1、氫能發(fā)展的背景
氫是重要工業(yè)原料,在合成氨、合成甲醇、石油煉化中廣泛使用,也是金屬冶煉的重要原料,廣泛用于鎢、鉬、鈷、鐵等金屬和鍺、硅的生產(chǎn)。根據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),中國2020年氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)量約3300萬噸,生產(chǎn)方面絕大多數(shù)來自于煤、天然氣等化石能源,消費(fèi)方面主要是合成氨、合成甲醇、石油煉化等。
圖1 中國氫氣生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)
(資料來源:國際能源署《中國耦合CCUS制氫機(jī)遇》)
傳統(tǒng)的氫工業(yè),以集中的工業(yè)園區(qū)建設(shè)為主,制氫和用氫統(tǒng)一在園區(qū)內(nèi),在有限地理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成,即完成了氫的制、儲、用的產(chǎn)業(yè)鏈條閉環(huán)。而隨著以燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)為代表的移動(dòng)氫用戶的興起,打破了傳統(tǒng)氫工業(yè)有限地理空間的限制,氫從工業(yè)原料屬性逐漸兼具能源屬性,同時(shí)對儲運(yùn)的需求也應(yīng)運(yùn)而生。在雙碳戰(zhàn)略背景下,一方面,以風(fēng)光等綠電制氫替代傳統(tǒng)化石能源制氫,是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)氫工業(yè)減碳的關(guān)鍵技術(shù)路徑;另一方面,氫的高質(zhì)量能量密度,為風(fēng)光等高波動(dòng)性電源的消納和儲存提供了可選方案;氫與電的深度耦合,使得氫的能源屬性進(jìn)一步明確,“氫能”的內(nèi)涵和場景由此定性和確立。
在氫能場景下,氫制取方面,風(fēng)光等綠電制氫區(qū)別于傳統(tǒng)的化石能源制氫,技術(shù)上面臨電源高波動(dòng)性的問題,成本上面臨傳統(tǒng)制氫方式比價(jià)問題。氫儲運(yùn)方面,燃料電池汽車移動(dòng)氫用戶的興起和風(fēng)光資源時(shí)空分布的廣泛性,對氫的儲運(yùn)技術(shù)提出了新的要求,大規(guī)模、低成本、高效安全的儲運(yùn)技術(shù)顯得尤為迫切。氫利用方面,對于合成氨、合成甲醇和石油煉化等面臨工藝生產(chǎn)流程的重塑,重新達(dá)到系統(tǒng)能量和物料的平衡;對于電力方面,氫儲能和氫發(fā)電等面臨技術(shù)路線和商業(yè)模式的探索;對于交通方面,面臨燃料電池技術(shù)迭代進(jìn)步和降成本等問題。在氫能場景下,如何解決和發(fā)展氫制、儲、用的技術(shù)問題,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈條高效、安全和低成本的產(chǎn)業(yè)閉環(huán),是行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)所在。
2、氫能的制取
根據(jù)氫氣制取方式和碳排放情況不同,氫氣分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫,其中灰氫是利用煤、天然氣等化石燃料制取,碳排放高;藍(lán)氫則利用化石燃料制取,配合CCUS技術(shù),碳排放相對較低;綠氫是通過可再生能源電解制氫,基本實(shí)現(xiàn)零碳排放。目前,國內(nèi)以灰氫為主,而綠氫發(fā)展速度最快。根據(jù)國家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2025)》的要求,氫的制取方面“構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系,重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫,嚴(yán)控化石能源制氫。”
目前,綠氫的主要生產(chǎn)方式為電解水制氫,三種常見的電解水方式如下:
堿性電解水制氫是目前使用最廣泛的電解水制氫方式;質(zhì)子交換膜電解水制氫是被認(rèn)為應(yīng)對波動(dòng)性電源極具發(fā)展?jié)摿Φ闹茪浞绞?固體氧化物電解水制氫是效率最高的制氫方式。
此外,熱化學(xué)反應(yīng)制氫、光解水制氫、生物發(fā)酵制氫等新型制氫方式處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室階段。
對比傳統(tǒng)化石燃料制氫,可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)階段并不具備經(jīng)濟(jì)性競爭優(yōu)勢,但是考慮減排效益,結(jié)合可再生能源的電解水制氫是綠色氫能發(fā)展的必然選擇。隨著可再生能源規(guī)模不斷擴(kuò)大,可再生能源電力成本仍會進(jìn)一步下降,相應(yīng)的電解水制氫成本也將持續(xù)下降。
圖2 氫氣生產(chǎn)成本及碳排放情況對比
(資料來源:能源轉(zhuǎn)型委員會《Making the Hydrogen Economy Possible》)
3、氫能的儲運(yùn)
