中国石化新能源研究所副所长杨雪:搭建研发平台 推进中国氢能产业发展

发布时间: 2023-10-10

10月9日,2023“科创中国”技术交易大会在陕西省西咸新区举行。在大会同期设立的产业链供需对接论坛上,各链主企业发布技术创新、供应链合作、项目合作需求。

中国石化新能源研究所副所长杨雪表示,在我国氢能主要在四个方面体现,工业脱碳,交通减碳,能源绿色和生活清洁。总的来看氢可以加速我国能源转型,同时也会成为新的经济增长点为高质量发展注入新的动能。但是目前来说,氢能发展还存在一些问题,第一是产业链创新能力不强,技术装备水平不高,同时氢能产业建设基础不足,自身发展基础性制度落后。

她指出,在整个氢能发展过程中,技术链和产业链一定要协同发展,互为支撑。对于技术链来说主要是制氢、储氢和运氢,整个产业链要实现非常安全、低成本,实现产业链闭环,要让产业链安全可控。创新链这块一定要科技自立自强,依据自己的力量形成原始性、集成创新和示范应用最后带动技术迭代,用技术支撑技术本身的高安全、低成本,实现创新链的闭环。在产业链方面,现在普遍比较多的是化学燃料制氢,还有工业副产氢,这两年做绿氢比较多的是电解水储氢,储氢方面基本上还是气态储氢+固态储氢。运氢主要是长管拖车,管道输氢,低温运氢,化合物运氢等等。用氢主要是在氢源,一个是氢燃料电池,一个是氢内燃机。工业用氢是冶金和炼油的用氢。

以下为发言全文:

各位领导,大家下午好。

首先非常感谢“科创中国”能提供这样一个平台让我们有机会和大家分享一下我们在氢能产业上的想法和认识,其次希望通过这个平台谈一些合作和互动,共同推进中国氢能产业发展。

我的汇报从四个方面开始。氢在这些年来已经逐渐成为国际几个重要经济体的能源发展战略,对于美国来说主要是以核心技术和企业为特征的全方位氢能发展战略,日本是立足能源安全建立氢燃料电池产业集群为主的发展战略,欧洲主要是应对气候变化特别重视绿氢在工业中的应用,中国主要结合日本和欧洲的模式。在我国氢能主要在四个方面体现,工业脱碳,交通减碳,能源绿色和生活清洁。总的来看氢可以加速我国能源转型,同时也会成为新的经济增长点为高质量发展注入新的动能。但是目前来说,氢能发展还存在一些问题,第一是产业链创新能力不强,技术装备水平不高,同时氢能产业建设基础不足,自身发展基础性制度落后。为什么中国石化一定要做氢能工作?主要是因为典型的炼化结合一体化流程图,在炼油单元中就炼厂而言,制氢单元碳排放是第二大碳排放单元,大概占总炼厂碳排18%左右,相当高。当我们用绿氢代替灰氢,每年就中石化一家可以减碳达到4000多万吨,推广到全国甚至到3亿吨甚至4亿吨。对于氢来说是炼厂最重要的物质平衡,直接影响到柴油质量和化工能源生产。如何解决可再生能源制氢波动与炼化企业稳定需求之间的矛盾成为绿氢炼化发展最重要的基础问题。这两年全国各大央企布局了很多氢能项目,中石化布局了三个比较大的氢能项目,一个是在新疆库车,一个是中石化在明年在鄂尔多斯的项目,再就是内蒙古乌兰察布的项目。对于这些项目来说,加速电解水技术的迭代,促进产业链降本,创新风光一体化可再生能源制氢电网系统和制氢系统设计就为整个氢能全部发展提供基础支撑。

我们院是中石化最大的技术研究院,原来是做一些传统的炼油,这两年转到新能源领域工作。我们主要针对绿氢,化工行业绿色低碳发展构建绿氢炼化产业链,所以我们的工作包括绿电,电解水制氢,储氢,主要是金属固态储氢。再就是用氢这块,我们主要是做交通领域的能源,燃料电池技术,再就是工业用氢。同时利用现在比较便宜的绿电,结合二氧化碳合成一些化学品,一方面作为运氢的载体,同时可以作为化工原料进一步生产三苯三烯,搭建起炼油行业的低碳减排。对于PEMWE技术来说有两种制氢形式,一个加氢站的分布制氢,一个是集中制氢。虽然它耦合非常好,但是还是存在很多科学问题没有解决,第一现在总体来说电解成本太高,应用还是有很大的困难。第二国产材料很多可靠性还没有验证。再就是跟电力系统耦合工作没有得到突破。我们主要在PEMWE技术上进行全方位布局,包括最基础的催化材料,到电解槽到整个系统。我们也是通过几年的努力逐渐搭建PEMWE技术平台,使这个技术进行不断地迭代和突破,不断提升电流密度。21年做了百千瓦电解槽,建立GW阴阳级催化剂产线,去年建立了兆瓦,200标方的电解槽,进行了工业验证,验证了它的安全性和可靠性。2024年做到电解槽规模化生产,同时单槽要进一步提升,电流密度进一步提升。这是电解槽制氢框架图,这个电解槽制氢是全球比较紧凑的,包括直流电源系统,电解槽,存水系统等,占地面积小于40平。这个槽去年12月份投产在燕山石化,我们对它进行了标定,电耗4.32每标方氢气直流电耗,装机运行非常平稳,可以超过5个9,压力可以到1.3帕,总体来说范围也比较宽。除了制氢之外,储氢也做了很多工作,在整个氢能产业链里面制储运加,制氢和运氢和用氢成本各占1/3,我们一直在想如何能把运氢成本降下去,我们花了很大精力做这个技术,包括天然气和氨。如何把炼厂,或者炼化单元搬到小小的地方用。我们在四个方面做突破和创新,一是新型催化剂设计通过它让反应器更加高效,体积更加小。二是过程强化设计,把反应、换热和传质过程更加节能。三是要做本质安全设计。最后通过反应、设备及系统多尺度,智能化集成让它变的小小的。

