可以輸送更高密度的燃料, 但由于需要絕緣和冷卻系統(tǒng), 成本較高. 液氫的管道運輸目前僅運用于航天發(fā)射場, 槽車運輸100?km的成本更是高達11元/kg. 為了促進我國氫能產(chǎn)業(yè)尤其是氫儲運環(huán)節(jié)的發(fā)展, 本文在總結(jié)分析高壓氣態(tài)和液態(tài)氫儲運技術、裝備特點及應用情況的基礎上, 對氫儲運的前景進行了展望并提出了發(fā)展建議. 1 高壓氣氫儲運技術 1.1 儲存技術 1.1.1 高壓常溫儲氫 ? 高壓氣氫儲運技術發(fā)展最為成熟, 是目前工業(yè)中使用最普遍、最直接的氫能儲運方式. 氫氣在常溫常壓狀態(tài)下密度僅為0.083?kg/m3,?質(zhì)量能量密度約為142 MJ/kg, 但單位體積能量密度僅為天然氣的1/3. 通常利用高壓壓縮的方式將氫氣儲存在特制容器中. 隨著壓力從0.1?MPa增加到70?MPa,?氫密度從0.083?kg/m3增加到40?kg/m3,?體積能量密度從11.8 MJ/m3增加到5637.4 MJ/m3. 高壓氣氫儲運具有運營成本低、承壓容器結(jié)構(gòu)簡單、工作條件較寬、易循環(huán)利用等優(yōu)點, 但缺點也較明顯, 高壓壓縮氫氣的儲氫密度仍然很低, 并且壓縮過程造成了約10%氫氣能量的損失. Züttel發(fā)現(xiàn)氫氣儲罐壓力越大, 可以儲存的氫氣量越多. 但氫氣密度并不隨著壓力升高而線性增長, 儲存壓力高達200?MPa時只能獲得70?kg/m3的氫氣密度; 壓力高于70?MPa后儲量增加不大, 因此儲存壓力一般設置為35~70?MPa.?較高的存儲壓力和氫脆現(xiàn)象還會引發(fā)容器破裂、氫氣泄漏問題. 1.1.2 低溫壓縮儲氫 ? Aceves等人首次提出的低溫壓縮氫氣存儲技術結(jié)合了壓縮氣態(tài)氫和液化氫儲存系統(tǒng)的特性. 如圖2所示, 低溫壓縮氫氣能夠?qū)崿F(xiàn)高存儲密度, 當將氫氣降溫至41?K并加壓至35?MPa時, 其體積密度為81?g/L,是70?MPa、288?K條件下壓縮氫氣密度40?g/L的2倍. 相較于高壓常溫儲氫, 它可以在較低的儲存壓力下達到較高的能量密度. 相較于低溫液態(tài)儲氫, 它可以最大限度地減少液化氫儲存的蒸發(fā)損失. 寶馬集團已經(jīng)開始對具有高能量和遠續(xù)航里程要求的氫能汽車的低溫壓縮儲氫進行驗證. 低溫壓縮罐可以兼容氣體和液體, 具有更大的靈活性和經(jīng)濟性. 1.1.3 高壓-固態(tài)復合儲氫 ? 高壓-固態(tài)復合儲氫技術將高壓氣態(tài)儲氫充放氫響應速度快與固態(tài)氫化物儲氫體積儲氫密度高、工作壓力低的優(yōu)點相結(jié)合, 是實現(xiàn)安全高效儲氫的新方法. 復合儲氫罐結(jié)構(gòu)如圖3所示. 在向氣瓶中加注氫氣時, 壓力超過儲氫材料平臺壓力后, 固體開始大量吸收氫氣, 之后氫氣被高壓壓縮儲存在空隙中. 在氣瓶放氣時, 空隙中的高壓氫氣首先釋放, 壓力降低到儲氫材料平臺壓力后, 固體開始釋放氫氣, 成為額外的氫氣來源. Liu等人采用有效儲氫容量為1.7%的ATi-Mn型儲氫合金開發(fā)了一種工作壓力低于5?MPa的氣態(tài)和固態(tài)復合儲氫系統(tǒng), 該系統(tǒng)具有40.07?kg/m3的高體積儲氫密度, 與燃料電池系統(tǒng)組合的儲能效率達到了86.4%~ 95.9%. Takeichi等人研究了高壓復合儲氫罐中儲氫材料的填充率、儲氫量和充氫壓力對儲氫系統(tǒng)的質(zhì)量與體積的影響, 發(fā)現(xiàn)如果材料的儲氫密度能夠提高, 整個高壓復合儲氫罐的質(zhì)量會顯著下降. 儲氫合金脫氫平臺的寬度與平臺斜率對儲氫系統(tǒng)持續(xù)、平穩(wěn)地輸出氫氣有一定影響. 此外, 氣瓶在短時間內(nèi)多次快速充放氫時, 氫氣壓縮膨脹做功和固體材料發(fā)生焓變引起的溫度變化會對儲罐的材料性能造成破壞, 進而影響氣瓶的儲氫能力, 因此熱效應帶來的問題不容忽視. 隨著高性能固態(tài)儲氫材料開發(fā)和高效熱管理技術的發(fā)展, 高壓-固態(tài)復合儲氫技術的性能指標將有望獲得進一步提高. 1.2 儲氫設備 1.2.1 高壓氣瓶 ? 目前, 高壓氫儲罐主要包括全金屬氣瓶(Ⅰ型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(Ⅱ型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅲ型)和非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(Ⅳ型). Ⅰ型鋼制氣瓶易受氫氣腐蝕而失效, 并且難以對容器開展安全監(jiān)測, 質(zhì)量儲氫密度僅為1%~1.5%, 常用于少量氫氣的固定儲存. Ⅱ型瓶在鋼制氣瓶圓柱段外側(cè)環(huán)向纏繞了復合材料纖維, 制造成本比Ⅰ型高50%, 但重量減輕30%~40%. Ⅲ型瓶使用復合纖維材料對金屬內(nèi)襯進行完全纏繞, 此時內(nèi)襯主要作用是防止氫氣從復合材料間隙泄漏. 