國際氫能展獲悉，為進(jìn)一步促進(jìn)我國氫能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，水電水利規劃設計總院在前期氫能研究的基礎上撰寫(xiě)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)驗開(kāi)發(fā)階段，目前不具備大規模制氫的能力。

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?；瘧秒A段;高溫固體氧化物電解水處于生產(chǎn)測試到系統驗證階段;陰離子交換膜電解水AEM處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段。中短期內的大規模電解水制氫項目，仍將以堿性電解水和PEM電解水技術(shù)為主;長(cháng)期來(lái)看SOEC和AEM技術(shù)，具備光明的應用前景。

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(cháng)使用壽命，因此具有成本上的競爭力。但是該技術(shù)使用的電解質(zhì)是強堿，具有腐蝕性和危害性，加之其啟動(dòng)、調節速度較慢，運行功率范圍較窄，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，結構緊湊，體積遠小于同規模的堿性電解系統，且運行功率范圍更寬10%～150%，啟動(dòng)更快，適應可再生能源發(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。

電解水制氫當前行業(yè)內的技術(shù)攻克目標主要是負荷響應范圍、交(直)流電耗、系統耗水量等，負荷響應范圍主要是針對新能源發(fā)電的隨機性、波動(dòng)性實(shí)現電解水制氫設備的0%~150%寬功率響應、交(直)流電耗從5.0kWh/Nm3水平降至4.0kWh/Nm3水平、系統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)驗室測試可達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、地熱等系統的熱源相結合。高溫固體氧化物技術(shù)最大優(yōu)勢在于可雙向運行，既可以利用高溫固體氧化物電解(SOEC)將電轉化為氫，亦可利用高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)將氫轉化為電，便于為電網(wǎng)或微網(wǎng)提供平衡服務(wù)，并提高設備的整體利用率，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、熱力系統構建、系統的熱安全問(wèn)題等，國外已有企業(yè)開(kāi)展小規模商業(yè)應用，國內目前仍處于實(shí)驗室規模的驗證示范階段。

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、高效相結合，其系統響應快速，亦匹配可再生能源發(fā)電的特性。若實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，亦存在降本推廣的潛力。

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

國產(chǎn)化分析

我國堿性電解技術(shù)已實(shí)現全產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化，堿性電解裝備實(shí)現工業(yè)化批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能與國際先進(jìn)水平同步，部分指標優(yōu)于國外競爭者。而產(chǎn)品成本遠低于國際水平，在市場(chǎng)上具備較強競爭力。早期聚焦堿性電解制氫技術(shù)與設備制造的廠(chǎng)商包括派瑞氫能、考克利爾競立、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、燃氣等產(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目的驅動(dòng)，行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)量大增，涌現一大批包括陽(yáng)光氫能、隆基氫能、華電重工、長(cháng)春綠動(dòng)、石化機械等新秀企業(yè)。據公開(kāi)數據統計，當前國內電解水制氫設備廠(chǎng)商規劃的總產(chǎn)能已達到38GW，以堿性電解槽為主。

我國PEM電解技術(shù)實(shí)現了大部分的國產(chǎn)化，少量核心部件如質(zhì)子交換膜主要依賴(lài)進(jìn)口。國內當前具備質(zhì)子交換膜初步生產(chǎn)能力，處于驗證階段，但核心材料，如膜樹(shù)脂、膜溶液、催化劑等多為進(jìn)口。國內第二代膜電極的制造技術(shù)已比較成熟，實(shí)現對外出口。國內PEM電解裝備廠(chǎng)家，主要包括國氫科技、山東賽克賽斯、湖南淳華、派瑞氫能、中科院大化所等，已實(shí)現小規模商業(yè)化應用，但設備價(jià)格遠高于同等規模的堿性電解槽，在電流密度、電解效率、可靠性方面，與國外存在差距。

