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德国氢能项目- 从研发到市场推广
发布时间:2016/11/2 9:12:00
                                                                                   (来源:重塑未来)
   在工业化道路上,几乎每个国家都遭遇过经济发展、资源利用和环境保护之间的失衡,德国也不例外。20世纪70年代以来,作为一个能源相对匮乏的国家,节约能源成为德国发展经济的一项基本国策,公众对于环境问题的日益重视也导致德国自由民主党以环境政策赢得政治支持。自1994年起,德国政府把科技政策的支持重点集中在发展环境保护技术和能源技术上,并且出台了很多新的能源和环境政策,旨在促进经济发展和环境保护的和谐。
         一、德国能源消耗目标

 • 所有部门减少温室气体 (1990年为基准):

 40% 2010年 → 80% 2050

 • 终端能源消费中可再生能源所占比:

 18% 2020年 → 60% 2050

 • 可再生能源对于电力供应的比例:

 40-45% 2025年 → 55-60% 2035

 • 减少一次能源消耗:

 20% 2020年 → 50% 2050

 • 能源生产力增加:

 相比于终端能源消费每年增加2.1

 • 用电量减少 (2008年为基准):

 10% 2020年 → 25% 2050

 • 与2008年相比,在建筑物供热需求到2020年降低20%,而一次能源需求在2050年下降80%。
        二、氢能及燃料电池技术国家创新计划(NIP
        为实现德国能源消耗目标,氢能和燃料电池技术将在未来移动出行和能源供应中发挥重要作用。为了保证这项技术的进一步发展,2006年,德国政府、产业界和学术界联合出台“氢能和燃料电池技术国家创新计划 (National Innovation Program Hydrogen and Fuel Cell Technology, NIP)”。NIP旨在加速基于这种面向未来技术产品的市场准备过程。
    

       截止2016年, NIP在过去的10年间总共投资14亿欧元,其中一半资金由联邦政府提供,而另一半则由创新计划参与企业共同资助。
     

BMVI:德国联邦交通和数字基础设施部

BMWI:德国联邦经济及科技部

BMBF:德国联邦教育及研究部 

BMU:德国联邦环境自然保育及核能安全部

 NIP的出台有助于创造德国高效和低排放的能源供应和消耗,其目标有以下三点:

• 通过有针对性地支持和促进氢能和燃料电池技术在移动出行、固定式和便携式发电领域的应用,加速市场的发展。

• 加强氢能和燃料电池技术在德国的价值链和附加价值。

• 确保德国在氢能和燃料电池技术的领先地位。

NIP将许多企业、用户、研究机构纳入整个开发过程,以便能够从德国向全球市场提供具有高竞争力和高附加值的尖端技术。NIP参与的示范项目如下图所示,主要涉及运输和氢能基础设施、氢供应、固定式能源供应和特殊应用市场:

CEP (Clean Energy Partership)项目: 200212月由德国交通运输部和相关行业领导者联合倡议成立,其目的是测试氢气作为燃料的适用性。有20个行业合作伙伴,比如Air Liquide, BMW, 戴姆勒,福特,壳牌,西门子,丰田,大众等参与CEP,为氢燃料电池汽车的市场推广铺平道路。

    

      • Callux 项目: 由德国联邦交通和数字基础设施部(BMVI)和产业界共同出资7500万欧元,用于家用燃料电池供热系统在德国境内实测与验证, 大约总共安排500个燃料电池供热管理系统。
   

e4ships 项目: 正在计划使用质子交换膜(PEM)和高温燃料电池技术用于大型船舶的能源供应,旨在减少排放和燃料使用。
     
       • Clean Power Net 项目:为广泛、快速和经济地使用燃料电池技术在信息技术、电信、工业过程自动化、交通控制系统等领域的能源供应铺平道路,在超过250个地点部署安全和/或离网供电系统。
               三、用于交通领域的燃料电池和氢能技术

1.德国交通运输部门能源消耗目标

•交通运输占终端能源消费近30

•自1960年以来,交通运消耗的能量增长了3倍,其中道路交通增长了5

•德国交通运输能源消耗目标:

-10 % 2020

-40 % 2050 (2005相比)

《德国政府的移动出行和燃料战略》概述了实现这些目标的途径

•传动系统电气化 (BEVs and FCEVs) 是实现目标的关键

•目标只能通过 PtG (Power to Gas)-H2 PtG-Methane实现

•可再生能源在能源中的占比需要进一步提高

•大规模储氢不可避免

2.德国氢能在交通领域中的应用

Hydrogen Mobility计划

氢燃料电池汽车在日常使用中与汽油和柴油车辆相比,不存在额外的复杂性。当燃料用完时, 一个3分钟的加注过程,可以让你重新踏上旅程,而且从排气管排出来只是水。 氢能技术也适用于较长距离的重型车辆。“We are going places with hydrogen"将成为可能。

