文/苗安康 袁越 吳涵 袁博鑫，河海大學(xué) 南京工程學(xué)院,分布式能源
中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：為順應(yīng)全球綠色低碳發(fā)展趨勢(shì),我國(guó)提出二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值,力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)的碳排放約42%來(lái)自于電力系統(tǒng),能源電力系統(tǒng)碳減排對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)(“雙碳”目標(biāo))起著決定性的作用,構(gòu)建以新能源為主體的新型能源系統(tǒng),實(shí)施可再生能源替代措施,可以有效控制化石能源總量,促進(jìn)構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系,保障實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。
氫能具有能量密度大、熱值高、儲(chǔ)量豐富、來(lái)源廣泛、轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn),是清潔的二次能源,可以作為高效的儲(chǔ)能載體,是可再生能源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模跨季節(jié)儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)挠行Ы鉀Q方案,被專家學(xué)者認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的能源之一。綠色氫能是指可再生能源轉(zhuǎn)化的電力電解水所制備的氫氣,因其從生產(chǎn)到消費(fèi)全過(guò)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(yùn)用儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù),將氫輸送到能源消費(fèi)中心多元化利用,可以有效解決風(fēng)電、光伏、水電等可再生能源不穩(wěn)定以及長(zhǎng)距離輸送的難題。
目前,全球每年生產(chǎn)氫氣約為1.17億t,其中副產(chǎn)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(guò)碳密集型方法,使用天然氣或煤為原料生產(chǎn)的灰色氫能,其余2%的氫能則通過(guò)電解方式生產(chǎn)的綠色氫能。中國(guó)每年約生產(chǎn)2500萬(wàn)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(wèn)題,而氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提是清潔無(wú)污染,制氫原料應(yīng)從化石燃料向可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等)方向逐漸轉(zhuǎn)變。為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展,多地結(jié)合多能互補(bǔ)示范基地建設(shè)開(kāi)展可再生能源制氫示范項(xiàng)目,不僅提高了風(fēng)光等新能源的消納能力,體現(xiàn)綜合能源項(xiàng)目的示范效果,還豐富了氫能的來(lái)源。
氫氣是推動(dòng)全球綠色低碳轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳中和”目標(biāo)的潛在支撐,可為電力、交通、鋼鐵、建筑等行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供助力。世界各國(guó)積極出臺(tái)氫能發(fā)展規(guī)劃,推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來(lái),隨著政策的引導(dǎo)與技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。但仍存在氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)亟待突破,關(guān)鍵材料尚未自主,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有待加強(qiáng)等諸多問(wèn)題。因此,本文總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展動(dòng)態(tài),重點(diǎn)研究了綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),結(jié)合我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了典型的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展建議,以期對(duì)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒與參考。
1、氫能產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.1、國(guó)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
目前,全球已有多個(gè)國(guó)家將氫能納入國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略,并從國(guó)家層面制定了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。最早將氫能及燃料電池作為能源戰(zhàn)略的國(guó)家是美國(guó),截止2020年6月,氫燃料電池叉車超過(guò)3萬(wàn)輛,乘用車達(dá)到8413輛。美國(guó)加氫站利用率高,平均每座加氫站服務(wù)約130輛汽車,計(jì)劃到2025年建成加氫站達(dá)200座,到2030年達(dá)1000座。