氫能產(chǎn)業(yè)興起,是以燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展為先導(dǎo),因此常見的氫氣儲存方式為移動(dòng)的氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫、固態(tài)合金儲氫三種方式,重點(diǎn)是安全、低成本地提高質(zhì)量儲氫率問題。
隨著作為大規(guī)??稍偕茉聪{與化工生產(chǎn)耦合媒介,對大規(guī)模、低成本的儲運(yùn)方式日益迫切,有管道輸送、大型儲氫罐、地下巖穴儲氫等。重點(diǎn)是穩(wěn)持久的需求,分?jǐn)偼顿Y成本過高的問題;同時(shí),通過工程示范和科學(xué)研究,逐漸完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。
鑒于氫氣可以和氨、甲醇靈活轉(zhuǎn)化,業(yè)內(nèi)也在探索,利用氨和甲醇成熟的儲運(yùn)體系,完成氫能的儲運(yùn)。關(guān)鍵點(diǎn)在于提升相互轉(zhuǎn)化的效率。
圖3 各類儲氫技術(shù)成本及應(yīng)用場景對比
(資料來源:能源轉(zhuǎn)型委員會《Making the Hydrogen Economy Possible》)
現(xiàn)階段,我國主要采用20MPa氣態(tài)高壓儲氫與集束管車運(yùn)輸?shù)姆绞?。?dāng)用氫規(guī)模擴(kuò)大、運(yùn)輸距離增長后,提高氣氫運(yùn)輸壓力或采用液氫槽車、輸氫管道等運(yùn)輸方案才可以滿足高效經(jīng)濟(jì)的要求??傮w而言,氫的儲運(yùn)體系建設(shè),可以借鑒天然氣儲運(yùn)體系,結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場景,選擇合適的儲運(yùn)方式。
4、氫能的利用
根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》劃分標(biāo)準(zhǔn),氫能應(yīng)用場景主要包括交通、儲能、發(fā)電和工業(yè)四大類。
氫能在交通領(lǐng)域應(yīng)用包括乘用車、商用車、火車、船舶、航空器等,主要技術(shù)涉及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。目前,PEMFC雙極板和催化劑材料的成本占據(jù)主導(dǎo)地位,未來技術(shù)進(jìn)步、材料升級以及規(guī)?;a(chǎn)是降成本的重要方式。
氫儲能是化學(xué)儲能的一種形式,氫儲能可與新型電力系統(tǒng)高度耦合,克服新能源電力儲存的難題,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)儲能,是少有的能夠儲存百GWh規(guī)模能量以上的儲能方式,支撐新能源成為新型電力系統(tǒng)的低碳能源。目前處于起步研究階段。
氫能發(fā)電可以用來解決電網(wǎng)削峰填谷、可再生能源電力并網(wǎng)穩(wěn)定性問題,有利于提高電網(wǎng)安全性和靈活性,并大幅度降低碳排放。目前,以SOFC燃料電池為主的分布式發(fā)電已在歐美日韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)開始初步商業(yè)化。我國分布式電源技術(shù)正在加緊應(yīng)用示范推廣,隨著技術(shù)進(jìn)步和成本下降,不斷向商業(yè)化進(jìn)程推進(jìn)。摻氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,則是另外一個(gè)技術(shù)方向,目前相比于燃料電池發(fā)電,具有較好的成本優(yōu)勢。
工業(yè)應(yīng)用方面,目前,95%以上的氫氣仍作為原料用于煉化行業(yè)加氫精煉以及化工行業(yè)合成氨、合成甲醇等。未來,氫氣作為化工原料仍將是其主要用途,但是氫的來源將從目前以化石能源制氫為主即“灰氫”向可再生能源電解水生產(chǎn)的“綠氫”轉(zhuǎn)變。綠氫化工(綠氫替代灰氫)是實(shí)現(xiàn)這些行業(yè)深度脫碳的重要途徑。
5、前景展望
2023年全球氫能發(fā)展繼續(xù)加速,清潔氫能作為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”重要抓手的定位更加明確。隨著技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入,未來十年將是全球氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重大機(jī)遇期。我國是世界第一大能源生產(chǎn)和消費(fèi)國,“多煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使我國在應(yīng)對氣候變化、環(huán)境保護(hù)、能源安全等方面存在嚴(yán)峻挑戰(zhàn),而氫能的巨大發(fā)展?jié)摿t為我國的能源清潔轉(zhuǎn)型提供了新的解決方案。氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及制備-儲運(yùn)-加注-利用等多個(gè)環(huán)節(jié),目前各環(huán)節(jié)技術(shù)成熟度各不相同,亟需政府、企業(yè)、行業(yè)組織等多方協(xié)同發(fā)力,從政策引導(dǎo)、技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、產(chǎn)業(yè)鏈整合等多維度探索可行的發(fā)展模式,培育和壯大氫能產(chǎn)業(yè)。
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