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海上制氢技术
1、海上制氢技术安全理论与风险评估小组2021n名目氢能产业现状主要的制氢的工艺海上制氢技术路线及项目主要技术难点及风险点氢安全几点思索n名目氢能产业现状n一、氢能产业——全球氢能产业２０００年以来，世界多个发达国家／地区把氢能作为其能源体系中的重要组成部分，相继发布了氢能相关领域的进展战略规划和路线图，美国、日本、德国、韩国等发达国家更是将氢能规划上升到国家能源战略高度美国重视氢能产业技术优势的建立和前瞻技术的掌控日本致力于构建氢社会，大力推动氢能产业下游规模化和多元化利用欧洲将氢能作为能源转型和低碳进展的重要保障韩国将氢能视为绿
2、色增长战略的重要组成部分n一、氢能产业——我国氢能产业中央层面中国政府对进展氢能持主动看法，已在多项产业政策中明确提出要支持中国氢能产业进展，目前支持政策出台频率更加密集，支持力度不断增加。但截至2021年6月底，尚未出台全国性的氢能进展规划。2021年初，国家发改委、司法部发布《关于加快建立绿色生产和消费法规政策体系的意见》，将于2021年完成讨论制定氢能、海洋能等新能源进展的标准规范和支持政策。2021年4月，国家能源局发布《中华人民共和国能源法〔征求意见稿〕》，氢能被列为能源范畴。2021年6月，氢能先后被写入《2021年国民
3、经济和社会进展打算》、《2021年能源工作指导意见》。地方政府地方政府进展氢能的主动性特别高，一方面是为了践行绿色进展的理念，另一方面是为了吸引氢能产业链相关企业落户本地，促进当地产业机构调整，实现经济效益依据中投产业讨论院发布的《2021-2024年中国氢能行业投资分析及前景预报报告》显示，截止2021年6月，全国范围内省及直辖市级的氢能产业规划超过10个，地级市及区县级的氢能专项规划超过30个，包括广东、江苏、山东、安徽、四川、浙江、上海、福建、河北、北京等在内的众多省市都推出了相应的推广补贴政策。中国重视氢能产业进展，多地布局氢
4、能利用项目n一、氢能产业——工业应用氢能是一种理想的清洁能源，其在燃料电池领域的应用是进展氢能清洁利用的关键。燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，具有转换效率高、零排放等特点，是最正确的氢能利用技术。近年来，燃料电池技术的不断完善带动了以燃料电池为核心的新兴产业的快速进展，其中，氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车以及应急电源的应用已接近产业化，在船舶领域也出现了不少试验和验证讨论。n名目二、主要的制氢的工艺n二、主要的制氢的工艺制备氢气的几种主要方式包括氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢〔甲醇裂解、乙醇裂解
5、、液氨裂解等〕、石化资源制氢〔石油裂解、水煤气法等〕和新型制氢方法〔生物质、光化学等〕。现有的电解水技术很成熟，进展已经到了一个瓶颈，主要是本钱和效率问题。n二、主要的制氢的工艺水煤气法制氢本钱最低，适用规模大，但是二氧化碳排放量最高，且所产生氢气含硫量高，假如用于燃料电池，会导致燃料电池催化剂中毒，假如应用脱硫装置对其产生氢气进行处理，不但增加了额外的本钱，对技术标准的要求也很高石油和自然气蒸汽重整制氢本钱次之，约为0.7~1.6元/Nm3，能量转化率高达72%以上，但环保性不强，将来可以考虑通过碳捕捉技术削减碳排放氯碱制氢工艺成
6、本适中，在1.3~1.5元/Nm3之间，且环保性能较好，生产的氢气纯度高，目前而言适用于大规模制取燃料电池所使用的氢气原料，也是可实现度最高的氢气来源甲醇裂解和液氨裂解本钱较氯碱制氢高50%左右，较化石资源制氢技术前期投资低、能耗低，较水电解法制氢单位氢本钱低。水电解法制氢本钱最高，在2.5~3.5元/Nm3之间，且本钱在不断降低，碳排放量低，且在应用水力、潮汐、风能的状况下能量转化率高达70%以上。在将来与可再生能源发电紧密结合的条件下，水电解法制氢将进展成为氢气来源的主流路线。n二、主要的制氢的工艺——电解水技术目前电解水制氢技