这是在2022年10月份在大连盛港站开的每小时500标方的甲醇制氢的战略制氢,占地面积64平左右,目前安全运行5500小时,累计产氢量超过40吨,按照甲醇价格核算,平均成本30块钱,这个还是相当有竞争力的。这个图是我们开发了一个云平台,可以通过手机随时监控装置安全性,为现场提供技术指导。我们做了天然气制氢,占地38平左右,在国内是比较小的,集成度比较高,氢气纯度能满足燃料电池的使用超过5个9。根据天然气门市价格不一样,成本也会有差异,大概18—32块钱,比现在的制氢在运到用,这个成本是低不少的。我们也做了固态储氢技术,在材料上做了创新,主要是调节材料的性质,让它能为燃料电池供氢过程更加好,同时能满足管道输氢需求,再就是在材料基础之上做了一些仿真模拟优化结构,最终在两个应用场景应用,一个是工程车上的应用,二是大量的,大规模管道输氢场景做一些耦合示范应用。在用氢这块,燃料电池这块,2022年建了年产200多公斤的铂碳催化剂产线。铂碳催化剂虽然体量不大,但是基本上被国外催化剂垄断,所以我们在催化剂方面做一些工作。2023年开发了批量化的膜电极生产制备技术,同时自己做了100千瓦的电堆,2024年打算加电站进行示范做一些快充,加电站内有加氢,有油的快充示范。当然这还是不够的,未来还要在调峰、备用电源、热电联产上做更多的示范工作。

怎么讲讲产业到底需求什么,怎么促进产业发展。在整个氢能发展过程中,技术链和产业链一定要协同发展,互为支撑。对于技术链来说主要是制氢、储氢和运氢,整个产业链要实现非常安全、低成本,实现产业链闭环,要让产业链安全可控。创新链这块一定要科技自立自强,依据自己的力量形成原始性、集成创新和示范应用最后带动技术迭代,用技术支撑技术本身的高安全、低成本,实现创新链的闭环。在产业链这块,我列了一些主要的产业链上的工段,包括制氢,现在普遍比较多的是化学燃料制氢,还有工业副产氢,这两年做绿氢比较多的是电解水储氢,储氢这块基本上还是气态储氢+固态储氢。运氢主要是长管拖车,管道输氢,低温运氢,化合物运氢等等。用氢主要是在氢源这块,一个是氢燃料电池,一个是氢内燃机。工业用氢这块是冶金和炼油的用氢。

在技术创新上个人觉得应该是以理论、设计和制造来支撑整个关键材料和核心设备的研发进而支撑规范示范应用。关键材料包括催化材料、膜材料、碳纤维、密封材料。关键组件包括膜电极,双极板,碳纸,高压密封件,为什么把双极板和碳纸变成组件,因为它不仅仅是一个东西,上面还有一些其他镀层结构。核心装备这块主要包括电解槽、电堆、氢气球罐、固态反应器、氢内燃机和氢压缩机。示范要非常注重与电力系统和用氢单位耦合,实现集中或者分散式的应用。前端时间6—9月份受国资委委托在全国转了一圈,去了长三角、珠三角、川渝、内蒙等地方,对中国氢能发展有了全貌的认识。我的总体印象是我国氢能发展初见成效,氢能产业链形成一个积极发展的态势,工业用氢和交通用氢可以做到协调发展,区域性氢能供应网络已经形成,中石化有很多加氢站做了很多供氢站。交通领域这块很多城市实现了氢能示范。供应这块发展还要积极一点,包括炼油,中石化布局了三个比较大的集中制氢项目,合成氨,还有甲醇等氢能示范应用。在整个氢能产业链上很多个关键设备和技术基本上都已经国产化,只是说性能上差一点。在规模化这块,通过规模化发展,这两年大规模项目制氢上来之后,产业成本拉了下来。但是也存在问题,全产业链还处在发展初期阶段,整个产业链不够完善。氢能项目投资密度很高,总体几乎没有特别盈利的。企业和氢能发展对政策和补贴依赖度太高了,关键零件还需要进口。氢能目前包括核心的组件,氢能的大型设备目前缺少检测平台。