2020年4月,荷蘭發(fā)布國(guó)家氫能戰(zhàn)略,計(jì)劃到2025年建設(shè)50座加氫站、投放1.5萬(wàn)輛燃料電池汽車和3000輛重型汽車;到2030年燃料電池汽車達(dá)到30萬(wàn)輛。2020年6月,德國(guó)發(fā)布國(guó)家氫能源戰(zhàn)略,在綠色氫能的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用以及技術(shù)創(chuàng)新等方面制定行動(dòng)框架。2020年6月,法國(guó)宣布了在2035年實(shí)現(xiàn)的綠色氫燃料飛機(jī)的行動(dòng)計(jì)劃。2020年7月,歐盟發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》與《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》,旨在2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和。
2017年12月,日本發(fā)布了《基本氫能戰(zhàn)略》,明確了到2025年與2030年氫氣供應(yīng)能力、發(fā)電成本、應(yīng)用領(lǐng)域等方面的目標(biāo)。截止2019年底,日本共有加氫站130座,每座服務(wù)車輛約30輛,在運(yùn)營(yíng)的氫燃料電池乘用車超過(guò)3500輛。2019年,韓國(guó)發(fā)布《氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》,提出在2030年進(jìn)入氫能社會(huì)。截止2019年底,韓國(guó)燃料電池發(fā)電裝機(jī)規(guī)模為408MW,全球占比約40%。
1.2、國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
2019年3月,氫能首次被寫入我國(guó)《政府工作報(bào)告》,并先后出臺(tái)多個(gè)配套規(guī)劃和政策,推動(dòng)氫能研發(fā)、制備、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用鏈條不斷完善。2020年9月,四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長(zhǎng)點(diǎn)增長(zhǎng)極的指導(dǎo)意見(jiàn)》,加快新能源發(fā)展,加快制氫加氫設(shè)施建設(shè)。2020年12月,《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書指出,支持新技術(shù)新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展,加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備,促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。2021年2月22日,國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出,大力發(fā)展氫能,加大加氫等配套設(shè)施建設(shè)。隨著氫能政策的制定與完善,大批的氫能示范項(xiàng)目也陸續(xù)開(kāi)展,部分綠色氫能示范項(xiàng)目如表1所示。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2020年12月31日,全國(guó)在建和已建加氫站共181座,已經(jīng)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(gè)省市發(fā)布了“十四五”或中長(zhǎng)期的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。2021年4月16日,山東省與科技部簽署了“氫進(jìn)萬(wàn)家”科技示范工程框架協(xié)議,將帶動(dòng)氫能供應(yīng)體系建設(shè)、加氫站等配套設(shè)施建設(shè)和氫能關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,為加快我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
2、綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)研究
綠色氫能的技術(shù)路線如圖2所示,綠色氫能技術(shù)是利用可再生能源制氫,將可再生能源通過(guò)太陽(yáng)能電池、風(fēng)機(jī)、水泵等發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換成電能,電能通過(guò)電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)換成氫氣,將氫氣儲(chǔ)存或直接輸送至氫氣應(yīng)用終端,作為電力或交通運(yùn)輸燃料、化工原料等以滿足各行業(yè)對(duì)于氫能的需求。除傳統(tǒng)的電解水制氫外,近年來(lái)還衍生了一些尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段的新型制氫技術(shù),如太陽(yáng)能制氫、生物質(zhì)制氫、核能熱利用制氫等。
2.1、綠色制氫技術(shù)
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(shù),電解生成氫氣和氧氣,制氫過(guò)程中無(wú)含碳化合物排出,符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。制得的氫氣轉(zhuǎn)換為電能并入電網(wǎng)或直接供給負(fù)荷,提高了能源系統(tǒng)的綜合利用效率,有助于解決新能源消納問(wèn)題,保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電解水技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、無(wú)污染,由于其成本相對(duì)較高、效率低、能耗大等因素制約了電解水制氫技術(shù)的商業(yè)化推廣。
根據(jù)電解質(zhì)種類不同,典型的電解水制氫技術(shù)主要分為以下幾類:堿性電解、質(zhì)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(shù)特點(diǎn)如表2所示。