城市或大城市地区通常必须与颗粒物、尾气和噪音污染作斗争。相比柴油或汽油,氢燃料在公共交通运输领域为公共汽车的运行提供了一个干净的替代方案。作为CEP项目的一部分,燃料电池大巴已经在大城市的公路上运行:在汉堡,第二代燃料电池公交车从2011年开始运行,在斯图加特,同一代的燃料电池公交车在2013年投入使用。这两辆公交车的示范运行,给CEP项目提供一次可以直接比较不同地形和基础设施对燃料电池大巴使用情况的影响。
   


         在乘用车方面,CEP与戴姆勒,福特,大众,本田,丰田等企业合作,积极推广氢燃料电池汽车。
              3.德国加氢站基础设施建设

  燃料电池汽车使用气态氢作为燃料。运行过程中,氢气中的化学能通过电化学反应转换成电能并驱动电动机。加氢过程与加注天然气类似,大约需要3分钟。CEP正在推进德国加氢站网络的扩张,并制定统一的标准,具体规划如下图所示。
     
       2012年6月, 德国交通部和业界合作伙伴,Air Liquide, Air Products, 戴姆勒,林德,Total德国联合签署一份关于未来氢气供应的合作文件:联合开发加氢站网络。在第一阶段,由国家创新计划支持,将在柏林、汉堡、杜塞尔多夫、法兰克福、斯图加特和慕尼黑等大都市地区以及沿着连接这些城市的高速公路上建立50个氢气加注站 (Hydrogen Refueling Station, HRS)。这种基本的氢气供应网络对于支持第一阶段燃料电池车辆的销售是必要的。
     
        2013年9月,Hydrogen Mobility 倡议合作伙伴,Air Liquide, 戴姆勒,林德,OMV,壳牌和Total,商定了一项具体的行动计划,到2023年将德国加氢站网络扩大到400家。
              4.欧洲议会和理事会指示

   2014年10月22日:  替代能源基础设施指示 (2014/94/EU)

 “根据该知识,每个成员国有两年的时间制定替代能源部署计划,并将其发送给委员会。这些计划或“国家政策框架”要列出关于建立可替代能源的加注点和目标,这些加注点需要标注可替代能源的种类。这些基础设施包括电力  氢气、天然气以及相关其他设施。”

   2015年9月15日:15th September 2015: 指令2015/1513 对于指令修改98/70/EC (FQD*) 和 2009/28/EC (RED**)

RED**:[…] 可再生能源在交通领域到2020年至少达到10%  […]

FQD*:[…] 燃料和能源供应需求到2020年至少减少6%,单位燃料消耗所排放的温室气体应当减少 […]

可再生液体燃料和非生物来源的气态燃料,指来自可再生的用于交通的气态或液态燃料。

        5.欧洲HRS基础设施发展示意图
      
下图展示了欧洲各主要国家在加氢站(HRS)建设数量的规划示意图。
      
       四、可再生能源制氢

       1.Power to Gas (电转气)

  Power to Gas (通常缩写为P2G)是将电能转化为气体燃料的技术。当使用来自风力发电的剩余电力时,该概念有时被称为Windgas。目前有三种使用方法,但在这三种方法中,最开始都是通过电解水将水裂解成氢气和氧气。

  在第一种方法中,所产生的氢气被注入天然气管道中直接用于交通运输或工业中。第二种方法是将氢气与二氧化碳结合,使用例如Sabatier或生物甲烷化反应,将两种气体转化成甲烷,但将会导致8%的额外能量转化损失。第三种方法是将木材气体发生器或沼气工厂的输出生物气体通过气体改制器与从电解器产生的氢气混合,以提高生物气体的品质。P2G可以在所有应用领域形成一个可再生能源的综合能源体系。
       
      

        2.Power-to-Gas 德国示范工程

        目前23个项目正在运行,另外3个正在规划或建设中。

       (1)示范项目:

        •不同燃料的生产:

        H2

        CH4

        Liquids

        •不同领域的应用:

        交通运输

        天然气管道

        重新电气化
   

        (2)示范项目KompElSys: 汉堡市的Power-to-Gas
       

        五、展望
        2016年至2025年氢能和燃料电池技术国家创新计划将延续,其工作重点从研究开发转移到市场激活,德国相关产业界也宣布至2025年,在氢能和燃料电池技术上的投资额至少20亿欧元以上,德国从氢能研究到其产业化过程将得到提速。
     
      

参考文献

1、https://www.now-gmbh.de/en

2、https://cleanenergypartnership.de/en/home/

3、http://enefield.eu/related-projects/callux-project/

4、http://www.e4ships.de/

5、http://www.cleanpowernet.de/

6、Dr. Hanno Butsch, NOW GmbH, Hydrogen Activities in Germany: Establishing an intergrated enregy system



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