不用承擔壓力的內(nèi)襯較薄, 使得Ⅲ型氣瓶的質(zhì)量大約僅為Ⅱ型的50%. 鄭津洋等人設計的鋁內(nèi)襯纖維纏繞儲罐, 承壓層選擇了碳纖維增強體和環(huán)氧樹脂基體, 氣瓶工作壓力可達40?MPa.?安瑞科公司研制出了87.5?MPa鋼質(zhì)碳纖維纏繞大容積儲氫容器, 容積提高至580?L以上, 已示范應用于大連加氫站. Ⅳ型瓶通常使用高密度聚乙烯等聚合物作為襯里, 進一步減輕了氣瓶的質(zhì)量. 日本豐田公司開發(fā)的非金屬內(nèi)膽全纖維纏繞氣瓶的額定工作壓力達到70?MPa, 質(zhì)量儲氫密度達5.7%, 體積儲氫密度為40.8?kg/m3,?但存在非金屬內(nèi)襯對氫氣的密封性欠佳和金屬與非金屬結(jié)構(gòu)連接復雜的問題. 一種將石墨烯薄片摻入聚合物基質(zhì)中的方法可以將聚乙烯和不銹鋼之間的黏附強度提高一個數(shù)量級. 還有一種全復合材料、無內(nèi)膽的壓力容器, 也即所謂的Ⅴ型, 工作壓力可達70~100?MPa,?使用壽命可達30年以上, 目前尚處于研究階段. 在高壓-固態(tài)復合儲氫罐的研究上, 豐田公司以Ti-Cr-Mn合金作為儲氫材料開發(fā)了工作壓力為35?MPa的氣罐, 儲氫容量為7?kg,體積儲氫密度約為40?kg/m3,?但質(zhì)量儲氫密度僅為1.6%. 徐雙慶等人建立了高壓-固態(tài)復合系統(tǒng)儲氫密度數(shù)值分析模型, 結(jié)果表明, 增加合金裝填量會大幅度提升系統(tǒng)體積儲氫密度, 但質(zhì)量儲氫密度降低, 內(nèi)構(gòu)件的存在導致質(zhì)量和體積儲氫密度分別降低5.0%~8.2%和2.6%~4.4%. Nguyen等人提出了具有3層絕緣結(jié)構(gòu)的便攜式儲氫罐, 工作溫度為77?K,?工作壓力小于10?MPa,?與商用Ⅳ型瓶相比, 重量減輕了31%, 質(zhì)量容量提高了11%, 材料成本降低了42%, 有望成為當前高壓儲罐的替代品. 復合儲氫技術發(fā)展的關鍵是研制質(zhì)量儲氫密度大、脫氫溫度低、循環(huán)性好的儲氫材料. 高壓氣瓶的發(fā)展不僅要關注制造成本、儲氫能力等經(jīng)濟性指標, 也需要關注3種主要的安全性問題. (1)氫脆.?氫脆是一種長期效應, 會導致金屬材料力學性能下降, 嚴重影響氫氣儲存和輸送系統(tǒng)的安全, 甚至導致容器失效, 對周圍環(huán)境造成災難性后果. 氫氣濃度、環(huán)境溫度、暴露時間、應力狀態(tài)、材料類型等因素都影響氫脆的發(fā)展進程. Meng等人對不同氫氣濃度中的X80管線鋼的材料性能進行了研究, 發(fā)現(xiàn)氫氣濃度越高, 氫脆的敏感性越高. Amaro等人針對高壓氣態(tài)氫中的管線鋼提出了工作環(huán)境中疲勞裂紋擴展的預測模型. 在抑制氫脆發(fā)生方面, Komoda等人研究了氫氣中的一氧化碳雜質(zhì)對管線鋼疲勞裂紋加速擴展的抑制作用. Michler等人報道稱, 鋁合金不受干燥的高壓氫氣環(huán)境影響, 有望用于制作儲氫容器. 具有高Cr和Ni比例的奧氏體不銹鋼具有更高的抗高壓氫脆性. 此外, Hwang等人指出, 使用聚四氟乙烯涂層可進一步提高用于液氫罐奧氏體不銹鋼的抗氫脆性. (2) 氫滲透.?滲透性是氫氣儲存需要考慮的另一個問題. Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型壓力容器的滲透不顯著, 然而, 對于具有較高氫滲透率非金屬襯里的Ⅳ型壓力容器來說, 滲透性是一個安全問題. 新容器碳纖維外包裝的氫滲透受到很大限制, 而在即將達到使用壽命的容器中, 大量的微裂紋會影響樹脂/碳纖維基質(zhì), 從而增加氫氣的滲透. Wang等人從氫滲透、熱不穩(wěn)定性和機械損傷等方面討論了襯里失效的原因, 并重點分析了替代材料的優(yōu)化策略. 由于聚酰胺具有較強的分子極性和氫鍵作用, 逐漸成為Ⅳ型儲氫罐的潛在選擇. Sun等人全面研究了填充層狀無機組分的聚酰胺6作為儲氫罐內(nèi)襯的適用性. 結(jié)果顯示, 氫氣滲透率降低了3~5倍, 但他們并未探討氣體循環(huán)對材料透氫率等性能的影響. 含有非氧化石墨烯薄片的高阻氣聚乙烯復合材料和碳纖維-石墨烯雜化復合材料在輕型高壓氣體儲存容器的應用上也具有廣闊的前景. (3) 復合材料失效.?復合材料承擔了氫氣儲罐的主要壓力, 一旦失效會導致嚴重事故, 因此掌握復合纖維材料的失效機理十分重要. 有限元技術已被廣泛應用于預測復合材料的破壞性能和強度. Wang等人基于ABAQUS建立了一個漸進損傷模型, 可以預測鋁碳纖維/環(huán)氧樹脂復合容器結(jié)構(gòu)的極限承載能力和復雜失效行為. Liu等人對比研究了復合材料容器的兩種