我國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?，F階段國內企業(yè)SOEC電解制氫功率以千瓦級為主，集中在2~25kW，電流密度約0.5~1.0A/cm2。設備廠(chǎng)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月在青島投運一期兆瓦級產(chǎn)線(xiàn)，上海翌晶于4月下線(xiàn)年產(chǎn)能達百兆瓦的SOEC電堆自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)。

我國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、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研發(fā)工作。北京中電綠波于2023年8月發(fā)布全國首臺在線(xiàn)運行10Nm3/h的AEM離子膜電解槽，穩石氫能于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(xiàn)，北京申乾科技則是引進(jìn)了德國Enapter公司AEM產(chǎn)品。整體來(lái)看，AEM還是一項前沿技術(shù)，其產(chǎn)品壽命、產(chǎn)氫規模等方面，離大規模商業(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，國內早期所應用的工藝多數從國外引進(jìn)，各種工藝均從不同角度力爭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，我國合成氨行業(yè)出現過(guò)產(chǎn)能過(guò)?，F象，但現如今該行業(yè)又邁入轉型升級的快速發(fā)展階段。大型合成氨工業(yè)中，大型空分技術(shù)國內已十分成熟，低壓合成氨技術(shù)我國已步入國際先進(jìn)水平，已建成諸多大型合成氨基地，同時(shí)涌現了云天化、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)規模的企業(yè)。目前，國內已有多家企業(yè)開(kāi)始研發(fā)設計合成效果更佳的氨合成系統，最有代表性的企業(yè)有南京國昌、南京聚拓與湖南安淳等等?，F如今所設計的合成塔，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)甲醇的流程所設計的醇烴化工藝搭配醇烴化產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精制時(shí)應用的工藝所結合的新型氨合成工藝，此工藝目前設計領(lǐng)先，運行成熟?？傮w來(lái)看，國內合成氨研究基本處于國際領(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)，基本上已達到國際領(lǐng)先水平。

合成氨工藝發(fā)展趨勢是大型化、低壓化、節能化、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計與運行存在諸多挑戰，需要在合成氨工藝柔性?xún)?yōu)化與調控、大規模電解水制氫平穩運行、制氫負荷參與電網(wǎng)調控和全系統技術(shù)經(jīng)濟性等方面展開(kāi)研究?？稍偕茉措娊馑茪浜铣砂必摵傻恼{控策略和動(dòng)態(tài)控制技術(shù)是當前正全力突破的關(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)化和柔性調控技術(shù);考慮“電-熱-質(zhì)”耦合的大規模電解水制氫系統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)濟性，研究復雜變工況條件下的催化劑動(dòng)力學(xué)機制、適應柔性生產(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、氣體分離、換熱網(wǎng)絡(luò )等適配方案與協(xié)同控制，實(shí)現冷熱電互濟，提升系統靈活性，提高綜合轉換效率。

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(lèi)似，至今已有80年歷史，工藝路線(xiàn)已經(jīng)成熟穩定。國內生物質(zhì)氣化技術(shù)研究側重于氣化技術(shù)、裝備及原理三個(gè)關(guān)鍵方面。關(guān)鍵設備包括生物質(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)氣化當量比、蒸汽變換溫度、氫循環(huán)比等，未來(lái)的發(fā)展趨勢是研究如催化氣化技術(shù)、等離子體氣化技術(shù)等具有更高的轉化效率和反應速度的氣化技術(shù)，針對生物質(zhì)基合成氣的甲醇合成催化劑，不同工藝方案(氣化劑、反應溫度、壓力)下的生物質(zhì)甲醇合成系統的工藝匹配等關(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)甲烷轉化成氫氣與一氧化碳合成甲醇，或將其中的二氧化碳分離，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)現大規?；I(yè)應用。由于生物質(zhì)發(fā)酵的特性及其在反應過(guò)程中的變化比較復雜，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)化反應過(guò)程，提高轉化產(chǎn)量和質(zhì)量。實(shí)現反應過(guò)程的可控性，提高反應速率和效率、節約生產(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(xiàn)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，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?；穆肪€(xiàn)。

