來源：分布式能源 能源情報
文/苗安康 袁越 吳涵 袁博鑫，河海大學 南京工程學院,分布式能源
為順應全球綠色低碳發展趨勢,我國提出二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值,力爭2060年前實現碳中和。我國的碳排放約42%來自于電力系統,能源電力系統碳減排對于實現“碳達峰”、“碳中和”目標(“雙碳”目標)起著決定性的作用,構建以新能源為主體的新型能源系統,實施可再生能源替代措施,可以有效控制化石能源總量,促進構建清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系,保障實現“雙碳”目標。
氫能具有能量密度大、熱值高、儲量豐富、來源廣泛、轉化效率高等特點,是清潔的二次能源,可以作為高效的儲能載體,是可再生能源實現大規模跨季節儲存、運輸的有效解決方案,被專家學者認為是最具有應用前景的能源之一。綠色氫能是指可再生能源轉化的電力電解水所制備的氫氣,因其從生產到消費全過程碳排放量幾乎為零而被稱為“綠氫”。利用富足的可再生能源電解制氫,運用儲存和運輸技術,將氫輸送到能源消費中心多元化利用,可以有效解決風電、光伏、水電等可再生能源不穩定以及長距離輸送的難題。
目前,全球每年生產氫氣約為1.17億t,其中副產氫氣0.48億t,專門制氫約為0.69億t。全球約98%的純氫是通過碳密集型方法,使用天然氣或煤為原料生產的灰色氫能,其余2%的氫能則通過電解方式生產的綠色氫能。中國每年約生產2500萬t氫,其中灰氫約占96%以上。目前制氫原料仍以化石燃料為主,存在制氫成本高、碳排放污染等問題,而氫能產業可持續發展的前提是清潔無污染,制氫原料應從化石燃料向可再生能源(風能、太陽能、水能等)方向逐漸轉變。為引導氫能產業綠色健康發展,多地結合多能互補示范基地建設開展可再生能源制氫示范項目,不僅提高了風光等新能源的消納能力,體現綜合能源項目的示范效果,還豐富了氫能的來源。
氫氣是推動全球綠色低碳轉型和實現我國“碳中和”目標的潛在支撐,可為電力、交通、鋼鐵、建筑等行業低碳轉型提供助力。世界各國積極出臺氫能發展規劃,推動氫能產業發展。近年來,隨著政策的引導與技術的進步,我國氫能產業快速發展。但仍存在氫能產業核心技術亟待突破,關鍵材料尚未自主,基礎設施建設有待加強等諸多問題。因此,本文總結分析了國內外氫能產業最新發展動態,重點研究了綠色氫能關鍵技術的發展現狀與趨勢,結合我國氫能產業發展提出了典型的應用場景和發展建議,以期對我國氫能產業的發展提供借鑒與參考。
1、氫能產業國內外發展現狀
1.1、國外氫能產業發展現狀
目前,全球已有多個國家將氫能納入國家能源發展戰略,并從國家層面制定了氫能產業的發展戰略規劃。最早將氫能及燃料電池作為能源戰略的國家是美國,截止2020年6月,氫燃料電池叉車超過3萬輛,乘用車達到8413輛。美國加氫站利用率高,平均每座加氫站服務約130輛汽車,計劃到2025年建成加氫站達200座,到2030年達1000座。
2020年4月,荷蘭發布國家氫能戰略,計劃到2025年建設50座加氫站、投放1.5萬輛燃料電池汽車和3000輛重型汽車;到2030年燃料電池汽車達到30萬輛。2020年6月,德國發布國家氫能源戰略,在綠色氫能的生產、運輸、使用以及技術創新等方面制定行動框架。2020年6月,法國宣布了在2035年實現的綠色氫燃料飛機的行動計劃。2020年7月,歐盟發布了《歐盟氫能戰略》與《歐盟能源系統整合策略》,旨在2050年前實現碳中和。
2017年12月,日本發布了《基本氫能戰略》,明確了到2025年與2030年氫氣供應能力、發電成本、應用領域等方面的目標。截止2019年底,日本共有加氫站130座,每座服務車輛約30輛,在運營的氫燃料電池乘用車超過3500輛。2019年,韓國發布《氫經濟發展路線圖》,提出在2030年進入氫能社會。截止2019年底,韓國燃料電池發電裝機規模為408MW,全球占比約40%。