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從談“氫”色變到處“氫”自若還要走多久？

9月底，韓國交通部門出具一份報告顯示，2019至2021年，該國氫燃料電池及相關設施故障率大幅增加。2021年，氫燃料汽車缺陷報告86起，比2019年增長了約20多倍。 ? 隨著氫燃料汽車數(shù)量的增加，韓國擴大加氫站規(guī)模，但故障頻發(fā)。公開數(shù)據(jù)顯示，2019至2022年8月，韓國18個加氫站共發(fā)生374起故障。 ? 眾所周知，安全是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的紅線。浙江能源監(jiān)管辦原專員謝國興指出，氫在生產(chǎn)、制備、儲存、運輸、加注等過程中均具有潛在的泄漏和爆炸的危險，因此氫安全也將是決定氫能被廣泛使用的前提和條件。 ? 對此，嘉定氫能港相關負責人接受21世紀經(jīng)濟報道記者采訪時表示，氫氣有潛在的危險性，但這是純科學性問題，凡涉及到科學，都能用技術手段解決。例如飛機也存在危險，但通過技術手段上多重保險，就可以上天飛翔，使用氫氣也是一樣的道理。 ? 氫安全監(jiān)管職責不清晰 ? 氫是自然界已知最輕元素，其特性是無色無味、易泄漏擴散，與空氣或其他氧化劑結(jié)合時易著火，并釋放強能量。 ? 公開資料顯示，氫氣在空氣中的點火能為0.019mJ，比甲烷（0.2mJ）或汽油（0.24mJ）要小得多。在層流情況下，氫氣泄漏率比天然氣高26%，在湍流情況下，是天然氣的2.8倍。 ? “只要存在微弱點火源，甚至是由人體靜電釋放引起的微弱火花都會點燃氫氣。 ? 而且，氫在常態(tài)下著火不易被肉眼所見，其燃燒速度比天然氣快得多，在發(fā)現(xiàn)和消防上存在更大的困難。如果大規(guī)模地將氫應用于生產(chǎn)和生活，其潛在的安全風險絕不能低估?！敝x國興認為。 ? 但氫氣泄漏及爆炸事件時有發(fā)生。今年4月24日，齊魯石化分公司勝利煉油廠連續(xù)重整車間壓縮機區(qū)域氫氣泄漏著火，連續(xù)重整裝置、加氫裂化裝置緊急停工。 ? 2021年1月29日，AGC在韓國的顯示器工廠因管道中氫氣爆炸。2019年5月23日，位于韓國江原道江陵市的一個氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸事故。這些事故不禁引起了大眾對氫能安全性的擔憂。 ? 當前，中國各省市紛紛出臺支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。謝國興表示，但氫能管理并未完全納入國家能源管理機構(gòu)的職責中，沒有設置相關部門履行政府管理職責，氫能的法律法規(guī)等文件、特別是安全監(jiān)管職責不夠清晰。 ? 我國高等院校等研究機構(gòu)在氫安全領域開展了大量研究。謝國興指出，現(xiàn)有的規(guī)程或標準僅限于技術層面與局部的管理范圍，缺少足夠的系統(tǒng)性，不足以滿足整個氫能經(jīng)濟的發(fā)展。 ? “譬如輸氫管道及相關設施保護、氫安全應急與救援，氫氣輸送與天然氣輸送的關系，民生用氫的安全規(guī)范，政府氫能安全管理與監(jiān)管職責的劃分等，在政府安全管理或監(jiān)管方面尚未作出相應的氫能安全發(fā)展與利用的法規(guī)建設，不利于促進氫能經(jīng)濟的發(fā)展?！? ? 用技術打造安全屏障 ? 嘉定氫能港相關負責人告訴記者，除了加強頂層設計和完善相關法規(guī)建設，應對氫安全最有效的辦法是發(fā)力技術，確保儲氫設備嚴密性，攻關材料學基礎研究，創(chuàng)新氫儲運方式、完善氫泄露快速探測與防控機制等。 ? 公開資料顯示，氫對鋼制管道和設備具有劣化性，易發(fā)生氫腐蝕和氫脆，即金屬吸收內(nèi)部氫或外部氫后，局部氫濃度達到飽和時，將引起塑性下降，誘發(fā)裂紋或延遲斷裂。與輸油和天然氣相比，氫氣對儲運設備有更特殊的材料要求。 ? 2015年，豐田上市Mirai氫燃料乘用車，其70MPa高壓儲氫瓶采用的是三層結(jié)構(gòu)復合材料內(nèi)膽，內(nèi)層是密封氫氣的塑料內(nèi)襯，中層是確保耐壓強度的碳纖維強化樹脂層，表層是保護表面的玻璃纖維強化樹脂層。 ? 當前，我國大多使用碳纖維纏繞金屬內(nèi)膽的III型儲氫瓶，但氫氣易腐蝕金屬。“IV型瓶是采用塑料或樹脂內(nèi)膽，這些材料更防腐蝕，還可以提高氣密性。但發(fā)展有技術瓶頸，比如內(nèi)膽材料的研發(fā)與生產(chǎn)、密封性能提升等還需要時間。”上燃動力技術人員告訴記者。 ? 據(jù)了解，我國氫氣運輸以20MPa的長管拖車為主，20MPa相當于200倍大氣壓，若一個螺絲從中蹦出來會產(chǎn)生槍發(fā)射子彈一樣的威力。而III型瓶儲氫壓強多為35MPa，IV型瓶儲氫壓強多為70MPa. ? “在儲氫設備生產(chǎn)的過程中會做大量的槍擊實驗、火燒實驗及壓力測試等，為了防止危險性的發(fā)生，我們會對設備進行水壓爆破實驗，壓力幾乎在100MPa以上，從技術端確保設備生產(chǎn)出來后不會產(chǎn)生氫氣泄露等問題?！鄙先紕恿夹g人員表示。 ? 常溫常壓的固態(tài)儲氫設備亦有上市趨勢。氫楓能源生產(chǎn)的鎂基固態(tài)儲氫車壓力約為1MPa,“一輛承載著氫氣的鎂集固態(tài)儲氫車在路上行駛，正如一輛裝滿金屬的車輛在移動，因此，不用擔心高壓引起的安全問題?！睔錀髂茉垂ぷ魅藛T告訴記者。 ? 除此之外，清華大學教授、國際氫能協(xié)會副主席毛宗強認為，要避免安全事故發(fā)生，操作人員與管理人員必須進行安全倫理培訓。為了保證氫的安全生產(chǎn)、儲運和使用，針對不同的氫能環(huán)節(jié)，根據(jù)氫氣的特性和設備與環(huán)境的特點制定出嚴格而詳細的安全規(guī)章制度非常必要。 ? “實際上，規(guī)章制度、設備操作需要工作人員去執(zhí)行，制度再好，若操作人員不認真也不能保證氫安全。因此，操作人員與管理人員進行安全知識和崗位責任心培訓就必不可少?！?

