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日本和德国的氢能产业发展现状综述

2019-09-17 22:11 来源:www.xdsyzzs.com 发布:现代商业 阅读:

王欣  王苏礼  刘伟  武明堂 国家电投集团科学技术研究院有限公司

摘要:近年来,日本和德国高度重视发展氢能,氢能产业在各自国家应用也日趋广泛,技术发展全球领先。本文从氢能全产业链的角度出发,分别梳理了日、德两国在制氢、氢气储运、燃料电池应用、加氢站建设等方面的发展现状情况,旨在为国内氢能行业从业者提供参考。

关键词:氢能;全产业链;发展现状

一、日本

日本氢能及燃料电池技术研发与应用处于世界领先水平,其燃料电池技术专利数世界第一,家庭用燃料电池系统商业化程度较高,燃料电池已经开始了规模化推广。

1.技术研发领先。日本新能源产业的技术综合开发机构(NEDO)1981年开始进行燃料电池研究,包括磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体高分子燃料电池(PEFC),其后进行了氢能利用的相关技术开发、燃料电池技术和可再生能源的储存、运输技术研究。日本政府对氢能和燃料电池的技术研发支持主要以向日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)投入专项科研经费为主,同时,丰田、三洋电机、东芝等公司从20世纪90年代起就开展了燃料电池车整车及动力技术的研发。

日本的丰田和本田是氢燃料电池车的先驱,车辆具体参数如下表所示。经过多年探索,日本燃料电池汽车的功率密度已达到3.1kW/L,续航里程达到650700km,车载供氢系统技术路线逐步将储氢压力由开始的35MPa发展到目前的70MPa。其中,丰田已经上市的燃料电池车以及本田、日产即将上市的燃料电池轿车均采用70MPa车载供氢系统。

2.氢气制备仍以传统能源制氢为主。日本目前主要的制氢方式为工业副产氢和煤制氢,根据《氢和燃料电池战略路线图》计划,2030年前日本将实现氢海外进口量达到200亿-300亿标准立方米。

3.氢气储运以气态为主,同时重视液氢发展。日本在发展氢燃料电池汽车和加氢网络上选择了高压氢的技术路径,日本车企在碳纤维方面有着世界领先的技术,可以利用碳纤维缠绕技术大幅提高气瓶的耐压性能。

日本支持液氢发展,岩谷的液氢市场占有率为100%,目前在日本拥有三座液化工厂(千叶、山口、大阪),液氢总产能达到了20/天;川崎重工的氢能产业链布局是为日本打造无碳氢能供应链,通过化石能源结合碳捕捉技术获得氢气,通过电转气技术将可再生电力电解水获得氢气。

4.应用方面,燃料电池车应用普及。截至20173月,日本有1800辆氢燃料电池轿车和2辆氢燃料电池大巴运营。日本计划在2020年、2025年和2030年分别有4万辆、20万辆和80万辆燃料电池轿车运营。

5.加氢站数量全球第一。截至2017年底,日本共有加氢站95座,其中移动式加氢站35座,规划中的加氢站数量为13座。

6.家用燃料电池应用普及程度较高。家用小型热电联产装置(CHP)是日本目前普及率最高的氢能装置。不过这种装置并不是直接采用氢气进行发电,而是将液化石油气或者液化天然气先重整制成氢气,之后通入燃料电池进行反应发电,并将反应的余热用来加热水。日本从2009年开始推广燃料电池到20173月,已经取得了194710台的销量,而随着技术的进步和成熟,家用燃料电池的成本和售价也在不断下降,单个燃料电池热电联产系统的售价从2009年的303万日元(约合人民币15.15万元)下降到2017年的160万日元(约合人民币8万元),成本下降约一半。日本计划到2020年、2030年分别安装140万座和530万座这种家用微型热电联供燃料电池系统。