具体而言对于电解水技术来说,电解水,碱水很成熟,PEM技术处于示范初期制氢装备公司蓬勃发展。制氢成本在逐渐下降,但是对于大规模应用还是有一些贵,我们特别希望的是在产业链这块,绿氢发展导入期亟需国家和地方的补贴,目前没有在绿氢制氢端给予补贴。制氢项目规划的很多,落地并没有那么多,希望这块要加速项目落地。健全分布式制氢项目,或者绿氢项目在非化工园区和加氢站法规审批完善。碱槽这块的产品指标不够明确,缺乏统一标准急需提升供货质量和安全性。

储氢这块大规模的球罐储氢技术成熟,液氢成本很高,短距离肯定是不合适的,对于长距离来说,虽然成本不是太高,但是它的气化还是不能忽略。管道输氢这块,中石化在乌兰察布到北京要建一条大概400公里的长输管道,对于管道在选材建设要求相当高,已经纳入了全国一张网的规划,铺设、建设、拆迁难度大。民用液氢运输车辆和30MPa的运氢车无法上路,没有法律支持,我们有技术,但是不能用,需求是急需发展一些更高储氢压力长管瓶来降低储氢成本。目前20MPa每个车能储300多公斤,还有30%是卸不掉的,如果能到30或者50,基本储氢量可以提升一倍,成本就可以降低一半,对于氢能的发展还是非常有效的。车载四型瓶,碳纤维瓶上国产化还要加强。在工业用氢制甲醇和氯胺这块,经济性不是特别好,需要进一步提升。再就是要制定超大球罐和大容量二型三型瓶制造法规,这块不突破,往后也很难降本。

产业链加氢端这一块,加氢站技术较为成熟,中石化建了100多座加氢站,但是存在车靠政府补贴才能生存的现象,而且发展速度比想象的要慢的多。在加电站里面,在压缩机,比如隔膜和液驱压缩机以进口为主,国内可以生产,但是要验证,核心密封材料和组件要依赖进口。希望加快加氢站审批流程,缩短流程,提升生产效率。降低政府补贴门槛,提高全产业链盈利情况,增强产业界信心。

电池是很重要的用氢技术。目前技术上没有特别大的问题,在轻卡、交通、短驳都有示范,但是还是贵,你要想不用补贴,基本都是不挣钱的,还是要加强关键核心部件的降本。技术方面一定要建平台和标准,目前支撑超高压容器零配件检测平台不足,大功率建设也不够。开展标准的研究工作,目前很多技术我们有,但是不能用,为什么?因为没有标准。在电解水技术方面我们需要开发碱性电解水和PEMWE耦合技术研究,开展离网制氢技术,PEMWE很贵,但是它有优点,如何能结合碱槽的便宜和PEMWE的灵活来降低成本很重要。关键材料这块,特别希望质子膜这块能够更快国产化,加速它的安全性和耐久性验证。国内有生产,但是没有一家能做长周期验证,保证它的安全性。国产隔膜材料性能比国外差一些。对于PEMWE,最重要的是开发大电流密度,常规碱水是2000—3000,或者4000,PEMWE一般做到1万,甚至2万,未来可以发展到3万,这样才能提升制氢的经济型。提升钛毡、钛网、多孔钛加工装备,提高制造水平。这些材料是非常重要的PEMWE里面用到的核心关键材料,这也正是切合了陕西的产业链,陕西宝鸡有很好的钛材料加工链,目前国内加工水平不是特别好,因为没有这么大的体量,所以企业没有足够的积极性改善他们的设备,导致其实对于PEMWE的发展有一定滞后。要研发电解水回收利用技术实现循环利用。

储氢这块主要是开发高强度高弹性碳纤维和高分子内胆材料,提升固态储氢密度。氢安全这块研究氢能安全技术,开发抗氢脆材料。克服长输管道全套技术来建成全国一张网工程。加氢站这块加速国产氢压缩机开发,验证安全性和性能。提高压缩机低压压缩能力,降低长馆瓶内残氢压力,提高经济性。突破高压密封件技术,实现全国产化。燃料电池这块提升性能,降本,不太存在卡脖子问题,建立体系降低贵金属的使用成本。绿氢炼化,冶金这块我不是太懂,所以我这块没有讲。还是要开发绿氢和绿氧与现代炼油和石油化工和煤化工深度耦合技术,提升绿氢的积极性。目前氧大多都是排掉的,如果把氧用起来,对于整个氢能绿氢经济型还是有好处的。结合碳捕集技术开发新型近零碳炼油,石油化工和煤化工工艺,我认为要积极发展绿电催化生产化学品技术,拓展绿电应用途径和升值空间,所有技术都离不开未来向氢安全和智能化发展。

展望。氢能的发展是长时间的过程,需要全产业链共同努力,尤其是在有区域优势和地方优势的企业要形成供给侧结构的优势,要在供氢端和用氢端形成很好的平衡,我们要积极拓展供氢方式,让供氢更加高效和便捷,积极开发用氢场景,包括工业用氢,民用用氢,不仅仅局限在燃料电池、车载、固定式发电、热电联产,还有无人机等等,只有场景建起来了,才能推动产业链的发展和融合。

我就汇报到这里,谢谢大家。