09-13 

氫能降本難點在哪

“雙碳”背景下，氫能產(chǎn)業(yè)逐漸獲得國家層面和各地政府在政策上的大力支持，但目前氫能產(chǎn)業(yè)仍處發(fā)展初期，氫能商業(yè)模式尚不清晰、技術瓶頸有待突破，成本高昂更成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展“攔路虎”。“制氫貴、儲氫貴、加氫貴、用氫貴……氫能被視為減排必經(jīng)之路，但遲遲未被大面積應用，歸根結(jié)底在于‘貴’?！彼拇▉喡?lián)高科技股份有限公司董事長王業(yè)勤更是一語道破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。面對氫能高成本困境，產(chǎn)業(yè)該怎么做？高成本制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2022年1-5月燃料電池汽車產(chǎn)銷累計完成1277輛和935輛，2021年全年，燃料電池汽車產(chǎn)銷量分別為1777輛和1586輛，市場規(guī)模仍然較小。風氫揚氫能科技(上海)有限公司董事長劉軍瑞表示，現(xiàn)階段，氫能產(chǎn)業(yè)尚處于早期發(fā)展階段，企業(yè)普遍規(guī)模偏小、研發(fā)支出大，投入和產(chǎn)出不成比例，能夠拿到的訂單很少，絕大部分企業(yè)處于入不敷出的狀態(tài)。 “當前利用可再生能源發(fā)電制氫是業(yè)內(nèi)熱點，但氫氣成本困境依然存在。”王業(yè)勤表示，以電解水制氫為例，其中電的成本占氫氣成本至少80%，加之可再生能源制取氫氣，大多都是用離網(wǎng)的電來制取，這意味綠氫產(chǎn)量豐富的地方雖然土地成本和氫氣成本低，但普遍偏遠?！安蝗莺鲆暤氖?，再便宜的氫氣也要找下家，下游給誰用？怎么用？這些問題都持續(xù)困擾著整個產(chǎn)業(yè)。” 喜瑪拉雅公司副總裁葛榮軍指出，雖然在部分地區(qū)加氫成本呈下降趨勢，但總體來看，氫加注不便利情況普遍存在。以廣東地區(qū)為例，雖然該地區(qū)氫能及燃料電池汽車應用市場非常大，但由于氫源不充足，氫氣經(jīng)過遠距離儲運，其價格達到全國最貴，約為65元/公斤。在氫能應用端，高昂的應用及運營成本也讓燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)無法“接地氣”?！艾F(xiàn)階段，一臺氫能重卡的購置成本大約150萬元-180萬元，一臺燃料電池公交的購置成本甚至達到200萬元-300萬元，除了政府出資，幾乎沒有私人用戶愿意為這樣昂貴的氫能產(chǎn)品買單。”劉軍瑞表示。 “此外，政府訴求、產(chǎn)業(yè)需要、資本邏輯之間尚未實現(xiàn)良性互通?！眲④娙鸨硎荆邔用嫦Ｍ麣淠墚a(chǎn)業(yè)盡快實現(xiàn)自主核心技術可控，對于產(chǎn)業(yè)而言，國家補貼杯水車薪，要實現(xiàn)自主技術進步，需要大量資本加持。“需要注意的是，與資本期待快速產(chǎn)生收益不同，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是一場‘馬拉松’，如果為了拿到大量資金而過早啟動快速發(fā)展策略，氫能產(chǎn)業(yè)無法在技術、裝備等領域獲得實質(zhì)性進步，高成本問題將持續(xù)存在?！? 需加快“跑通”產(chǎn)業(yè)鏈為解決成本居高不下難題，氫能產(chǎn)業(yè)自身已從技術、國產(chǎn)化等方面進行突破。獵投基金副總經(jīng)理鄧林指出，氫能及燃料電池部分關鍵零部件、核心原材料在國產(chǎn)化方面已有顯著進步，質(zhì)子交換膜、催化劑、雙極板以及空壓機等氫能設備均已實現(xiàn)國產(chǎn)化。不過，國產(chǎn)化裝備在質(zhì)量和性能方面尚未達到最優(yōu)。在氫能交通領域，公交、物流、環(huán)衛(wèi)車等燃料電池項目更多是由政府進行示范推廣，如果沒有政府補貼，氫燃料電池汽車推廣缺乏經(jīng)濟可行性，遠未達到商業(yè)化應用條件。 “目前國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)鏈處于需要政府補貼輸血的狀態(tài)，這意味著產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益沒有正向循環(huán)，要實現(xiàn)從政府驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，最終還是要靠產(chǎn)業(yè)自我造血?！蓖鯓I(yè)勤表示。 “全球范圍內(nèi)，只有美國燃料電池上市公司普拉格能源走通了氫能全產(chǎn)業(yè)鏈并實現(xiàn)盈利。普拉格能源抓住了冷鏈物流使用的電動叉車痛點，聚焦氫能叉車的研發(fā)銷售，并完善售后服務及保障措施，成功打造普拉格能源獨特的氫能叉車銷售服務模式，于是普拉格能源從早期虧損到逐漸減虧，最終實現(xiàn)盈利?！蓖鯓I(yè)勤認為，參考美國這個成功案例，我國在氫能起步階段要盡快打通產(chǎn)業(yè)鏈，并找到盈利模式，才真正具有示范意義。此外，加氫站建設模式也亟待創(chuàng)新。劉軍瑞指出，目前，一座加氫站建設審批至少需要蓋35個章，時間精力耗費巨大；同時，單個加氫站所需商業(yè)用地價格高昂；油氫合建站由加油站改造而來，可能無法滿足未來氫能重卡的加氫需求。綜上所述，未來要將高企的加氫站成本大幅降下來，還需要政策進一步放寬對能源用途的小型制氫項目的限制，鼓勵企業(yè)建設自用加氫站，實現(xiàn)降低建設成本的同時，保證后續(xù)服務的可持續(xù)性。錢和配套缺一不可 “由于整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要還是靠補貼支撐，車輛、加氫站、氫氣等環(huán)節(jié)都需要補貼，各個環(huán)節(jié)加起來所需資金數(shù)量較大?！蓖鯓I(yè)勤指出，因此，現(xiàn)階段地方政府要做氫能，財政實力是最重要的基礎，哪怕有煤有電有其他資源，沒有強大的財政支撐，也難以保證氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)?！澳壳皝碚f，珠三角、長三角、京津冀區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達，發(fā)展氫能條件相對成熟，但二三線城市不宜盲目追風。” 把產(chǎn)業(yè)搞活，資金支持外還需多環(huán)節(jié)同時發(fā)力。王業(yè)勤表示，要發(fā)展氫能就必須規(guī)劃整個產(chǎn)業(yè)布局，而非簡單引進一個車廠或一個電堆廠家，制氫、電堆、整車包括下游應用都應全部整合起來進而形成產(chǎn)業(yè)鏈，再進行整體補貼，把產(chǎn)業(yè)鏈搞活后，當?shù)囟愂蘸途蜆I(yè)也將得到進一步發(fā)展。值得注意的是，政府對氫能產(chǎn)業(yè)的支持還有更多維度。葛榮軍認為，各地政府如何扶持氫能產(chǎn)業(yè)，應結(jié)合當?shù)禺a(chǎn)業(yè)基礎和資源稟賦。如上海、廣東地區(qū)，目前主要應用場景為物流車或公交車，但長距離重載運輸需求不多。而在內(nèi)蒙古等西北地區(qū)，可充分借助當?shù)貧湓磧?yōu)勢打造運輸場景，為氫能產(chǎn)業(yè)提供適合的應用場景，帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

08-31 

德國押寶氫能新突破：全球第一條氫動力列車鐵路正式上線！

8月24日，世界上第一條由氫動力客運火車組成的環(huán)保鐵路線在德國下薩克森州開始運營。這是一條區(qū)域線路，長約100公里，運行由法國阿爾斯通公司設計、在德國組裝的14輛氫能載客列車“Coradia iLint”。這些列車使用純氫氣作為燃料，從環(huán)境空氣中收集氧氣，在燃料電池中將這兩種氣體轉(zhuǎn)化為電能，行駛時只產(chǎn)生蒸汽和冷凝水，且噪音很低。此前這條線路主要運行柴油列車。阿爾斯通公司介紹說，這種列車的續(xù)航能力為1000公里，最高時速可達140公里。1公斤氫氣可替代約4.5升的柴油，能明顯減少對環(huán)境的影響。下薩克森州州長斯特凡·魏爾當天在啟用儀式上表示，這標志著當?shù)亟煌ú块T在應對氣候變化道路上的又一個里程碑。這種氫能列車獲得了德國“國家氫能和燃料電池技術創(chuàng)新計劃”支持，該計劃旨在通過資助，在交通部門發(fā)展有競爭力的氫能和燃料電池技術。氫氣可以在電氣化之外提供一個環(huán)保備選項。就德國的氫能列車來說，使用的氫燃料電池并不需要對軌道進行改建，而除了電流之外，氫電池只會產(chǎn)生水和熱量，可以說是真正做到了零排放。氫動力列車的另一個好處是可以通過泵為車輛重新填充氫氣，而不必像傳統(tǒng)燃料電池一樣通過充電儲能。據(jù)預測，德國未來有2500輛到3000輛柴油列車將會被氫動力列車取代。

08-29 

國家能源局：提升綠氫制備產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略地位促進“綠氫”全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