由CO加H2合成甲醇的工藝技術(shù)已經(jīng)成熟穩定，而對于以CO2作為原料與氫氣反應制備甲醇，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化率較低，二是較高溫度下嚴重的逆水煤氣變換反應降低了甲醇選擇性，三是反應生成的水會(huì )加速催化劑的失活。

催化劑是CO2加氫制甲醇反應的關(guān)鍵，研究側重于提高催化劑的二氧化碳轉化率，甲醇選擇性、活性及反應穩定性等方面。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，但主要側重于Cu基催化劑的研究。國內已有機構開(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備方面的研究相對較少，但從工程角度來(lái)看，工藝與設備的研發(fā)同樣具有較好的應用前景。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)在對反應器工藝的優(yōu)化以提高CO2轉化率同時(shí)節能降耗。

日本、德國相繼建成年產(chǎn)100噸和500噸的甲醇試驗工廠(chǎng)，中國科學(xué)院上海高等研究院、西南化工研究設計院亦分別建成年產(chǎn)5000噸甲醇工業(yè)試驗裝置。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(chē)輛應用等方面進(jìn)行多年探索，于2015年投資冰島碳循環(huán)國際公司，利用地熱發(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(xiàn)已打通，已經(jīng)實(shí)現中試示范，接下來(lái)還需對技術(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、綠色節能將是未來(lái)甲醇生產(chǎn)工藝發(fā)展的趨勢,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。

氫能儲輸

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

氣態(tài)儲輸

氫氣儲輸方面，高壓氣態(tài)儲輸氫操作簡(jiǎn)單、成本較低、技術(shù)成熟，是目前應用最多的氫儲輸方式，我國在固定式高壓儲氫技術(shù)方面處于國際先進(jìn)水平。高壓氣態(tài)氫儲輸的關(guān)鍵設備為壓縮機和儲氫瓶：

氫氣壓縮機主要作用為通過(guò)提高氫氣儲存密度和壓力將氫氣壓縮成高壓氫氣，儲氫瓶是氫儲輸的重要容器。在氫氣壓縮機方面，2023年國產(chǎn)90MPa氫氣壓縮機已實(shí)現商業(yè)應用落地，羿弓氫能全球首創(chuàng )“液驅+隔膜”技術(shù)方案，具備傳統隔膜壓縮機的保證氣體絕對潔凈、密封性好、單級壓縮比高、散熱性能好等優(yōu)勢，同時(shí)也兼備液驅活塞式壓縮機的適應頻繁啟停、帶載啟停、變工況運行、可維修性好(模塊化)、可實(shí)現靈活串/并聯(lián)提升排氣壓力或排量等優(yōu)勢。液驅隔膜式壓縮機可適應加氫站的變工況、頻繁啟停等需求，同時(shí)整機模塊化設計、占地面積小等方面使其具備較高的經(jīng)濟性，目前已在“嘉定氫能港”加氫站投入使用。豐電金凱威(蘇州)壓縮機有限公司發(fā)布了國內首臺250MPa超高壓隔膜氫氣壓縮機，意味著(zhù)我國在關(guān)鍵領(lǐng)域，特別是氫氣超高壓設備領(lǐng)域擺脫卡脖子實(shí)現國產(chǎn)替代的突破。

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

大容積流量、高排氣壓力隔膜壓縮機產(chǎn)品是當前和未來(lái)壓縮機廠(chǎng)商的重要研制方向，同時(shí)就儲氫瓶來(lái)說(shuō)，需進(jìn)一步提高儲輸高壓氣態(tài)儲氫的壓力和單車(chē)運氫量。

長(cháng)管拖車(chē)是最普遍的氣態(tài)氫運輸方式。由于氫氣密度小，儲氫容器自重大，長(cháng)管拖車(chē)實(shí)際運氫重量?jì)H為總運輸重量的1%~2%，因此長(cháng)管拖車(chē)運氫適用于運輸距離短且輸氫量較低的場(chǎng)景。目前我國以20MPa氣態(tài)長(cháng)管拖車(chē)運氫方式為主，單車(chē)運氫量350kg。儲存壓力是未來(lái)公路運輸的攻克方向，預計到2030年，國內長(cháng)管拖車(chē)的工作壓力可以達到35MPa，單車(chē)運氫量可達到700kg，到2050年，國內長(cháng)管拖車(chē)的工作壓力可以達到50MPa，單車(chē)運氫量可達到1200kg。