目前,堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展最為成熟,制氫成本也相對(duì)較低,已基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用,但是能效較低;PEM制氫技術(shù)具有更寬泛的運(yùn)行功率范圍及更短的啟動(dòng)時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)高電流密度電解、功耗低、體積小、生成氣體純度高、容易實(shí)現(xiàn)高壓化,能夠很好適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性,國(guó)外發(fā)展較為成熟,已開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用,但在我國(guó)基本處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段;對(duì)于SOEC電解水制氫技術(shù),目前國(guó)內(nèi)外均處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
有研究發(fā)現(xiàn)SOEC可在動(dòng)態(tài)電力輸出下工作,并不會(huì)有明顯衰減。堿性電解水制氫和PEM制氫技術(shù)的成本降幅有限,后期的研究重點(diǎn)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(shù)是能耗最低、能量轉(zhuǎn)換效率最高的電解水制氫技術(shù),隨著技術(shù)的突破有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的氫氣供應(yīng)。2020年部分國(guó)外企業(yè)在國(guó)內(nèi)投資純水電解制氫項(xiàng)目,國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)的純水電解制氫技術(shù)也取得了一定的進(jìn)展,PEM制氫技術(shù)將由實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向商業(yè)化和示范應(yīng)用。
2.1.2、太陽(yáng)能制氫技術(shù)
目前,太陽(yáng)能制氫技術(shù)主要有光催化法制氫、光化學(xué)制氫、人工光合作用制氫等。光催化分解水制氫的過(guò)程比較復(fù)雜,當(dāng)太陽(yáng)光照射光催化劑受時(shí),光催化劑進(jìn)行捕獲、吸收、產(chǎn)生激子,少量存在的激子向表面發(fā)生遷移,遷移到反應(yīng)活性中心分解水產(chǎn)生氫氣。光催化劑制氫效率較高,可用的材料較多,但是轉(zhuǎn)換率偏低。光催化制氫技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在開(kāi)發(fā)具有催化活性高、穩(wěn)定性好、成本低的光催化劑。
熱化學(xué)制氫技術(shù),利用聚光器加熱水,當(dāng)溫度達(dá)到2500K以上時(shí)分解為氫氣和氧氣。熱化學(xué)制氫技術(shù)方法簡(jiǎn)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(fā)現(xiàn),熱化學(xué)制氫技術(shù)在光照條件下可以利用光催化劑降低對(duì)溫度的要求。人工光合作用制氫技術(shù)是模擬植物的光合作用,利用太陽(yáng)光制氫,制氫過(guò)程與電解水相似,制氫效率快,環(huán)境友好,但轉(zhuǎn)化效率低,發(fā)展緩慢。
太陽(yáng)能制氫技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,目前美國(guó)斯坦福大學(xué)、中國(guó)清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化物所等都在進(jìn)行光催化制氫技術(shù)的相關(guān)研究。隨著更多的研究關(guān)注,政策的扶持,資金大量的投入,技術(shù)的開(kāi)發(fā)和進(jìn)步將會(huì)越來(lái)越快,太陽(yáng)能制氫技術(shù)將能進(jìn)一步完善。
2.1.3、生物質(zhì)制氫技術(shù)
生物質(zhì)制氫技術(shù)是一種高效無(wú)污染的生物工程技術(shù),原料豐富、工作環(huán)境簡(jiǎn)單、生產(chǎn)費(fèi)用低、可再生、低消耗,是未來(lái)規(guī)?；茪涞闹匾緩?。生物質(zhì)制氫技術(shù)目前主要有微生物法和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法。微生物法制氫技術(shù)包括光發(fā)酵法制氫、暗發(fā)酵法制氫和光合生物制氫。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法制氫技術(shù)包括生物質(zhì)氣化法制氫、生物質(zhì)熱解法制氫、生物質(zhì)超臨界法制氫。常見(jiàn)的生物質(zhì)制氫技術(shù)如表3所示。
目前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)氣化法制氫和生物質(zhì)熱解法制氫技術(shù)較為成熟,已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。微生物法制氫技術(shù)與生物質(zhì)超臨界法制氫技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。生物質(zhì)氣化法制氫的關(guān)鍵氣化技術(shù)雖已成熟,但由于生物質(zhì)氣化規(guī)模小,現(xiàn)主要用于供熱、發(fā)電等用途;如用于規(guī)?；茪湫枰涮椎闹茪湎到y(tǒng),較為復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)性差,目前還沒(méi)有生物質(zhì)氣化制氫工業(yè)化裝置建設(shè)。
2.2、氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)