1.2、國內氫能產業發展現狀
2019年3月,氫能首次被寫入我國《政府工作報告》,并先后出臺多個配套規劃和政策,推動氫能研發、制備、儲運和應用鏈條不斷完善。2020年9月,四部委聯合發布《關于擴大戰略性新興產業投資培育壯大新增長點增長極的指導意見》,加快新能源發展,加快制氫加氫設施建設。2020年12月,《新時代的中國能源發展》白皮書指出,支持新技術新模式新業態發展,加速發展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業鏈技術裝備,促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業鏈發展。2021年2月22日,國務院發布《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》指出,大力發展氫能,加大加氫等配套設施建設。隨著氫能政策的制定與完善,大批的氫能示范項目也陸續開展,部分綠色氫能示范項目如表1所示。
據不完全統計,截至2020年12月31日,全國在建和已建加氫站共181座,已經建成124座,其中2020年建成加氫站55座,已建成的加氫站分布情況如圖1所示。在建加氫站57座,主要集中在廣東、山東、河北等地。
截至2021年4月,北京、上海、四川、廣東、江蘇、浙江、山東、安徽、湖北、山西、福建、海南等多個省市發布了“十四五”或中長期的氫能產業發展規劃。2021年4月16日,山東省與科技部簽署了“氫進萬家”科技示范工程框架協議,將帶動氫能供應體系建設、加氫站等配套設施建設和氫能關聯產業發展,為加快我國能源結構轉型升級,實現“雙碳”目標奠定了基礎。
2、綠色氫能關鍵技術研究
綠色氫能的技術路線如圖2所示,綠色氫能技術是利用可再生能源制氫,將可再生能源通過太陽能電池、風機、水泵等發電機組轉換成電能,電能通過電解水制氫設備轉換成氫氣,將氫氣儲存或直接輸送至氫氣應用終端,作為電力或交通運輸燃料、化工原料等以滿足各行業對于氫能的需求。除傳統的電解水制氫外,近年來還衍生了一些尚處于實驗室研究階段的新型制氫技術,如太陽能制氫、生物質制氫、核能熱利用制氫等。
2.1、綠色制氫技術
2.1.1、電解水制氫
利用可再生能源電解水制氫是最成熟的綠色制氫技術,電解生成氫氣和氧氣,制氫過程中無含碳化合物排出,符合綠色可持續發展的理念。制得的氫氣轉換為電能并入電網或直接供給負荷,提高了能源系統的綜合利用效率,有助于解決新能源消納問題,保障電力系統的安全穩定運行。電解水技術設備簡單、技術成熟、無污染,由于其成本相對較高、效率低、能耗大等因素制約了電解水制氫技術的商業化推廣。
根據電解質種類不同,典型的電解水制氫技術主要分為以下幾類:堿性電解、質子交換膜電解(protonex change membrane,PEM)、固體聚合物陰離子交換膜電解(solid polymer anion exchange membrane,SPAEM)、固體氧化電解(solid oxide electrolyze cells,SOEC)。幾種不同的電解水制氫技術特點如表2所示。
目前,堿性電解水制氫技術發展最為成熟,制氫成本也相對較低,已基本實現工業大規模應用,但是能效較低;PEM制氫技術具有更寬泛的運行功率范圍及更短的啟動時間,可實現高電流密度電解、功耗低、體積小、生成氣體純度高、容易實現高壓化,能夠很好適應可再生能源的波動性,國外發展較為成熟,已開始商業應用,但在我國基本處于實驗研發階段;對于SOEC電解水制氫技術,目前國內外均處于實驗室研發階段。
有研究發現SOEC可在動態電力輸出下工作,并不會有明顯衰減。堿性電解水制氫和PEM制氫技術的成本降幅有限,后期的研究重點將在于成本、效率和靈活性之間的平衡。固體氧化物電解水制氫技術是能耗最低、能量轉換效率最高的電解水制氫技術,隨著技術的突破有望實現大規模、低成本的氫氣供應。2020年部分國外企業在國內投資純水電解制氫項目,國內一些研究機構的純水電解制氫技術也取得了一定的進展,PEM制氫技術將由實驗階段轉向商業化和示范應用。