近日，國家能源局關于進一步加大對綠氫制備產(chǎn)業(yè)扶持力度的建議給出了答復，國家能源局表示將加強規(guī)劃組織策劃，提升綠氫制備產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略地位；健全法律法規(guī)政策，促進“綠氫”全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展；大力推進科技研發(fā)，開展“綠氫”制備科技專項支持。原文如下：關于十三屆全國人大五次會議第0542號建議的答復復文摘要國能建科技〔2022〕108號您提出的關于進一步加大對綠氫制備產(chǎn)業(yè)扶持力度的建議收悉。經(jīng)研究并商國家發(fā)展改革委、財政部、中國人民銀行、市場監(jiān)管總局、工業(yè)和信息化部、科技部，現(xiàn)答復如下：關于加強規(guī)劃組織策劃，提升綠氫制備產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略地位。國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》），一是明確了氫能的戰(zhàn)略定位，指出氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。二是提出“清潔低碳”的基本原則，積極構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫。三是提出可再生能源制氫相關目標，到2025年，可再生能源制氫量達到10萬～20萬噸/年，成為新增氫能消費的重要組成部分。到2030年，可再生能源制氫廣泛應用。關于健全法律法規(guī)政策，促進“綠氫”全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。一是《規(guī)劃》中提出要制定完善氫能管理有關政策，規(guī)范氫能制備、儲運和加注等環(huán)節(jié)建設管理程序，落實安全監(jiān)管責任，加強產(chǎn)業(yè)發(fā)展和投資引導。并提出研究探索可再生能源發(fā)電制氫支持性電價政策，完善可再生能源制氫市場化機制，健全覆蓋氫儲能的儲能價格機制，探索氫儲能直接參與電力市場交易。二是通過設立碳減排支持工具，支持清潔能源等重點碳減排領域發(fā)展，氫能設施建設被納入到碳減排支持工具的支持范圍。三是大力發(fā)展綠色信貸，引導金融機構(gòu)強化創(chuàng)新，加大對氫能設施建設和運營等清潔生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的金融支持。四是“氫能利用設施建設和運營”包括“清潔制氫、氫氣安全高效儲存、加氫站、氫燃料電池汽車、氫燃料電池發(fā)電、摻氫天然氣等技術設置和氫能應用”等內(nèi)容，均被列入《綠色債券支持項目目錄（2021版）》。五是強化信用評級行業(yè)監(jiān)管與培育，優(yōu)化評級產(chǎn)品供給。通過研究制定《綠色債券信用評級標準》，鼓勵評級機構(gòu)布局環(huán)境、社會和治理（ESG）領域等措施，加大信用評級對綠色低碳經(jīng)濟發(fā)展的支持力度。關于大力推進科技研發(fā)，開展“綠氫”制備科技專項支持。一是國家能源局會同科技部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，圍繞高效氫氣制備、儲運等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，研究部署“十四五”期間擬重點開展的技術創(chuàng)新任務，并制定各項任務的技術路線圖。二是國家能源局積極配合有關部門推動氫能和燃料電池標準體系建設，指導全國氫能標準化技術委員會、全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會等制修訂氫能領域國家技術標準超百項，涵蓋氫安全、制氫技術、氫儲運、加氫站、燃料電池汽車和氫能質(zhì)量等方面，初步形成氫能標準支撐體系。感謝您對國家能源工作的關心和理解，希望今后能得到您更多的支持和指導。 ?

08-22 

清潔氫發(fā)展面臨三大挑戰(zhàn)

?清潔氫一直被吹捧為脫碳的“靈丹妙藥”，但業(yè)內(nèi)機構(gòu)和專業(yè)人士表示，雖然清潔氫確實可以幫助全球?qū)崿F(xiàn)脫碳，但其發(fā)展還面臨規(guī)模、成本競爭力和基礎設施三大挑戰(zhàn)，能否成為脫碳的“靈丹妙藥”還不得而知。發(fā)展勢頭增強截至目前，全球已有41個國家發(fā)布國家氫戰(zhàn)略。2050年，全球氫需求預計增長3.5倍以上，從2021年的7500萬噸/年增至2.55億噸/年。?？松梨谡J為，到2050年，全球碳捕集與封存（CCS）和氫能的潛在市場規(guī)模將分別達到約4萬億美元和1.5萬億美元。國際氫能委員會發(fā)現(xiàn)，到2050年，氫能將占全球能源需求的22%，從現(xiàn)在起到2050年，每年可減少800億噸二氧化碳排放量，相當于將全球氣候變暖限制在1.5攝氏度內(nèi)所需總減排量的11%。今年的劍橋能源周會議由標普全球于3月7日~11日在美國得克薩斯州休斯敦舉辦，會上行業(yè)領袖一致認為，雖然清潔氫技術已成熟，但需求、產(chǎn)能和規(guī)模經(jīng)濟卻滯后。標普全球大宗商品洞察公司的氫市場監(jiān)測報告顯示，目前全球清潔氫產(chǎn)量約為200萬噸/年，但到2030年，全球清潔氫的生產(chǎn)能力將接近3000萬噸/年。標普全球大宗商品洞察公司未來能源團隊經(jīng)理安妮·羅巴表示，“按照計劃，2025年前全球有700萬噸/年的清潔氫項目將投產(chǎn)。如果按計劃完工，這些項目將占全球氫供應的9%”。清潔氫的發(fā)展速度很快。僅2021年全球就宣布了130多個大型清潔氫項目，當前全球已宣布的大規(guī)模清潔氫項目總數(shù)接近400個。據(jù)國際氫能委員會估計，2030年前，全球在氫能方面的總投資將達到5000億美元。林德公司負責清潔氫的副總裁大衛(wèi)·伯恩斯表示，“五六年前，我們考慮的是6兆瓦的生產(chǎn)設施?，F(xiàn)在我們正在建設24兆瓦的生產(chǎn)設施。我們的目標是到2030年達到千兆瓦的規(guī)模。這就是我們正在關注的規(guī)模增長”。專家認為，未來8年是實現(xiàn)凈零排放目標的關鍵時期，工業(yè)氣體領軍企業(yè)法液空、林德公司和美國空氣化工產(chǎn)品公司都打算，未來十年投資100億美元或更多資金用于清潔氫項目。生產(chǎn)成本是關鍵美國目前的灰氫成本低于1美元/千克?；覛涫亲畛Ｒ姷臍湫问剑彩枪I(yè)溫室氣體的重要來源，因為在制氫過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放沒有被捕集。即使征收碳稅，綠氫成本也需要十年才能接近灰氫成本。伯恩斯表示，“電力成本是清潔氫生產(chǎn)成本中占比最大的，約75%的清潔氫成本來自可再生電力”。2021年，美國能源部宣布了“111”計劃，即在十年內(nèi)將清潔氫的成本降低80%以上，達到灰氫的每千克1美元大關。中東、南非、大洋洲和南美洲國家的風能和太陽能發(fā)電廠將是向清潔氫過渡的關鍵，因為他們的可再生電力成本最低。然而，除非政府的政策、激勵措施和懲罰措施能減少前置生產(chǎn)成本或增加需求，否則成本削減將不可能實現(xiàn)。法液空美洲公司首席執(zhí)行官邁克·格拉夫表示，“為了充分發(fā)掘氫經(jīng)濟的潛力，進一步加快低碳、綠氫的發(fā)展和部署，美國政府需要盡快制定新的政策，促進市場增長和滲透，并為在運輸和儲存等多個能源領域使用氫能提供激勵措施”。伯恩斯對此表示贊同，“我們需要將政策、激勵和懲罰結(jié)合起來。為碳排放設定一個現(xiàn)實的價格是很重要的，這樣就會知道企業(yè)繼續(xù)排放的成本是多少”。基礎設施缺乏雖然清潔氫被譽為脫碳的“靈丹妙藥”，但其發(fā)展仍處于初期階段，面臨基礎設施缺乏的挑戰(zhàn)。但是由于氣候和地緣政治問題，清潔氫的發(fā)展不能是緩慢和漸進的，應該是快速和跨越式的。除了以規(guī)?；档蜕a(chǎn)成本，清潔氫行業(yè)還需要電解槽容量的快速發(fā)展。根據(jù)標普全球氫生產(chǎn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，歐洲在電解槽產(chǎn)能方面遙遙領先，在全球宣布2025年前新建19吉瓦的電解槽產(chǎn)能中，歐洲占了近15吉瓦。這種能力加上歐洲天然氣的“天價”（超過350美元/兆瓦時），使得歐盟的綠氫發(fā)展速度超過藍氫。電解槽是達到碳中和所需的數(shù)千吉瓦清潔氫產(chǎn)能的關鍵基礎設施，但目前電解槽產(chǎn)能缺乏，并沒有標準化生產(chǎn)。為了實現(xiàn)適當?shù)某杀拘б?，以及提高碳中和社會所需的清潔氫生產(chǎn)能力，電解槽需要標準化、大規(guī)模生產(chǎn)。電解槽制造將不會出現(xiàn)瓶頸，但關鍵材料的供應鏈持續(xù)中斷可能給清潔氫供應時間表造成壓力。