氫儲(chǔ)能適用于大規(guī)模儲(chǔ)能、長(zhǎng)周期能量調(diào)節(jié)、新能源消納、削峰填谷、熱電聯(lián)供,備用電源等諸多場(chǎng)景。儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括:低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫和多孔材料及金屬合金等物理類固態(tài)儲(chǔ)氫等[1,3,21,27]。幾種氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的對(duì)比如表4所示。
氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是氫氣高效利用的關(guān)鍵,也是制約氫氣大規(guī)模發(fā)展的重要因素。氫氣儲(chǔ)存方面,目前低溫液態(tài)儲(chǔ)氫在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已有商業(yè)化應(yīng)用,我國(guó)對(duì)該技術(shù)要求嚴(yán)格,僅用于軍事與航空航天領(lǐng)域。對(duì)于低溫液化儲(chǔ)氫的核心設(shè)備氫透平膨脹機(jī)與低溫閥門等主要依賴于進(jìn)口,液氫儲(chǔ)罐制造技術(shù)與裝備與國(guó)外也有一定的差距。氫氣運(yùn)輸方面,目前燃料電池車發(fā)展規(guī)模較小,氫氣需求較少,加氫站分散分布,氫氣的運(yùn)輸以長(zhǎng)管拖車為主。長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸方便,技術(shù)成熟,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外運(yùn)輸氫氣到加氫站的主要方式。
2.3、氫能加注技術(shù)
加氫站是氫能商業(yè)化推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。氫能的加注技術(shù)是將不同來(lái)源的氫氣通過(guò)壓縮機(jī)增壓儲(chǔ)存在站內(nèi)的高壓罐內(nèi),再通過(guò)加氣機(jī)為氫燃料電池汽車加注氫氣的過(guò)程。加氫站系統(tǒng)流程圖如圖3所示。
加氫站技術(shù)有2條技術(shù)路線:外供氫加氫站技術(shù)路線和內(nèi)制氫加氫站技術(shù)路線如圖4所示。加氫站是連接氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游的樞紐,隨著加氫站技術(shù)的成熟,全球加快了加氫站的布局,現(xiàn)階段歐美、日韓是主力,中國(guó)是增長(zhǎng)最快的國(guó)家。
2.4、氫能應(yīng)用技術(shù)
氫氣是最清潔的二次能源,兼具燃料、儲(chǔ)能、化工原料等多種屬性,在電力、交通、建筑、化工等多個(gè)行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于綠色氫能應(yīng)用技術(shù)的理論探索與實(shí)踐案例主要聚焦于儲(chǔ)能領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域(綠氫煉鋼、綠氫化工、天然氣摻氫)、交通運(yùn)輸領(lǐng)域(燃料電池汽車、重型工程機(jī)械、船舶)、建筑領(lǐng)域(微型熱電聯(lián)供、管道摻氫)等。由于可再生能源電解制氫技術(shù)尚未大規(guī)模推廣,氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不成熟,配套設(shè)施不完善,“綠氫”產(chǎn)能較小,不能大規(guī)模發(fā)展。氫能的應(yīng)用以就近消納為主,多局限于傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域。
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前約90%~95%的氫能應(yīng)用于石油化工、鋼鐵冶金。近年來(lái),氫燃料電池汽車成為了氫能應(yīng)用最受關(guān)注的研究對(duì)象。據(jù)新能源汽車國(guó)家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟發(fā)布,截至2020年底,國(guó)家監(jiān)管平臺(tái)已累計(jì)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(chǎn)業(yè)化發(fā)展的初期,在全產(chǎn)業(yè)鏈中實(shí)現(xiàn)綠色制氫和規(guī)?；瘧?yīng)用是推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
3、綠色氫能發(fā)展趨勢(shì)及典型場(chǎng)景展望
3.1、綠氫關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
3.1.1、綠色制氫發(fā)展趨勢(shì)
綠色制氫發(fā)展?jié)摿薮?是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。目前綠色制氫仍面臨生產(chǎn)成本高、缺少專用基礎(chǔ)設(shè)施、制取過(guò)程中能量損失嚴(yán)重等難題。其中,電解水制氫過(guò)程的電耗成本占總成本的75%~85%,電價(jià)的高低直接決定了綠色氫能的經(jīng)濟(jì)性。
我國(guó)可再生能源制氫潛力巨大,風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量均為世界第一。隨著國(guó)家碳減排的承諾,新型能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支撐,風(fēng)電、光伏發(fā)電成本的不斷下降,綠色制氫技術(shù)水平達(dá)到規(guī)?；瘲l件等因素的驅(qū)動(dòng),綠色制氫的發(fā)展將日益加快。2021年4月19日,國(guó)家能源局《關(guān)于2021年風(fēng)電、光伏發(fā)電開(kāi)發(fā)建設(shè)有關(guān)事項(xiàng)的通知》征求意見(jiàn)稿:2021年,全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會(huì)用電量的比重將達(dá)到11%左右,后續(xù)也將逐年提高,至2025年將達(dá)到16.5%左右。大規(guī)模的風(fēng)光可再生能源裝機(jī)發(fā)電,可再生能源制氫技術(shù)會(huì)迎來(lái)更快的發(fā)展與突破。據(jù)預(yù)測(cè),2030年可再生能源制氫成本有望實(shí)現(xiàn)平價(jià),2050年可再生能源制氫將成為主流的制氫技術(shù);2060年綠氫產(chǎn)量將達(dá)到1億t,占?xì)錃饽甓瓤傂枨蟮?0%。