2.1.2、太陽能制氫技術
目前,太陽能制氫技術主要有光催化法制氫、光化學制氫、人工光合作用制氫等。光催化分解水制氫的過程比較復雜,當太陽光照射光催化劑受時,光催化劑進行捕獲、吸收、產生激子,少量存在的激子向表面發生遷移,遷移到反應活性中心分解水產生氫氣。光催化劑制氫效率較高,可用的材料較多,但是轉換率偏低。光催化制氫技術的研究重點主要集中在開發具有催化活性高、穩定性好、成本低的光催化劑。
熱化學制氫技術,利用聚光器加熱水,當溫度達到2500K以上時分解為氫氣和氧氣。熱化學制氫技術方法簡單,效率高,但是需要高倍聚光器才能獲得分解需要的溫度。研究發現,熱化學制氫技術在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求。人工光合作用制氫技術是模擬植物的光合作用,利用太陽光制氫,制氫過程與電解水相似,制氫效率快,環境友好,但轉化效率低,發展緩慢。
太陽能制氫技術仍處于實驗室研究階段,目前美國斯坦福大學、中國清華大學、中國科技大學、中國科學院大連化物所等都在進行光催化制氫技術的相關研究。隨著更多的研究關注,政策的扶持,資金大量的投入,技術的開發和進步將會越來越快,太陽能制氫技術將能進一步完善。
2.1.3、生物質制氫技術
生物質制氫技術是一種高效無污染的生物工程技術,原料豐富、工作環境簡單、生產費用低、可再生、低消耗,是未來規模化制氫的重要途徑。生物質制氫技術目前主要有微生物法和熱化學轉化法。微生物法制氫技術包括光發酵法制氫、暗發酵法制氫和光合生物制氫。熱化學轉化法制氫技術包括生物質氣化法制氫、生物質熱解法制氫、生物質超臨界法制氫。常見的生物質制氫技術如表3所示。
目前國內外生物質氣化法制氫和生物質熱解法制氫技術較為成熟,已進行產業化推廣。微生物法制氫技術與生物質超臨界法制氫技術尚處于實驗室研究階段。生物質氣化法制氫的關鍵氣化技術雖已成熟,但由于生物質氣化規模小,現主要用于供熱、發電等用途;如用于規模化制氫需要配套的制氫系統,較為復雜,經濟性差,目前還沒有生物質氣化制氫工業化裝置建設。
2.2、氫能儲運技術
氫儲能適用于大規模儲能、長周期能量調節、新能源消納、削峰填谷、熱電聯供,備用電源等諸多場景。儲氫技術主要包括:低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、有機液體儲氫和多孔材料及金屬合金等物理類固態儲氫等[1,3,21,27]。幾種氫能儲運技術的對比如表4所示。
氫氣儲運技術是氫氣高效利用的關鍵,也是制約氫氣大規模發展的重要因素。氫氣儲存方面,目前低溫液態儲氫在美國、日本等發達國家已有商業化應用,我國對該技術要求嚴格,僅用于軍事與航空航天領域。對于低溫液化儲氫的核心設備氫透平膨脹機與低溫閥門等主要依賴于進口,液氫儲罐制造技術與裝備與國外也有一定的差距。氫氣運輸方面,目前燃料電池車發展規模較小,氫氣需求較少,加氫站分散分布,氫氣的運輸以長管拖車為主。長管拖車運輸方便,技術成熟,是當前國內外運輸氫氣到加氫站的主要方式。
2.3、氫能加注技術
加氫站是氫能商業化推廣應用的基礎設施。氫能的加注技術是將不同來源的氫氣通過壓縮機增壓儲存在站內的高壓罐內,再通過加氣機為氫燃料電池汽車加注氫氣的過程。加氫站系統流程圖如圖3所示。
加氫站技術有2條技術路線:外供氫加氫站技術路線和內制氫加氫站技術路線如圖4所示。加氫站是連接氫能產業鏈上下游的樞紐,隨著加氫站技術的成熟,全球加快了加氫站的布局,現階段歐美、日韓是主力,中國是增長最快的國家。
2.4、氫能應用技術
氫氣是最清潔的二次能源,兼具燃料、儲能、化工原料等多種屬性,在電力、交通、建筑、化工等多個行業具有廣闊的應用空間。目前,國內外對于綠色氫能應用技術的理論探索與實踐案例主要聚焦于儲能領域、工業領域(綠氫煉鋼、綠氫化工、天然氣摻氫)、交通運輸領域(燃料電池汽車、重型工程機械、船舶)、建筑領域(微型熱電聯供、管道摻氫)等。由于可再生能源電解制氫技術尚未大規模推廣,氫能儲運技術不成熟,配套設施不完善,“綠氫”產能較小,不能大規模發展。氫能的應用以就近消納為主,多局限于傳統化工生產領域。
