有了解過氫儲能系統關鍵技術及發展前景嗎?

相比傳統能源,氫能源環保且可持續發展,化學反應後只產生水,具有零汙染、高效率、適合遠距離輸送的特點。氫能源可以實現氣、液、固三態儲存,儲存過程自耗少、能量密度高、生產方式多樣。

為實現「碳達峰、碳中和」的目標,中國電力行業的減碳壓力不容小覷,同時也孕育著新的機遇和挑戰。在「十四五」乃至更長一段時間內,氫能源將會迎來新的發展機會,在減碳程序中扮演重要角色。

隨著中國可再生能源發電量逐年增多、裝機容量佔比不斷增大,氫儲能系統可參與併網消納,有效減少棄風棄光率,提高可再生能源綜合收益。

本文結合國內外氫能源發展現狀,分析當前氫儲能系統關鍵技術及制約因素,研究其在電力行業中的應用模式;結合相關政策研究,提出未來氫儲能系統發展建議。

1. 氫能源發展概述

目前廣泛推廣的氫能源主要指氫氣的化學能,即氫氣透過氧化反應所釋放的能量。氫能源可替代傳統化石能源作為交通工具的動力燃料,也可替代煤炭、天然氣成為電力系統發電側的能源燃料,氫能源的完整產業鏈示意圖如圖1所示。

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氫氣的熱值是汽油的3倍、焦炭的4.5倍,化學反應後僅產生對環境無汙染的水。氫能源是二次能源,需要消耗一次能源來製取,氫氣的獲取途徑主要有化石能源制氫和可再生能源制氫。

1.1 國外氫能源發展現狀

日本在燃料電池關鍵技術和商業化應用方面處於世界領先地位,其2017年釋出的《氫能源基本戰略》明確了到2050年建成氫能社會的目標。日本氫能與燃料電池領域技術全面,專利數量居全球第一。

美國將10月8日定為「氫能與燃料電池日」,其對氫能產業的重視可見一斑。美國規劃制定了從研發到產業化的完整發展路線,時間從2000年一直持續到2040年。此外,美國對執行的氫能基礎設施實行30%~50%的稅收抵免。

歐盟規劃2050年氫燃料電池汽車佔家用車比重達35%。2014年,歐盟啟動Horizon計劃,在氫能和燃料電池領域的總預算達到220億歐元。目前,歐洲正在執行的加氫站數量居全球第一,氫能技術和產業發展政策效果顯著。

1.2 國內氫能源發展現狀方法論很重要

近年來,中國高度重視氫能源產業發展,在科技專項、創新工程等方面進行了重點佈局,取得了一定成效。

當前國內製氫主要還是依靠化石能源,電解水制氫佔比非常有限。隨著氫儲能相關技術的發展和建造成本的下降,未來風、光等可再生能源制氫的規模會越來越大,中國氫能源結構會越來越清潔。

總體來說,制約中國氫能源發展的還是燃料電池電堆和關鍵材料。中國產電堆在功率密度、系統功率、壽命等方面與先進水平相比還有差距;質子交換膜、催化劑、膜電極等關鍵材料和高壓比空壓機、氫氣迴圈泵等關鍵裝置依賴進口,產品價格較高,國內外燃料電池關鍵技術引數對比如表1所示。

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因此,中國需注重核心材料和關鍵技術的突破,補足短板。

2. 氫儲能系統關鍵技術

在可再生能源高佔比的電力系統中,棄風棄光問題隨著風電、光伏裝機總容量的不斷增加而日益突出。由於風電、光伏出力的預測準確程度有限,其出力隨機性會對電網造成一定衝擊。

氫儲能系統可利用新能源出力富餘的電能進行制氫,儲存起來或供下游產業使用;當電力系統負荷增大時,儲存起來的氫能可利用燃料電池進行發電回饋電網,且此過程清潔高效、生產靈活。當前氫儲能系統的關鍵技術主要包含制氫、儲運氫和燃料電池技術3個方面。

2.1 制氫

利用可再生能源發電制氫是氫能製備的重要途徑,制氫成本約為1.1~2.2元/m3,對比煤制氫0.69~1.18元/m3和天然氣制氫0.8~1.7元/m3,優勢並不明顯,但因其為「綠氫」,綜合價值較高。

目前電解水制氫主要分為鹼水電解、固體氧化物電解和PEM純水電解技術3種。其中,鹼水電解制氫發展成熟、商業化程度高、成本較低,是可再生能源制氫專案的首選方式。

河北沽源風電制氫專案(200MW風電、10MW制氫)的建成、吉林舍力風光制氫儲能示範專案(50MW風電、1MW制氫和1MW/(MW·h)儲能)的核準批覆均對提高可再生能源消納、促進氫儲能系統發展起到引領促進作用。未來隨著可再生能源規模化裝機及電解水能源轉換效率的提高,「綠氫」製造成本會呈現持續下降趨勢。