08-16 

垃圾制氫技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進展

氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包括“制—儲—運—輸—用”五大環(huán)節(jié)，其中制氫是第一個重要環(huán)節(jié)。碳排放量較低的制氫方式有技術相對成熟的電解水制氫和甲醇重整制氫，以及生物或生物質(zhì)制氫、垃圾制氫、太陽能光解水制氫、熱化學分解水制氫等試驗性方法。近年來，垃圾制氫以其成本優(yōu)勢獲得了學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注。垃圾氣化制氫的總生產(chǎn)成本約為28.74元/千克，其中垃圾氣化工段成本為13.80元/千克，合成氣凈化、氫氣分離提純工段成本為14.94元/千克。按照這一測算，垃圾制氫成本比我國已建電解水示范項目的氫氣成本36.4元/千克要低。形成規(guī)模效應后，成本有望降到20元/千克以下，與天然氣等化石能源制氫技術成本相當。垃圾制氫項目的收入方面，除了氫氣銷售收入，還包括垃圾處理費、殘渣銷售收入，以及可能的碳交易收入，能有效分攤制氫成本、降低氫氣價格。此外，垃圾制氫技術還具有重要現(xiàn)實意義：助推垃圾處理減量化、資源化、無害化。與填埋、堆肥和焚燒等傳統(tǒng)垃圾處理方式相比，氣化占地面積小，不產(chǎn)生二噁英等有毒有害物質(zhì)，處理后的氣體和殘渣均可利用。緩解局部資源短缺導致的制氫瓶頸。鑒于部分地區(qū)垃圾量大、分布廣泛，以垃圾為原材料制氫，有助于各地區(qū)豐富氫能來源、增加氫氣供給、緩解用氫緊張。從這兩個角度出發(fā)，發(fā)展垃圾制氫具有積極的意義。那么垃圾制氫現(xiàn)在發(fā)展如何了？ ? 一垃圾制氫技術研究現(xiàn)狀根據(jù)技術原理的不同，垃圾制氫技術可分為熱化學和生物化學兩大類。 1、熱化學技術熱化學技術顧名思義是基于熱化學過程的垃圾制氫技術，原理是有機物在缺氧、高溫條件下被分解為以氫氣、一氧化碳、甲烷為主的合成氣；無機物則被熔化成金屬和玻璃體渣，用于路基、建材等的原材料。典型的熱化學過程包括熱解和氣化，熱解可用于氣化之前，以提高原料的熱值。熱化學技術適用于可燃固體廢棄物，它是垃圾中的可燃組分，常見的可燃固體廢棄物包括紙類、塑料類、木料類、織物類以及垃圾衍生燃料。熱化學過程在垃圾處理方面的優(yōu)勢在于減量化，可以最大程度保留垃圾填埋場的空間。據(jù)測算，熱化學處理后，垃圾質(zhì)量減少70%~80%，體積減小約80%~90%。研究成果表明，不同條件下，基于熱化學技術的垃圾制氫方式的氫氣產(chǎn)率范圍較大，每千克可燃固體廢棄物能生產(chǎn)氫氣約20~178.7克。氫氣產(chǎn)率最高的研究來自Wu和Williams，垃圾種類為聚丙烯塑料，制氫方式為熱解（500℃）與氣化（900℃）兩階段反應，反應過程中加入了Ni-Mg-Al作為催化劑，產(chǎn)物氫氣的濃度為41.65%，氫氣產(chǎn)率為178.7g/kg。 2、生物化學技術基于生物化學過程的垃圾制氫技術，原理是利用微生物分解垃圾中的有機物以產(chǎn)生氫氣，典型的過程包括光發(fā)酵和暗發(fā)酵。暗發(fā)酵制氫是指在常壓、缺氧、黑暗條件下，通過厭氧菌分解垃圾中的有機物產(chǎn)生氫氣，其他產(chǎn)物通常為有機酸、醇、丙酮以及CO2。影響氫氣產(chǎn)率的因素很多，包括底物類別、底物濃度、菌株種類、反應時間、溫度、pH值、氫氣分壓等。由于微生物發(fā)酵施加的熱力學限制，較高的底物濃度將導致較低的氫氣產(chǎn)量。此外，過高的氫氣分壓對產(chǎn)率也有負面影響，及時移除產(chǎn)生的氫氣有助于提高氫氣產(chǎn)率。隨著氫氣分壓的增加，乳酸和乙醇等其他產(chǎn)物的濃度增加，氫氣合成減少。光發(fā)酵制氫是指在常壓、厭氧、光照條件下，通過光合細菌分解垃圾中的有機物產(chǎn)生氫氣。光轉(zhuǎn)換效率、微生物菌株、垃圾類型以及反應條件共同對氫氣產(chǎn)率施加影響。最佳的反應條件主要取決于菌株種類，通常溫度為35~37℃，pH為5~7左右。生物化學制氫的能源消耗強度遠低于熱化學過程，但氫氣產(chǎn)率和反應速率較低。研究結(jié)果表明，各類市政污泥和餐廚垃圾發(fā)酵制氫的氫氣產(chǎn)率約為8.6~174.6mL/gVS。氫氣產(chǎn)率最高的研究來自Cheng等，反應采用餐廚垃圾和污水污泥共同發(fā)酵的方式進行，有機負荷為20gVS/L，發(fā)酵溫度為35℃，初始pH為6.0，總碳轉(zhuǎn)化效率為63.3%，能量轉(zhuǎn)化效率為56.6%，氫氣產(chǎn)率為174.6mL/gVS。 ? 二垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化進展隨著氫能重要性的提升，近年來許多企業(yè)開始探索垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球已有16個垃圾制氫產(chǎn)業(yè)化項目，主要分布在歐洲、美國、日本等，詳情如圖所示。我國是世界第一制氫大國，2019年氫氣產(chǎn)量約3342萬噸，占全球總量的37.13%。其中，煤制氫、天然氣制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等方式占比分別達到63.54%、13.76%、21.18%，電解水制氫總量約50萬噸，僅占1.50%。低碳、清潔的氫氣尚未實現(xiàn)大規(guī)模供給。垃圾制氫作為一種新興的低碳氫供給方式，也有望在我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到重要的支撐作用。 ? 三? 當前面臨的主要問題當前垃圾制氫技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化面臨的主要問題主要有以下四個方面。 1、減碳仍是難題雖然垃圾制氫的優(yōu)勢突出，但不可忽視的是，垃圾中的有機物經(jīng)高溫氣化將產(chǎn)生大量CO2。這也意味著，要讓垃圾制氫變得低碳環(huán)保，碳捕集封存利用不可或缺。2021年12月，美國初創(chuàng)企業(yè)Mote宣布，將在2024年前建成一座利用木質(zhì)廢料、配備有碳捕捉與封存裝置的制氫工廠，從全生命周期來看，該制氫工廠有望成為全球首個“零碳”綠氫工廠。 2、能源利用效率偏低制氫過程需要消耗能源，從能源利用的角度看，垃圾制氫效率遠低于甲烷蒸汽重整、水電解等方式。研究結(jié)果表明，垃圾氣化、甲烷蒸汽重整、水電解制氫的熱效率分別為35%~50%、70%~75%和75%~80%。垃圾的種類、尺寸、形狀和含水量等因素都會影響反應器效率和氫氣產(chǎn)率，進而影響制氫能源利用效率。 3、垃圾質(zhì)量不達預期我國城市生活垃圾與發(fā)達國家城市生活垃圾差異較大，廚余含量高、含水率高、熱值低，對項目運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，以及污染物的達標排放存在影響。同時，垃圾原料性質(zhì)是垃圾氣化反應器和系統(tǒng)的主要設計依據(jù)，若直接引進國外主流技術，可能出現(xiàn)水土不服的情況。 4、氣化技術有待進步垃圾氣化制氫是在垃圾氣化技術上衍生出的新技術，而垃圾氣化技術對產(chǎn)業(yè)技術基礎要求較高。國外對垃圾氣化技術的研究起步比較早，在熱分選氣化技術和等離子體氣化技術等領域有較多積累，已研發(fā)出工業(yè)級技術設備。例如，美國西屋等離子體公司在20世紀90年代就取得較大進展，并于2003年在日本建設了220噸/天的用于處理生活垃圾和汽車廢渣的等離子體氣化工廠，產(chǎn)物合成氣用于發(fā)電。然而，我國等離子體氣化技術直到2018年才進入工程應用階段。垃圾制氫作為一種新興的低碳氫供給方式，也有望在我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到重要的支撐作用。研發(fā)大規(guī)模、低成本、低碳排放量的制氫技術是氫能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前提條件，是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。從我國垃圾原料性質(zhì)、制氫技術進展等看，可以從垃圾分類、制氫技術裝備研發(fā)、碳捕集封存利用技術創(chuàng)新、項目試點示范等方面推進我國垃圾制氫研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程。