7、术主要有碱性电解水、质子交换膜(PEM)电解水和固体氧化物电解水三类。其中，碱性电解水技术已经实现工业规模化产氢，商业化较为成熟；PEM电解水处于产业化进展初期，而固体氧化物电解水还处在试验室开发阶段。PEM制出的氢气纯度很高，可以直接用于燃料电池，并能满足不同用户需求。同时PEM制氢设备具有敏捷性和反应性好等优点，能在短时间内按高于额定负荷的标准运行，能够适应波动性改变，因此更适合与可再生能源发电协作。国内主要电解水技术路线性能特点对比n名目三、海上制氢技术路线及项目n三、海上制氢技术路线及项目——海水制氢海水光电催化制氢技术，
8、是在光照下通过电解水生产氢气，该技术进展较慢且太阳能转化利用效率偏低，难以实现大规模商业应用；海水光催化制氢技术，目前仍局限于试验室淡水制氢讨论阶段，技术不够成熟且受盐离子影响严重，导致太阳能转化利用率过低；传统海水电催化制氢技术则面临淡化本钱高、工艺流程冗杂等瓶颈，目前已出现了克服海水中固有离子对制氢过程的影响，并开展了海水直接制氢装备的创新研发，解决了水源的问题。目前国内外海水电解制氢技术可分为三种：海水光电催化制氢技术、海水光催化制氢技术和海水电催化制氢技术，三类技术虽然实现了海水制氢，但存在各自的问题。n三、海上制氢技术路线
9、——海上风电我国海上风电则面临着海上风电去补、抢装潮、技术创新、统筹规划等问题。大规模海上风电投产后，如何解决海上风电的并网及消纳问题，成为国内外都必需解决的问题。随着氢能技术，特殊是制氢、储氢技术的进展，以风电制氢为代表的新能源制氢技术，逐步成熟，基本具备了产业化的条件。利用海上风电制备氢气，并通过各类储运技术送到氢能源市场，开发跨越电力输送的渠道，为海上风电进展提供了可行的n三、海上制氢技术路线——海上风电制氢方案方案1高压并网将海上风电通过电网传输到高压电网，再通过电网为电解槽供电。此方式用于陆上制氢。方案2风电场与电网同时供
10、电电解槽可以通过风电场的专用电表上获取电力，也可以通过电网的电表获取电力；电解槽可以建设在海上平台，也可以建设在陆地。该方案有利于降低对输电网的影响，并从输电和配电两个方面降低电网费用和电价。方案3风电场直连电解槽由风电场负责建筑，并直接耦合〔即电解槽和风电场同时建筑，风电直接输送至电解厂〕。如此，电解槽能够直接以本钱价格获得电力，但需要得到政策支持，同时并不能完全解决输送电网建设的问题。方案4离岸电解电解槽建在风电机组内部或浮动平台上〔即建设在海上〕，用本钱较低的输电方式替代海上电缆，并且电解槽能够以风电场发电本钱价获得电力。该方式
11、需要解决氢气制备后从海上运输至陆地的问题。为目前海上风电制氢的重点方向n三、海上制氢技术路线——离岸电解海上风电—氢能制取一般包含海水淡化装置、水电解制氢装置、压缩储氢装置、风电机组监控系统及配套的电气接入装置等。其中，制氢系统集成布置于海上升压站，储氢和加氢部分布置在陆上集控中心。水电解槽通过接收风电机组产生的电能，在电解槽中产生氢气，并通过分别、枯燥、提纯等步骤产出纯度〔99.99%〕、高压力〔3.0MPa〕的高纯氢气。高纯氢气通过加压经管道，送至陆上加氢站。水电解制氢系统包括：水电解槽、海水淡化、氢气纯化装置和氢气压缩机等设备
12、。n三、海上风电制氢——欧洲项目全球海上风电看欧洲。欧洲沿海区域风能资源丰富，海上风能开发时间较早，其中又以英国和德国对海上风能的利用最为成熟。欧洲之所以看重海上风电制氢，主要缘由包括：〔1〕随着海上风电离岸越来越远，外送电缆投资本钱也逐步攀升，而且海上送出系统的建设需要大量的前期规划、勘测和审批等工作，施工期漫长，更需要各方的协作。通过电解水方式，通过管道或船舶将氢气运输到用氢地，在本钱和周期上都具备优势，甚至有些海域有现成的自然气管道可供使用，进一步降低了运氢本钱。〔2〕大规模海上风电对陆上电网形成了新的消纳压力。借助风电制氢建
13、立风储一体化系统，能够解决陆上的电网负担过重的问题，缓解电网连接问题对欧洲海上风电进展长期以来的困扰。n三、海上风电制氢——欧洲典型项目n三、海上风电制氢——DolphynHydrogen文档链接：DolphynHydrogen-phase1finalreport(海上氢能项目).pdfn三、海上风电制氢——Gigastack文档链接：GIgastack-ØrstedTheEnergyTransition.pdfn三、海上风电制氢——PosHYdon文档链接：PosHYdonPilot荷兰海上绿氢.pdfn三、海上风电制氢—