2.2 儲運氫

儲運氫技術作為氫氣從生產到利用過程中的橋樑,至關重要。可透過氫化物的生成與分解儲氫,或者基於物理吸附過程儲氫。儲氫方式比較如表2所示。

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氫能源具有質量能量密度大但體積能量密度小的特點,制約其儲運技術發展的關鍵在於兼顧安全、經濟的前提下,提高氫氣的能量密度。

綜合表 2 及當前行業情況分析,高壓氣態儲氫技術成熟、成本較低、應用最多,但並非最佳方案。有機液態儲氫憑藉其安全性、便利性及高密度的特點,具有較大發展潛力,是當前研究的重要方向。

此外,基於中國現有的天然氣管道進行氫氣的傳輸是否可行,也是值得探討的課題。

2.3 燃料電池

燃料電池透過電化學反應將氫氣的化學能直接轉化為電能,清潔無汙染,能量轉化效率高,是氫能源的最佳利用方式,在全球範圍內具有廣闊的應用前景。

2009—2018 年全球燃料電池出貨量統計如圖 2 所示,由圖可見出貨量統計資料增勢明顯。燃料電池型別主要包括鹼性電解質、質子交換膜、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物燃料電池,區別在於電解質和工作環境溫度不同,適合的應用場景也有差異。

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各型別燃料電池相比較,質子交換膜燃料電池發電效率為 40%~50%,啟動快,比功率高,結構簡單,處於商業化前沿,在可再生能源領域的氫儲能系統中應用較多。

固體氧化物燃料電池發電效率為55%~65%,餘熱利用價值高,熱電聯供效率高,但執行溫度高,啟動速度較慢,適用於熱電聯供模式。

近年來中國氫能燃料電池技術整體上取得了長足發展,但存在主要部件依賴進口、電堆和系統可靠性需提高、標準體系需健全完善等問題,仍是制約氫儲能系統發展的關鍵因素。

3. 氫儲能系統在電力行業中的應用

風電、光伏等可再生能源已成為中國新增電力的主力,新增裝機容量及累計裝機容量均排名世界第一,清潔能源替代作用日益顯現。

氫儲能系統在電力系統中與能源供給側配合、與分散式能源發電和電網發展相結合,可減少新能源出力不穩定等問題,其應用價值愈加突出。

3.1 可再生能源高佔比電力系統應用模式

如截至 2019 年底,張家口市可再生能源發電總裝機容量達 1 500 萬 kW,佔區域內全部發電裝機容量的 70% 以上,預計 2030 年實現零碳排放,形成以可再生能源為主的能源供應體系。

在此種可再生能源高佔比的電力系統中,風電、光伏的出力不確定性對電網安全穩定執行造成一定影響,將氫儲能系統作為消納高比例可再生能源的重要載體是可行的。

風電、光伏出力受限時,利用富餘的可再生能源進行制氫,並作為備用能源儲存下來;在負荷高峰期發電併網,提高新能源的消納能力,減少棄風、棄光,增強電網可排程能力並確保電網安全。未來隨著規模化的氫儲能系統的應用,可利用儲氫實現跨季調峰等應用。

此外,利用大規模不可控的可再生能源來制氫是完全清潔無汙染的,是真正意義的「綠氫」,同時可為煤化工和石油化工提供潔淨的原料氫,減少二氧化碳的排放,對於中國實現碳中和的目標是有利的。

3.2 區域綜合能源系統應用模式

氫儲能系統具有可長期儲存、能量密度高等優勢,將其作為一種電能儲存方案進行推廣利用,進而解決區域電源和負荷的匹配問題,可一定程度上延緩較為偏遠地區微電網的電力裝置投資。

例如英國的柯克沃爾小鎮氫能生態社群,因其位置相對偏遠,小鎮利用棄風和潮汐發電進行制氫,再透過燃料電池為汽車、船舶提供動力,並實現熱電聯供。

3.3 熱電聯供應用模式

利用氫燃料電池為建築、社群等供熱,並作為備用電源,與電力、熱力等能源品種實現互聯互補,提高能源利用效率。

雖然與應用較多的供熱鍋爐相比,此模式優勢不夠明顯,但能夠將供熱方式從熱電廠集中供熱向分散式供熱轉變,可以解決熱力管網、電網等基礎設施建設的高額投資問題,是一種值得研究的發展思路。

此外,在滿足供熱需求的同時,也可承擔部分負荷進行供電。如日本自2009年開始推廣家用燃料電池熱電聯供系統,普通家庭 40%~60% 的能源消耗可由此係統供給,商業化應用推廣較為成功。

3.4 能源網際網路應用模式

能源網際網路是充分將網際網路思想和能源產、輸、儲、用各環節以及能源市場深度融合的發展新形態。氫能源低碳、環保,能促進可再生能源利用,無額外環境負擔,可作為能源互聯媒介實現跨能源網路的協同最佳化。