08-11 

寶馬將大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池汽車

寶馬正在推進氫燃料電池汽車的批量生產(chǎn)。首席執(zhí)行官Oliver Zipse向德國商報(handelsblatt)宣布：氫作為能源載體將在世界許多地區(qū)發(fā)揮重要作用。為此，寶馬集團在一份聲明中表示將在歐洲道路上對使用氫燃料電池驅(qū)動的系列車輛進行日常測試，寶馬首款小型氫燃料電池汽車將在2022年底亮相。寶馬計劃將氫氣作為重要的動力系統(tǒng)支柱。首席執(zhí)行官Zipse表示：“寶馬X系列的高端產(chǎn)品在客戶中非常受歡迎，現(xiàn)階段的能源危機極大地推動了氫氣推進，未來還將看到燃料電池在新類別中批量生產(chǎn)”。自2013年以來，寶馬一直與日本汽車制造商豐田合作開發(fā)燃料電池技術。最近，一家中國汽車制造商首次宣布大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池汽車，德國航空航天中心的研究人員宣布以低價推出一款氫燃料電池汽車。寶馬計劃批量生產(chǎn)氫燃料電池汽車，寶馬集團發(fā)展董事會成員Klaus Fr?hlich表示：“不同的替代驅(qū)動系統(tǒng)將在未來共存，因為沒有一個單一的解決方案可以滿足全球客戶的所有移動需求。從長遠來看，氫燃料電池驅(qū)動可以成為驅(qū)動產(chǎn)品組合的第四大支柱。” 在氫推進方面是先有雞還是先有蛋的問題，隨著寶馬氫燃料電池汽車的首次道路測試而變得具體起來，以至于在批量生產(chǎn)開始之前，仍有一些障礙需要克服。寶馬集團氫燃料電池項目經(jīng)理Axel Rücker表示：“只要加氫站網(wǎng)絡仍然薄弱，客戶的低需求將導致燃料電池汽車無法實現(xiàn)盈利批量生產(chǎn)；反之，只要道路上幾乎沒有氫燃料電池汽車，運營商就不愿意擴大加氫站網(wǎng)絡的布局?！?