管道輸氫是實(shí)現氫氣大規模、長(cháng)距離、低成本運輸的重要方式，可分為純氫管道和天然氣摻氫管道。根據我院前期研究成果，我國輸氫管道基礎設施建設起步相對較晚，受資源市場(chǎng)規模制約，目前還未形成大規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年建成的濟源-洛陽(yáng)氫氣管道年輸量10萬(wàn)噸，是我國當前輸量最高的氫氣管道;目前已有設計壓力在6.3MPa、管徑D610mm的純氫管道示范項目已處于工程建設階段，年輸氫規?？蛇_50萬(wàn)噸/年。設計壓力在6.3MPa、管徑D813mm的純氫管道處于前期方案設計階段，預計后續可能具備規模應用條件，我國石油化工相關(guān)企業(yè)正在開(kāi)展陸上與海上輸氫管道規劃設計工作，高壓氫氣管道輸送相關(guān)技術(shù)和管材仍處于研究階段。據我院展望，全國氫管道相關(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到10MPa、管徑達到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證階段。目前在規劃、設計、施工等方面均已有天然氣摻氫示范項目，并已有項目處于運行階段。我國的天然氣摻氫示范項目以城市燃氣供給為主，隨著(zhù)管道技術(shù)的提升，2023年中石油在天然氣摻氫實(shí)驗中實(shí)現突破，天然氣最高摻氫比例已可達到24%，研究表明，利用華白數、燃燒勢、AGA指數判定，加以爆炸極限計算、擴散性安全分析，摻混氫氣的體積小于24%時(shí)，摻混氣與天然氣基準氣具有互換性。從國內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，管道內高壓富氫環(huán)境將引發(fā)管道本體及輸送設備發(fā)生氫脆和氫腐蝕。為保證摻氫管輸的安全性，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。目前國內外已開(kāi)展相關(guān)研究，包括從微觀(guān)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在機理，以及從宏觀(guān)角度測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，還可能導致沿線(xiàn)的關(guān)鍵設備及其部件產(chǎn)生氫脆、氫損傷，且隨著(zhù)氫氣摻入量的變化，摻輸設備、計量設備的可靠性和準確性也會(huì )發(fā)生變化。因此，以上涉氫設備在材料選擇、設計制造、規范標準方面與天然氣設備有較大不同。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系數更小。目前對摻氫天然氣管道多組分氣體泄漏在空氣中的氣體擴散機理尚不明晰，管道事故失效特征、事故風(fēng)險演化動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程、災害鏈式效應的蔓延及其控制方法尚不明確。長(cháng)距離輸氫管線(xiàn)完整性管理、事故應急決策及搶維修缺乏相關(guān)標準規范。

液態(tài)儲輸

低溫液態(tài)儲氫是以低溫將液化氫氣儲存到絕熱真空容器中的一種新興儲氫技術(shù)，相比于高壓氣態(tài)儲氫，低溫液態(tài)儲氫質(zhì)量密度更大，儲存氫氣純度更高。為了保證低溫、高壓條件，低溫液態(tài)儲氫需使用具有良好絕熱性能的液氫儲罐以及配套嚴格的絕熱方案與冷卻設備。氫的液態(tài)儲輸以液氫槽車(chē)為主，當前液氫槽車(chē)單車(chē)運氫量可達到4000kg，相較于20MPa高壓氣氫拖車(chē)，可使單車(chē)儲輸量提高約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，一定程度上節省了提純成本。