據統計,我國目前約90%~95%的氫能應用于石油化工、鋼鐵冶金。近年來,氫燃料電池汽車成為了氫能應用最受關注的研究對象。據新能源汽車國家大數據聯盟發布,截至2020年底,國家監管平臺已累計接入6002輛氫燃料電池汽車,主要是氫燃料電池公交車和物流車,分別為2222輛和3153輛。氫燃料電池汽車正處于產業化發展的初期,在全產業鏈中實現綠色制氫和規模化應用是推動氫燃料電池汽車產業發展的關鍵。
3、綠色氫能發展趨勢及典型場景展望
3.1、綠氫關鍵技術發展趨勢
3.1.1、綠色制氫發展趨勢
綠色制氫發展潛力巨大,是實現“雙碳”目標的重要路徑。目前綠色制氫仍面臨生產成本高、缺少專用基礎設施、制取過程中能量損失嚴重等難題。其中,電解水制氫過程的電耗成本占總成本的75%~85%,電價的高低直接決定了綠色氫能的經濟性。
我國可再生能源制氫潛力巨大,風電、光伏裝機容量均為世界第一。隨著國家碳減排的承諾,新型能源系統的發展趨勢,氫能產業發展政策支撐,風電、光伏發電成本的不斷下降,綠色制氫技術水平達到規模化條件等因素的驅動,綠色制氫的發展將日益加快。2021年4月19日,國家能源局《關于2021年風電、光伏發電開發建設有關事項的通知》征求意見稿:2021年,全國風電、光伏發電發電量占全社會用電量的比重將達到11%左右,后續也將逐年提高,至2025年將達到16.5%左右。大規模的風光可再生能源裝機發電,可再生能源制氫技術會迎來更快的發展與突破。據預測,2030年可再生能源制氫成本有望實現平價,2050年可再生能源制氫將成為主流的制氫技術;2060年綠氫產量將達到1億t,占氫氣年度總需求的80%。
3.1.2、氫氣儲運發展趨勢
高壓氣態儲氫是目前應用最為廣泛的儲氫技術,其成本低、充放氣速度快、簡便易行,比較適用于燃料電池汽車,仍將是未來應用最廣泛的儲氫技術。我國對于氣態儲氫容器罐體材料已實現國產化,但高性能碳纖維材料被美國和日本壟斷,相關設備仍需進口。低溫液態儲氫技術難度系數大、液化成本高、能耗較大、絕熱材料成本高,短時間內低溫液態儲氫技術仍會處于緩慢發展態勢。有機液體儲氫技術優劣勢均比較明顯,目前國內已進行小規模示范研究。固態儲氫技術相比于氣態儲氫與液態儲氫,具有儲氫密度高,操作方便,安全性好等優點,最具有潛在的發展前景。隨著成本的降低、設備材料的使用便利,固態儲氫可能會成為以后主要的儲氫方式。
當前氫燃料電池汽車的應用尚處于示范運行階段,氫氣需求量小,長管拖車運輸氫氣到加氫站可以滿足現階段對氫氣的需求。但隨著燃料電池車大規模發展,氫氣需求量會逐漸增大,加氫站等基礎設施會增多,采用管道輸送氫氣的方式只有需求達到一定的規模后才會變得經濟。
3.1.3、氫氣加注發展趨勢
氫氣加注環節的經濟性直接影響氫氣的成本。當前氫燃料電池汽車的總體擁有成本中,燃料電池、氫瓶等部件占50%,用氫成本占25%。隨著關鍵材料、部件的規模化生產,車用燃料電池系統成本會大幅下降。我國氫氣的成本主要在制氫與儲運環節,其中,制氫占總成本的30%~50%,儲存和運輸占35%~55%,加注環節約占15%。當氫氣需求較少時,站外長管拖車運氫可以滿足多數的運輸加注需求;當氫氣需求較多,達不到管道建設規模時,分布式綠色制氫站內供氫將會稱為未來發展的趨勢。
加氫站分布式綠色制氫站內供氫,沒有氫氣運輸費用,站內儲氫規模隨之下降,設備投資減少,可以有效降低氫氣銷售價格,減少運輸過程中的安全風險。根據現階段的發展,合建站也將是加氫站建設的新趨勢。合建形式呈現多樣化,如在已有的加油站并設加氫站,加氫站、加氣站、加油站三站合一,便利店并設加氫站,充電站并設加氫站等。在合建站模式探索階段,加油加氫站與加氣加氫站合建站將會是比較好的選擇。
3.1.4、氫氣應用發展趨勢