14、—我国项目目前我国的风电制氢项目与课题已经超过20个，但海上风电制氢项目数量较少，仅有少数几个科研课题及初步签约的项目。随着国内海上风电的进一步进展和风电制氢项目阅历的积累，海上风电制氢项目也将迎来一个进展高潮。国内首个风电制氢工业应用项目——沽源风电制氢综合利用示范项目。据悉，河北沽源风电制氢项目为河北省重点项目，总投资20.3亿元，该项目由河北建投新能源有限公司投资，与德国McPhy、Encon等公司进行技术合作，引进德国风电制氢先进技术及设备，在沽源县建设200兆瓦容量风电场、10兆瓦电解水制氢系统以及氢气综合利用系统三部分。
15、n名目四、主要技术难点及风险点n四、主要技术难点及风险点——关键设备PEM电解系统可以在最低功率保持待机模式，能在短时间内按高于额定负荷的标准运行，它可以适应比较快速、范围比较大的改变，更简单跟可再生能源风、光资源去协作，缺点是设备本钱比较高，使用贵金属催化剂，国内系统大多使用的是进口的质子交换膜，膜的国产化还有一些问题。它的优点在于适合小规模的分布式制氢的场所，目前国内最大产量只能做到单台每小时260立方米的氢气，碱性可以做到1200立方米的氢气，还有一个量级的差异。电解制氢技术要想在间歇性电源的储能环节中获得广泛应用，首先必需满
16、足对间歇性电源功率波动的适应性，因此需要深入讨论电解制氢装备的功率波动适应性，开发大功率、低本钱和高效率工业化碱性电解水制氢技术。同时，开发可快速响应功率波动的固体聚合物电解水制氢技术。n四、主要技术难点及风险点1、风电不稳定性带来的制氢难题风电的随机性、不稳定性、波动性较大，功率输出波动范围较大大，而水电解制氢设备对电能质量的稳定性要求较高，常见的电力波动会造成〔1〕影响设备的运行寿命，增加设备维护本钱；〔2〕影响产品氢气的纯度，氢气中氧气含量会提高，带来安全风险。2、电力本钱导致制氢本钱高一般认为，根据当前市场氢气价格70元/公
17、斤计算，电解水制氢的电费需要掌握在0.3元/千瓦时以内，才能实现氢气的经济性。目前海上风电指导价高达0.75元。在目前的电力政策下，风电制氢对比煤制氢等化石燃料电池制氢方式缺乏经济性。3、储运难目前陆上制氢后氢气运输缺乏经济性、海上制氢更是缺乏成熟的运输方式。大规模运输氢气是不经济的。如今常用的氢气运输方式有三种：管道运输；多为现场制气，氢气产出后直接投入工业应用装置。长管拖车；但一辆车仅能运输4000立方米，约0.36吨，运输效率特别低。氢瓶运输；但一个40L的钢瓶只能运输6方氢气。n名目五、氢安全几点思索n五、氢安全思索★★★
18、物理性质：氢气和自然气均为易燃易爆气体，对比物理化学性质，氢气的危急性不高于自然气。自然气已经进入千家万户成为日常使用的清洁燃气，像管理自然气一样管理氢气，落实安全措施，氢能是可以安全利用的。★★★氢与材料的相容性问题是高压氢气系统选择金属材料时的关键问题，与储氢瓶、管线、阀门、仪表、管件使用中的安全性亲密相关。氢气在到达肯定温度和压力时，会解离成直径很小的氢原子向金属材料中渗透，进入材料的氢原子又会在材料内部转化为氢分子，还会和材料中的碳发生反应造成脱碳并生成甲烷，从而在材料内部产生很大的应力，使材料的塑性和屈服强度下降而造成材料发
19、生裂纹与断裂。n五、氢安全思索不泄漏，即防止氢气尤其是压缩氢气系统的氢气泄漏。要确保储氢瓶、阀门、安全阀、管件、接头及连接件、仪表、垫圈的可靠性，选用的金属材料与氢要有良好的相容性。早发觉，即氢气泄漏后能及早发觉。要在简单发生氢气泄漏的部位设置高灵敏度的氢气浓度自动检测仪表及报警装置，一旦发生泄漏能准时报警处理。不积累，即防止氢气泄漏后的积聚。受限空间如加氢站储氢瓶的储存间和氢气压缩机间要具备良好的通风性能，易发生氢气泄漏的部位要设置与氢气检测报警联动的防爆强制通风设备，氢气泄漏时要能够快速启动强制通风设备，使氢气尽快向空中扩大。在
20、氢安全方面目前ISO发布的标准也许是有五项，其中有一部分涉及到氢材料安全相关的标准。另外，还有燃料电池安全标准，提纯氢的安全标准，氢系统安全基本要求的标准。在制备方面ISO有两项关于水电解的标准，分别是根据不同的应用场景来的，目前ISOTC197也正在修订水电解制氢的标准，打算是将这两项标准进行合并。存储和加注方面涉及到液氢储罐、气氢储罐，液氢加入连接装置，以及加氢站系列标准，目前ISOTC197更加关注在加氢站系列的标准讨论工作，相关检测方面更多涉及到材料以及与容器安全相关。建立氢安全体系：★★★安全管理制度★★★安全标准体系★★★
21、安全救援体系★★★社会认知普及
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