07-19 

綠氫占七成！歐盟可再生能源法案通過

歐盟時間2022年7月13日，歐盟議會以54票贊成、14 票反對和 6 票棄權通過了提升可再生能源占比的法案修正案，該法案由ITRE（歐洲議會的工業(yè)、研究和能源委員會）提交。在面對能源短缺的沖擊和局部熱點問題的焦慮中，歐盟最終還是將2030年可再生能源發(fā)展目標提升至45%，歐盟降低應對氣候變化目標的傳言不攻自破。同時，在綠氫、交通、建筑等領域提出了更加明確的要求，以保證可再生能源發(fā)展目標切實推進。一? 重磅內(nèi)容 2021年7月，歐洲提出“Fit for 55”（承諾在2030年底溫室氣體排放量較1990年至少減少55%的目標）一攬子新法案，其中提升可再生能源占比的法案是重要的組成。經(jīng)過多次修改，此次投票通過的修正案重要內(nèi)容如下（以下內(nèi)容根據(jù)最新版修正案和歐盟議會官網(wǎng)新聞整理，最終內(nèi)容以官方修正案終稿為準）：（1）2030年可再生能源占總能耗比例提升至45% 今年5月，歐盟委員會在官網(wǎng)公布了“REPower EU”能源計劃，提出2030年可再生能源占比達到45%的目標，根據(jù)該目標歐盟的風能、太能能裝機目標將顯著增加。但由于受到能源短缺的沖擊，各界對于歐盟能否在最終法案中確定45%的目標疑慮重重，即便是最新提升可再生能源的法案中，仍維持原來40%的目標。而此次投票，將2030年可再生能源目標確定為45%，表明了歐洲各國應對氣候變化的一致雄心！同時，修正案要求成員國跨境可再生能源發(fā)電項目翻倍（每個成員國增加至2個），以及對可再生能源技術創(chuàng)新提出了要求，在2025年至2035年期間，創(chuàng)新型可再生能源技術（如波浪或潮汐技術）要占新增可再生能源裝機至少5%的目標。（2）重點加碼綠氫發(fā)展隨著減碳要求的加強，歐盟氫的使用量將快速增長，為控制制氫產(chǎn)生的排放，歐盟對綠氫發(fā)展進行嚴格要求。在目標上，要求非生物基可再生能源制氫（新能源制氫）在終端用氫（含原料應用）占比達到40%，而2035年更要求達到70%的比例。修正案提出了低碳氫的概念，即生產(chǎn)過程中溫室氣體減排量超過70%的氫能才能算作低碳氫，2030年低碳氫（含綠氫）在氫能中的占比不低于50%。交通領域低碳氫使用比例要求翻倍，2028年占交通用能比達到2.6%，2030年需達到5%，原提案僅要求2030年達到2.6%。嚴格要求制造綠氫的電力來源于可再生能源：成員國必須確保可再生燃料的電力在國家能源和氣候計劃中。為確保綠氫用電完全是可再生的，制氫設備可以通過直接連接可再生能源發(fā)電設備，但如果是購買電力的方式，需要確保購買的綠電滿足制氫需求并保證按時刻進行電力平衡。（3）各部門降碳目標提升 2030年建筑行業(yè)總用能中，可再生能源占比至少達到49%（維持原稿內(nèi)容）。加大交通領域使用綠電和綠色燃料的比例，在原提案基準，即2030年交通部門中可再生能源占比超過14%的基礎上，溫室氣體排放強度再降低20%。為促進交通減碳目標的完成，除了要求低碳氫使用量在原提案基礎上翻番外，也加強高級生物燃料和生物制氣的應用，要求生物質(zhì)占交通用能比例2022年達到0.4%，2025年達到1%，2030年達到5%，與原提案相比也實現(xiàn)翻番。為了確保生物質(zhì)液體和氣態(tài)燃料的來源，限制生物質(zhì)固體燃料使用范圍，只有在熱功率大于20MW以上（原提案為5MW），才鼓勵生物質(zhì)直接進行電、熱、冷聯(lián)產(chǎn)。 ? 二? 中歐對比及啟示此次投票是歐盟氣候政策的重大勝利，某種程度也是中國新能源裝備企業(yè)的重要勝利，因為歐盟大部分光伏組件均需要從中國進口。在輿論的質(zhì)疑以及歐盟各成員國、各利益相關方不斷角力的過程中，盡管有所搖擺，但歐盟應對氣候變化和發(fā)展可再生能源的措施始終在加碼。在周三的另一次投票中，歐洲議會通過了修訂能源效率的法案，該法案中，歐盟的一次能源和終端能源消費均提高了節(jié)能目標：要求成員國應共同確保到2030年，終端能源消耗至少減少40%，一次能源消耗減少42.5%（相對2007年值）。這分別相當于終端能源消費減少7.4億噸石油當量，以及一次能源消費減少9.6億噸石油當量。毋庸置疑，歐盟應對氣候變化的理念和經(jīng)驗仍然值得我們借鑒，尤其在各項草案修正的過程中，歐盟應對暴漏出來的問題的切實舉措，值得我們深思：（1）從國情出發(fā)制定長期、務實的能源轉(zhuǎn)型方案。對比歐盟與中國的可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀（圖1），歐洲可再生能源（含水能）占比達到19%，中國約13%。對比尤其明顯的是中國非水可再生能源占比僅為歐洲的50%。盡管如此，中國發(fā)展新能源仍取得了舉世矚目的成就，實際上我國青海、甘肅等省份新能源發(fā)電量占比已高于歐洲的水平。歐洲非水可再生能源滲透率較高得益于氣電、水電等靈活性電源占比高等有利條件，而我國以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)顯然不利于新能源的調(diào)節(jié)與消納（圖2）。同時，歐盟充分的電力市場環(huán)境下，能引導用戶側(cè)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，也提升了新能源的滲透率。歐洲（上）和中國（下）可再生能源占比歐洲（上）和中國（下）各種電源電量占比中國以煤為主的國情，注定了我們要走一條更加艱難的“先立后破”的道路。首先是形成適應新能源大規(guī)模接入的電力系統(tǒng)環(huán)境，促進各類電源主體的協(xié)同發(fā)展，煤電、抽水蓄能、常規(guī)水電、氣電齊上陣，千方百計提高電源端的靈活性。其次是完善新能源的并網(wǎng)主體地位與責任，在地位方面支持分布式新能源、微電網(wǎng)在接網(wǎng)和交易的對等主體地位，形成集中與分散并舉的可再生能源開發(fā)格局；在責任方面，各地陸續(xù)出臺的“兩個細則”對新能源功率預測與調(diào)節(jié)、電網(wǎng)安全支撐能力方面提出了更高的要求，高比例滲透率下如何實現(xiàn)新能源與電網(wǎng)的友好互動亟須破題；三是激發(fā)電力市場活力，用價格信號調(diào)動負荷側(cè)靈活性資源的廣泛參與。（2）從根源上體現(xiàn)可再生能源的環(huán)境價值。歐盟可再生能源良性發(fā)展的一個重要原因是，可再生能源相對化石能源具有一定的經(jīng)濟競爭力，這得益于歐盟碳市場（EU-ETS）的貢獻。目前，歐盟碳市場中發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)完全有償配額，由于EU-ETS碳配額價格高昂，促使可再生能源的使用具有較好的競爭力。與碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM）相關聯(lián)，2032年前歐盟對各行業(yè)將逐步退出免費配額，將促使各個行業(yè)更多使用綠電、綠氫等可再生能源。相配套的是，歐盟對于綠氫等二次能源的可再生特性追溯非常嚴格（已充分體現(xiàn)在法案中），要求制造綠氫的可再生能源電力在時間上進行平衡。相對而言，我國碳市場建設仍處于非常初級階段，為提升可再生能源的競爭力，在配額發(fā)放方式、總量控制方面應逐步趨嚴，以促進環(huán)境溢價的出現(xiàn)，以經(jīng)濟手段促進更多資源向新能源領域集中。隨著CBAM的推進，國際接軌的必要性顯著增加，而CBAM需納入企業(yè)用電產(chǎn)生的間接排放，所以對于企業(yè)使用的綠電可追溯性要求加強。所以，企業(yè)在采購綠電時也需要進行時間上的發(fā)用電曲線匹配，雖然增加了綠電交易的難度，但客觀上有利于新能源的消納與長遠發(fā)展。