目前,氫氣應用以工業化工原料消費為主,但未來交通領域消費潛力巨大,氫氣被認為是石油與天然氣的清潔替代品。工業領域,氫能是實現工業深度脫碳的重要可行方案。全球工業部門45%的碳排放來自鋼鐵、合成氨、乙烯、水泥等生產過程,其中,45%的碳排放來自于原料用途、35%來自于生產高品位熱能、20%來自于生產低品位熱能。電氣化手段只能用于減少低品位熱所造成的20%的碳排放,綠色氫能是實現深度脫碳的重要解決方案之一。
我國擁有全球規模最大、門類最全的工業生產體系,擁有豐富的可再生能源資源,在“雙碳”目標的背景下,工業領域將有大規模應用氫能的發展趨勢。現階段,氫燃料電池汽車的發展依賴于政府的補貼和支持。根據我國實際情況,未來幾年氫能在交通領域的發展仍遵循商用車先發展,乘用車后發展的趨勢。隨著技術的突破和產業規模化帶來成本下降,氫燃料電池在重卡、重型工程機械、船舶、航空等領域的市場化進程將進一步加快,氫能、電池等儲能方式可提供不同時間尺度上的儲能方案,保障消納的前提下實現可再生能源大規模開發利用。據預測到2060年,氫能在終端能源消費中將達到20%,工業與交通仍是用氫的主要領域,其中,工業領域用氫約占60%,交通領域約占30%。
3.2、綠氫典型應用場景展望
3.2.1、海上風電氫能耦合應用場景
近年來,我國陸上風電的技術日趨成熟,風電發展逐漸向海上風電傾斜。為了實現碳中和背景下風電裝機容量新目標,豐富的海上風電資源的開發利用是必然趨勢。海上風電與氫能耦合可以提高海洋能源的綜合利用效率,為海上風電消納與輸送提供新的思路,海上風電與氫能耦合應用場景技術路線如圖5所示。海上風電與氫能耦合有2條技術路線,海水淡化分解制氫和咸水直接制氫。海水淡化分解制氫技術相對成熟,但海水淡化增加了制氫的成本;咸水直接電解制氫需要關鍵材料和催化劑,技術仍待突破。
3.2.2、綜合能源系統氫能耦合應用場景
綜合能源系統能夠促進電、熱、冷、氣等多種異質能源的綜合利用,氫儲能具有多能聯供聯儲的優點,可有效改善工業園區綜合能源系統的能量平衡,并提高綜合能源系統的整體效益。
隨著綜合能源系統與綠色氫能產業的快速發展,綜合能源系統氫能耦合應用場景將會成為未來典型的應用場景之一,技術路線如圖6所示。
3.2.3、氫能在交通領域的應用場景
與純電動汽車相比,氫燃料電池汽車的燃料加注時間短、續航里程長,隨著綠色氫能技術的進步和產業規模化發展帶來的成本的下降,綠氫將在交通運輸領域有更廣泛的應用,如圖7所示。
4、結論
綠色氫能是一種理想的清潔能源,作為解決能源危機與環境問題的重要載體,對于保障我國能源安全穩定,加快構建以新能源為主體的新型能源體系具有重大意義。我國具有豐富的可再生能源資源,為了實現“雙碳”目標,我國制定了2030年風電、太陽能發電總裝機容量達到12億kW的高目標,為綠氫產業的發展奠定了基礎。本文基于國內外氫能產業發展情況,重點分析了綠色氫能在制氫、儲氫、運氫、加注、應用等各個環節的關鍵技術的發展趨勢,并結合我國實際情況展望典型的應用場景和提出發展建議。
(1)我國的綠色氫能開發利用技術與國外相比仍有一定的差距。綠氫技術正處于發展階段,尚不能完全發揮其在能源轉型中的重要作用,需要從國家戰略制定、關鍵技術研發、政策扶持等方面加大力度。
(2)綠氫在制取、儲運等方面仍面臨技術難題,造成成本過高、不能產業化應用。政府、科研院所、企業應共同努力,在政府的扶持和引導下,加強科研院所與企業的技術研發合作,加大綠氫相關技術研發力度。對于成熟的綠氫技術加快商業化推廣和示范,對于處于實驗室階段的綠氫技術,加大投資與研發力度。
(3)氫能具有廣泛的應用場景,可再生能源制氫必將是未來主流的制氫方式。在大規模的海上風電、工業園區的綜合能源系統、交通運輸等典型場景下,綠氫能發揮其良好的優勢,在保障能源系統綠色安全穩定前提下,促進新能源消納,提高系統的綜合利用效益。
來源：氫能技術標準化
原文始發于微信公眾號（石化行業走出去聯盟）：綠氫 | 綠色氫能技術現狀與發展趨勢