3.1.2、氫氣儲(chǔ)運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù),其成本低、充放氣速度快、簡(jiǎn)便易行,比較適用于燃料電池汽車,仍將是未來(lái)應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù)。我國(guó)對(duì)于氣態(tài)儲(chǔ)氫容器罐體材料已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,但高性能碳纖維材料被美國(guó)和日本壟斷,相關(guān)設(shè)備仍需進(jìn)口。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)難度系數(shù)大、液化成本高、能耗較大、絕熱材料成本高,短時(shí)間內(nèi)低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)仍會(huì)處于緩慢發(fā)展態(tài)勢(shì)。有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)均比較明顯,目前國(guó)內(nèi)已進(jìn)行小規(guī)模示范研究。固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相比于氣態(tài)儲(chǔ)氫與液態(tài)儲(chǔ)氫,具有儲(chǔ)氫密度高,操作方便,安全性好等優(yōu)點(diǎn),最具有潛在的發(fā)展前景。隨著成本的降低、設(shè)備材料的使用便利,固態(tài)儲(chǔ)氫可能會(huì)成為以后主要的儲(chǔ)氫方式。
當(dāng)前氫燃料電池汽車的應(yīng)用尚處于示范運(yùn)行階段,氫氣需求量小,長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸氫氣到加氫站可以滿足現(xiàn)階段對(duì)氫氣的需求。但隨著燃料電池車大規(guī)模發(fā)展,氫氣需求量會(huì)逐漸增大,加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)增多,采用管道輸送氫氣的方式只有需求達(dá)到一定的規(guī)模后才會(huì)變得經(jīng)濟(jì)。
3.1.3、氫氣加注發(fā)展趨勢(shì)
氫氣加注環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性直接影響氫氣的成本。當(dāng)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(guān)鍵材料、部件的規(guī)?；a(chǎn),車用燃料電池系統(tǒng)成本會(huì)大幅下降。我國(guó)氫氣的成本主要在制氫與儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié),其中,制氫占總成本的30%~50%,儲(chǔ)存和運(yùn)輸占35%~55%,加注環(huán)節(jié)約占15%。當(dāng)氫氣需求較少時(shí),站外長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫可以滿足多數(shù)的運(yùn)輸加注需求;當(dāng)氫氣需求較多,達(dá)不到管道建設(shè)規(guī)模時(shí),分布式綠色制氫站內(nèi)供氫將會(huì)稱為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
加氫站分布式綠色制氫站內(nèi)供氫,沒(méi)有氫氣運(yùn)輸費(fèi)用,站內(nèi)儲(chǔ)氫規(guī)模隨之下降,設(shè)備投資減少,可以有效降低氫氣銷售價(jià)格,減少運(yùn)輸過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)階段的發(fā)展,合建站也將是加氫站建設(shè)的新趨勢(shì)。合建形式呈現(xiàn)多樣化,如在已有的加油站并設(shè)加氫站,加氫站、加氣站、加油站三站合一,便利店并設(shè)加氫站,充電站并設(shè)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(huì)是比較好的選擇。
3.1.4、氫氣應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)
目前,氫氣應(yīng)用以工業(yè)化工原料消費(fèi)為主,但未來(lái)交通領(lǐng)域消費(fèi)潛力巨大,氫氣被認(rèn)為是石油與天然氣的清潔替代品。工業(yè)領(lǐng)域,氫能是實(shí)現(xiàn)工業(yè)深度脫碳的重要可行方案。全球工業(yè)部門45%的碳排放來(lái)自鋼鐵、合成氨、乙烯、水泥等生產(chǎn)過(guò)程,其中,45%的碳排放來(lái)自于原料用途、35%來(lái)自于生產(chǎn)高品位熱能、20%來(lái)自于生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)深度脫碳的重要解決方案之一。
我國(guó)擁有全球規(guī)模最大、門類最全的工業(yè)生產(chǎn)體系,擁有豐富的可再生能源資源,在“雙碳”目標(biāo)的背景下,工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂写笠?guī)模應(yīng)用氫能的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段,氫燃料電池汽車的發(fā)展依賴于政府的補(bǔ)貼和支持。根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況,未來(lái)幾年氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展仍遵循商用車先發(fā)展,乘用車后發(fā)展的趨勢(shì)。隨著技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘞?lái)成本下降,氫燃料電池在重卡、重型工程機(jī)械、船舶、航空等領(lǐng)域的市場(chǎng)化進(jìn)程將進(jìn)一步加快,氫能、電池等儲(chǔ)能方式可提供不同時(shí)間尺度上的儲(chǔ)能方案,保障消納的前提下實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。據(jù)預(yù)測(cè)到2060年,氫能在終端能源消費(fèi)中將達(dá)到20%,工業(yè)與交通仍是用氫的主要領(lǐng)域,其中,工業(yè)領(lǐng)域用氫約占60%,交通領(lǐng)域約占30%。