隨著(zhù)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，液氫儲輸是大規模長(cháng)距離儲輸氫的重要方向之一。2024年初，中集安瑞科研制的國內首臺商用液氫罐車(chē)正式下線(xiàn)，填補了我國在商用液氫儲輸裝備領(lǐng)域的空白，根據中集安瑞科公開(kāi)信息，該液氫罐車(chē)在100%無(wú)損情況下，可運輸2000km以上。未來(lái)在各方力量加持下，我國液氫產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步實(shí)現經(jīng)濟性、技術(shù)性及國產(chǎn)化的重大突破，為推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)大規模發(fā)展奠定基礎。

目前低溫液態(tài)儲氫主要應用于軍事航天等對氫氣純度要求較高的領(lǐng)域，液氫儲輸各環(huán)節涉及的設備主要有氫液化裝置、儲罐、罐車(chē)和加注系統等，均已基本具備自主國產(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，在核心設備和部件大型化、集成應用規?；确矫孢€有待創(chuàng )新。未來(lái)隨著(zhù)液化能耗的減少及保溫效率的提升，低溫液態(tài)儲氫商業(yè)化進(jìn)展有望加快。

氨和甲醇的液態(tài)儲存技術(shù)目前商業(yè)化已十分成熟，在此不再詳細分析。目前我國氨、醇尚未形成規?；斔托?，長(cháng)距離輸送氨、甲醇管道，國際上(美國、俄羅斯等)已有實(shí)證，國內尚無(wú)實(shí)際運營(yíng)案例。隨著(zhù)未來(lái)的規?；l(fā)展效應，我國氨、甲醇輸送管道有望實(shí)現6.3MPa，管徑D356mm~D406mm;隨后進(jìn)一步突破達到6.3MPa，管徑D457mm~D559mm。

固態(tài)儲輸

固態(tài)儲氫是基于氫氣與儲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)現氫氣的存儲，具有儲氫密度高、運行壓力低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。目前利用金屬氫化物儲氫技術(shù)較為熱門(mén)，單位體積的金屬可以?xún)Υ娉爻合陆П扼w積的氫氣，體積密度甚至優(yōu)于液氫。但由于固態(tài)儲氫的技術(shù)門(mén)檻較高，資金需求巨大，我國仍處于研發(fā)示范的早期階段，攻關(guān)技術(shù)主要集中在材料方向。近年國內陸續有以固態(tài)儲氫為能源供應的大巴車(chē)、卡車(chē)、冷藏車(chē)、備用電源等問(wèn)世，隨著(zhù)氫能行業(yè)及企業(yè)對該領(lǐng)域的關(guān)注度加大，固態(tài)儲氫有望在實(shí)際應用中不斷實(shí)現技術(shù)研發(fā)迭代。

目前，國內已有LAVO(氫能科技公司)固態(tài)儲氫示范項目，以“氫”為能源載體，以“固態(tài)儲氫”為核心技術(shù)，來(lái)驗證固態(tài)儲氫安全性?xún)?yōu)良、儲氫體積密度大。同時(shí)，LAVO開(kāi)放自身應用經(jīng)驗為該項目提供全球領(lǐng)先的金屬合金儲氫技術(shù)和系統設計。未來(lái)我國將在吸附儲氫和金屬儲氫的技術(shù)上進(jìn)行更多的深入研究。

氫能應用

氫能用途廣泛，可用作原料、燃料或能源儲存載體，在交通、工業(yè)、電力和建筑等領(lǐng)域廣泛應用，可助力交通、工業(yè)、電力等多個(gè)領(lǐng)域實(shí)現低碳化。當前目前主要應用在工業(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，目前國內已可實(shí)現量產(chǎn)氫能重卡、甲醇汽車(chē)等。通過(guò)氫燃料電池、氨-氫燃料電池、甲醇內燃機等應用于在汽車(chē)、軌道交通、船舶和航空器等設備，降低了長(cháng)距離高負荷交通對石油和天然氣的依賴(lài)?，F全國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(zhù)加氫等基礎設施建設逐步完善，我國燃料電池汽車(chē)、甲醇汽車(chē)的供給和需求正快速增長(cháng)。