3.5 氫燃料電池汽車應用模式

到 2030 年,中國燃料電池汽車保有量預計將達到 200 萬輛。

利用可再生能源發電製造「綠氫」,可將富餘氫能源供給氫燃料電池汽車使用,既促進了可再生能源與氫儲能系統協同發展,又實現了汽車綠色環保零排放。

透過氫能源交通的佈局發展,推動燃料電池關鍵材料、核心零部件中國產化,促進氫能源產業鏈快速發展。

4. 氫儲能展望及建議

4.1 政策支援

在低碳發展和能源轉型的背景下,氫能產業迎來了新的發展機遇。國家層面,國內氫能產業加速規劃佈局,《國家創新驅動發展戰略綱要》《「十三五」國家戰略性新興產業發展規劃》等檔案均鼓勵氫能產業發展。

2020 年 12 月,國家釋出的《新時代的中國能源發展》白皮書明確提出:加速發展「綠氫」製取、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發展;支援能源各環節各場景儲能應用,著力推進儲能與可再生能源互補發展。

在國家政策的引領下,氫能源的應用會被愈加重視,「十四五」期間將迎來新的發展機遇。地方層面,中國多個地方政府紛紛出臺了支援氫能產業發展的中長期規劃。

其中,就山東地區而言,政策支援力度愈來愈大,氫能產業發展形勢樂觀。2020年6月山東釋出《山東省氫能產業中長期發展規劃(2020—2030年)》,助力新舊動能轉換、經濟轉型升級。

2020年12月青島釋出山東省內第一個市級規劃,推動氫能產業高質量發展。山東省光伏發電裝機規模全國第一、風電裝機規模全國第四、在運在建核電裝機容量 570 萬 kW,具備新能源制氫的良好條件,是氫儲能系統發展的關鍵基礎。

濟南打造的「中國氫谷」建設工程、青島提出的「東方氫島」都將充分發揮帶頭引領作用,助力氫能源產業快速發展。

4.2 發展中存在的問題及建議

當前制約氫儲能系統發展的主要因素:中國在燃料電池關鍵材料、工藝、核心零部件、耐久性等方面和發達國家相比還有很大的差距;加氫站基礎設施建設滯後,其相關技術標準和法規尚不完善,管理機制處在探索研究階段;燃料電池高成本現狀制約商業化發展。針對上述問題,提出如下建議:

加大政策扶持。建議根據各省市情況加大政策支援,其中可研究制定氫燃料電池汽車補貼政策,促進氫燃料電池汽車產業快速發展,帶動相關技術研發應用,間接推動氫儲能系統等規模化氫能源應用模式試點示範。鼓勵投資建設加氫站,建議省市研究制定統一規劃、審批、運營指導意見,制定標準化加氫站建設流程,推動各省市加氫網路構建。

加強先試先行。各省市先行建設氫能源綜合應用示範園區,透過示範引領,探索可持續的建設運營模式並推廣,為全國氫能源綜合利用提供可借鑑、可推廣、可複製的成熟經驗。同時建立健全示範區氫能基礎設施建設和氫能應用領域的檢測認證、質量認證、安全監測、環境評價等體系工作,形成示範區域優勢氫能產業規模叢集。

完善關鍵環節,貫通氫能產業鏈條。鼓勵多元化制氫模式以保障氫源供應,近中期以工業副產氫為主,遠期逐步實現綠色能源制氫。開展可再生能源制氫、低谷電力制氫示範,研究核能等新能源制氫技術路徑。持續推進加氫站建設,大力發展氫能源製造業,建設國內燃料電池規模化生產研發基地。

重視研發創新。確定重大關鍵技術,依託高校、科研機構,深化產學研合作,吸引國內外高階專家團隊,提升技術創新和科技成果產業化水平,研究基於可再生能源及先進核能的制氫、純化、儲運技術,燃料電池電堆及整車技術,開發燃料電池及氫能源相關裝備,探索大容量、長週期的氫儲能技術路徑。

5. 結語

「碳達峰、碳中和」目標的確定,彰顯了中國走綠色低碳發展道路的雄心和決心,從長遠來看也預示著可再生能源的發展勢頭將持續強勁,氫能產業的發展也將迎來新的機遇。

充分借鑑國外發達國家的經驗,結合中國基本情況,探索氫能源產業鏈和氫儲能系統應用發展道路,實現高質量穩健發展,進而助力清潔低碳、安全高效能源體系的構建。

廣東醇氫新能源研究院有限公司是甲醇制氫裝置與技術的專業供應商,產品氫氣主要應用於:粉末冶金、金屬冶煉、新能源、燃料電池、化工、多晶矽、工業氣體、電子、製藥、浮法玻璃、食品加氫、軍工、航天、環保等領域。