3.2、綠氫典型應(yīng)用場(chǎng)景展望
3.2.1、海上風(fēng)電氫能耦合應(yīng)用場(chǎng)景
近年來(lái),我國(guó)陸上風(fēng)電的技術(shù)日趨成熟,風(fēng)電發(fā)展逐漸向海上風(fēng)電傾斜。為了實(shí)現(xiàn)碳中和背景下風(fēng)電裝機(jī)容量新目標(biāo),豐富的海上風(fēng)電資源的開(kāi)發(fā)利用是必然趨勢(shì)。海上風(fēng)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(fēng)電消納與輸送提供新的思路,海上風(fēng)電與氫能耦合應(yīng)用場(chǎng)景技術(shù)路線如圖5所示。海上風(fēng)電與氫能耦合有2條技術(shù)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(shù)相對(duì)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(guān)鍵材料和催化劑,技術(shù)仍待突破。
3.2.2、綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應(yīng)用場(chǎng)景
綜合能源系統(tǒng)能夠促進(jìn)電、熱、冷、氣等多種異質(zhì)能源的綜合利用,氫儲(chǔ)能具有多能聯(lián)供聯(lián)儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn),可有效改善工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能量平衡,并提高綜合能源系統(tǒng)的整體效益。
隨著綜合能源系統(tǒng)與綠色氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,綜合能源系統(tǒng)氫能耦合應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)成為未來(lái)典型的應(yīng)用場(chǎng)景之一,技術(shù)路線如圖6所示。
3.2.3、氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景
與純電動(dòng)汽車相比,氫燃料電池汽車的燃料加注時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng),隨著綠色氫能技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展帶來(lái)的成本的下降,綠氫將在交通運(yùn)輸領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用,如圖7所示。
4、結(jié)論
綠色氫能是一種理想的清潔能源,作為解決能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的重要載體,對(duì)于保障我國(guó)能源安全穩(wěn)定,加快構(gòu)建以新能源為主體的新型能源體系具有重大意義。我國(guó)具有豐富的可再生能源資源,為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),我國(guó)制定了2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW的高目標(biāo),為綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文基于國(guó)內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,重點(diǎn)分析了綠色氫能在制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加注、應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),并結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況展望典型的應(yīng)用場(chǎng)景和提出發(fā)展建議。
(1)我國(guó)的綠色氫能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)與國(guó)外相比仍有一定的差距。綠氫技術(shù)正處于發(fā)展階段,尚不能完全發(fā)揮其在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用,需要從國(guó)家戰(zhàn)略制定、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、政策扶持等方面加大力度。
(2)綠氫在制取、儲(chǔ)運(yùn)等方面仍面臨技術(shù)難題,造成成本過(guò)高、不能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。政府、科研院所、企業(yè)應(yīng)共同努力,在政府的扶持和引導(dǎo)下,加強(qiáng)科研院所與企業(yè)的技術(shù)研發(fā)合作,加大綠氫相關(guān)技術(shù)研發(fā)力度。對(duì)于成熟的綠氫技術(shù)加快商業(yè)化推廣和示范,對(duì)于處于實(shí)驗(yàn)室階段的綠氫技術(shù),加大投資與研發(fā)力度。
(3)氫能具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,可再生能源制氫必將是未來(lái)主流的制氫方式。在大規(guī)模的海上風(fēng)電、工業(yè)園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)、交通運(yùn)輸?shù)鹊湫蛨?chǎng)景下,綠氫能發(fā)揮其良好的優(yōu)勢(shì),在保障能源系統(tǒng)綠色安全穩(wěn)定前提下,促進(jìn)新能源消納,提高系統(tǒng)的綜合利用效益。