我國生產(chǎn)氫能重卡的企業(yè)包括上汽、濰柴動(dòng)力、大運汽車(chē)、一汽等，目前已具有突破性的氫能汽車(chē)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，其峰值效率達到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)機和高壓力儲氫系統兩大核心方向，并且氫能將加快在汽車(chē)、船舶和航空器等領(lǐng)域的大規模推廣和應用。

甲醇汽車(chē)發(fā)展較早，目前技術(shù)已較為成熟。吉利是布局甲醇汽車(chē)較早的企業(yè)，從甲醇制備、甲醇輸配、甲醇車(chē)輛應用等方面進(jìn)行多年探索。吉利汽車(chē)當前是甲醇汽車(chē)主要的生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)品包括甲醇混動(dòng)汽車(chē)和純甲醇汽車(chē)，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)機熱效率提升至43.1%，甲醇發(fā)動(dòng)機熱效率提升至50.2%。陜重汽、宇通汽車(chē)等一批汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機制造企業(yè)，也具備甲醇汽車(chē)專(zhuān)有技術(shù)與自主開(kāi)發(fā)能力。就甲醇汽車(chē)而言，未來(lái)的重點(diǎn)研究方向將著(zhù)重于突破甲醇內燃機的熱效率，在未來(lái)幾年熱效率將有望達到60%以上。

綠色甲醇作為國際上公認的清潔燃料，可以實(shí)現船舶低改裝成本下柴油的部分或完全替代。我國船舶和船舶動(dòng)力制造行業(yè)也在積極推進(jìn)內河航運、江海直達、近海運輸甲醇燃料動(dòng)力船舶的制造。以中船重工為主的研究機構也在積極研發(fā)。就甲醇船舶而言，未來(lái)的重點(diǎn)研究方向將著(zhù)在直噴甲醇發(fā)動(dòng)機、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)現減碳目標最重要的措施，綠色航空煤油是指從非化石資源而來(lái)的C8～15液體烴類(lèi)燃料，綠色航空煤油可以通過(guò)對植物油、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)費托合成工藝后，再加氫裂化、加氫異構改質(zhì)生成。清華大學(xué)研究團隊通過(guò)設計指向含芳環(huán)航煤餾分為目標產(chǎn)物的工藝路線(xiàn)，從熱力學(xué)上實(shí)現一步生產(chǎn)航空煤油，目前已完成100噸/年的小型生產(chǎn)實(shí)驗。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)的主要工藝方向為生物質(zhì)氣化-費托合成工藝，研究重點(diǎn)為高轉化率、低成本的催化劑及多相反應器設計。

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)、結構緊湊、功率密度高等成為研究熱點(diǎn)和氫燃料電池汽車(chē)邁入商業(yè)化進(jìn)程的首選，目前已經(jīng)廣泛應用于電力等領(lǐng)域，是應用最廣泛的燃料電池類(lèi)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，轉換效率較高，但運行溫度在600攝氏度以上，啟動(dòng)較慢，需要耐高溫材料維持系統運行，成本較高，系統維護難度較大。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)現了商品化，但成本仍然較高。

質(zhì)子交換膜燃料電池結構比較復雜，完整的燃料電池系統包括電堆和BOP系統，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系統主要包括空壓機、氫循環(huán)系統、DC-DC轉換器、控制器、加濕器等關(guān)鍵設備。盡管我國燃料電池產(chǎn)業(yè)近年來(lái)取得了很大進(jìn)展，但與國際先進(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)鍵參數與當前國際先進(jìn)水平仍存在一定差距;二是國內產(chǎn)品沒(méi)有得到充分的應用驗證，在可靠性和耐久性方面與國際先進(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)鍵材料部件對進(jìn)口產(chǎn)品依賴(lài)較大。催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、雙極板、膜電極、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)系統等燃料電池關(guān)鍵材料部件以及電堆、系統是未來(lái)自主研發(fā)的重點(diǎn)。

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