由于在研发及试验考核方面做了大量工作,日本曾主导20136月颁布的世界安全法规标准中燃料电池汽车的统一标准的制定工作。丰田、本田和日产已经形成了氢燃料电池车的联盟,通过氢燃料电池车的标准化,间接的要求加氢设施、其他零部件等和他们的车相一致,日本的氢燃料电池汽车市场已经形成了统一的技术标准。近年来,以日本厂商为中坚,世界主要汽车厂商的燃料电池汽车产业联盟已经建立,为此,欧美主要汽车厂家的技术路线也将与日本趋同。例如,丰田与宝马,日产与戴姆勒、福特,本田与通用等,技术路线将非常接近。

二、德国

1.加氢站建设数量在2017年增幅居世界第一。截至2017年底,德国共有56座加氢站,德国的公共加氢站数量比2016年增加一倍,增幅居世界第一。预计到2019年,德国加氢站数量将增加到100座,其中已经详细规划好了31座加氢站的地理位置。德国加氢站的数量已超过美国,仅次于日本,成为全球拥有加氢基础设施数量排名第二的国家。在此之后,进一步的扩张将取决于燃料电池车运营数量的增长,到2023年,德国规划将建设400个加氢站的建设目标。

2.燃料电池热电联供系统应用较为广泛。德国是欧洲住宅热电联供燃料电池系统的主要市场,拥有2000个微型热电联产系统。自2016年以来,国家氢能及燃料电池技术创新计划(NIP)已为此类购买者提供约10000欧元(1千瓦系统)的补贴。

3.在移动领域应用较少。尽管国家氢能及燃料电池技术创新计划(NIP)的大量资金都投入到这个领域,但德国燃料电池运营车辆仍然较少,补贴较低。截至2016年,约有240辆燃料电池汽车和16辆燃料电池公共汽车登记。德国为燃料电池车的购买者提供补贴较少,仅为4000欧元(约合人民币3.12万元),而挪威、丹麦和日本向燃料电池车购买者提供15000欧元(约合人民币11.7万元)至20000欧元(约合人民币15.6万元)的补贴。

4.燃料电池技术水平不断提升,燃料电池效率和寿命稳步提高,成本大幅下降。效率方面,固定应用领域,低温聚合物电解质膜燃料电池(LT-PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)效率为40%,高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)效率为30%2016年,家庭能源应用的总效率达到85%90%,对于工业应用,尚未达到固体氧化物燃料电池(SOFC)要求的至少60%电效率的目标。在移动应用方面,低温聚合物电解质膜燃料电池(LT-PEMFC)已成为最常见的燃料电池类型,该技术实现了55%的发电效率,这仍然与美国能源部(DOE2015年峰值电效率达到60%,到2020年达到65%的目标存在一定差距。

5.燃料电池寿命方面,自2011年以来,固定应用中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的平均寿命增加一倍,达到约25000小时;固体氧化物燃料电池(SOFC)的寿命增加了4倍,达到约40000小时。与此同时,日本领先的燃料电池已达到质子交换膜燃料电池(PEMFC)70000小时和固体氧化物燃料电池(SOFC90000小时的使用寿命,燃料电池寿命仍是商业化的障碍。在移动应用中,低温和高温聚合物电解质膜燃料电池的使用寿命从2011年的1000小时增加到现在的约5000小时。

6.燃料电池成本方面,现在德国生产的许多类型的燃料电池成本与2006年相比不到一半,在固定应用中,燃料电池成本下降了60%80%,在同一时期,领先的日本制造商通过更高产量生产燃料电池,成本下降率高达85%,只有更大规模生产才能更加节约成本,成本将继续影响市场活跃程度。

参考文献:

[1]NIP.Evaluation of the National Innovation Program Hydrogen and Fuel Cell Technology Phase 1[R],2016.

[2]中国氢能源网.燃料电池通信电源的应用分析[EB/OL].

http://www.china-hydrogen.org/observation/2013-06-20/2582.html.

[3]甄子健.日本燃料电池汽车产业化技术及战略路线图分析[J].电工电能新技术,20167.

[4]中国标准化研究院.中国氢能产业基础设施发展蓝皮书[M].北京:中国质检出版社,2016.

[5]苏树辉等.国际氢能产业发展报告2017[M].世界知识出版社,2017.

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