鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2023年04月17日
氫能或為最具發展潛力新能源
目前,商用電解槽法,能耗水平約為4.5~5.5kWh/Nm3H2,即50~67kWh/kgH2。由此推算,水電解制氫成本中電費成本超過20元/kg(電價按0.4元/kWh計算)。因此,水電解制氫的關鍵在于降低用電價格或是降低電解過程的能耗,提高能量轉換效率,然而后者也是技術難點所在。目前,日本再次突破技術,提高了電解水制氫的能量轉換效率,但能耗水平依然在3.8kWh/Nm3H2。
據云南省科技廳消息,云南省正在編制“綠色能源牌”三年科技行動計劃,重點是水電鋁、水電硅、新能源汽車、水電氫、材料基因工程等“綠色能源牌”重點領域。其中,水電氫作為清潔載能產業,首次被列入云南省“綠色能源牌”打造工程。
隨著經濟發展,全球能源需求不斷增長,煤、石油等化石燃料因不可再生,終有枯竭的一天。同時,使用化石燃料產生的二氧化碳等溫室氣體造成全球變暖、冰雪融化、海平面上升等環境問題,也越來越被社會重視。
近年來,隨著應用技術發展逐漸成熟,氫能作為清潔的二次能源,與其相關的產業備受世界各國關注,美國、德國、日本等發達國家相繼將發展氫能產業提升到國家能源戰略高度。
2016年,國家發改委、國家能源局等聯合發布的《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》,提出了能源技術革命重點創新行動路線圖,將“氫能與燃料電池技術創新”列為15項重點任務之一。這意味著,氫能產業也被我國納入了國家能源戰略。
氫能或為能源的終極形態
隨著石油煉制工業,以及石油化學工業飛速發展,氫氣消耗量也在迅速增加。在石油、化工、精細化工、醫藥中間體等行業中,氫氣是重要的合成原料氣;在冶金、電子、玻璃、機械制造等行業中,氫氣也是不可缺少的保護氣,同時氫氣也被用作特種航天燃料。現在,氫氣作為清潔能源,在歐美日等發達地區被廣泛使用。
國內外的實踐表明,氫氣作為清潔的二次能源,可廣泛應用于燃料電池車輛(包括乘用車、商用車、特種車、軌道車等)、發電(包括熱電聯供分布式發電、備用電源等),也可摻入天然氣用于工業和民用燃氣。此外,氫能具有可規模化儲存的特性,是未來能源結構的重要組成部分。其廣泛應用可部分替代石油、天然氣等化石能源,是解決目前能源危機、環境污染的良方。
從歷史上三次能源革命來看,化石燃料時代向綠色能源時代的轉變是能源開發利用的自然規律和趨勢。傳統燃料中碳原子與氫原子數目之比從固態的煤(1∶1),到液態的石油(1∶2),再到氣態的天然氣(1∶4)。加氫減碳的趨勢,決定了零碳綠色氫能或為未來新能源的終極形態。氫能具有能量密度大、轉化效率高、儲量豐富、適用范圍廣和環保無污染等特點,從開發到利用全過程可實現零排放、零污染,是最具發展潛力的新能源。
目前,我國可再生能源持續高速增長,但能源結構中火電占比仍然過高,與美日等發達國家相比,我國可再生能源的發展前景更大。截至今年6月底,我國包括水電在內的可再生能源發電裝機容量達到6.8億千瓦,不到全國發電總裝機容量的40%。
不過從長遠發展來看,在化石燃料枯竭后,可再生能源中目前發電裝機最多的水電、風電、光伏均在時間、空間具有一定局限性,難以完全填補化石能源發電的缺位。尤其我國水電主要分布于西南和南方地區,其汛期與枯期發電能力季節性不平衡,是西南地區棄水的重要原因;裝機容量第二的風電,除了占用土地(海洋)面積較多外,還存在發電不穩定、不可控的明顯缺陷;光伏不僅存在晝夜間歇性工作的特點,還有轉換效率不高、占地面積大等劣勢。如何在水、風、光外,進一步豐富我國可再生能源類型,是我國進一步優化能源結構,促進綠色發展面臨的重要命題。
制約我國可再生能源發展的另一個問題是,可再生能源生產地遠離我國用電負荷中心,造成供需不平衡,并導致棄水、棄風、棄光的現象突出。去年,全國棄水電量515億千瓦時,棄風電量419億千瓦時,棄光電量73億千瓦時。今年上半年,全國棄風電量182億千瓦時,棄光電量30億千瓦時,主要流域水電棄水電量約38.5千瓦時。雖然風電和光伏發電消納形勢有所好轉,棄電量和棄電率“雙降”,但情況仍然不容樂觀,部分地區(新疆、甘肅)棄風率依然高于20%。利用可再生能源富余電量制備氫氣,并發揮氫能的儲能作用,平衡可再生能源峰谷矛盾,不失為解決問題的一計良策。
理論上,氫儲能系統只需要制氫系統、儲氫系統和氫發電系統三個部分。工作原理也比較簡單:制氫系統利用富余電量電解水制氫,由高效儲氫系統將制得的氫氣封存起來,待需要通過燃料電池發電回饋到電網。同時,氫儲能系統還可以與氫產業鏈中的應用領域結合,在化工生產、燃氣、燃料電池汽車等方面發揮更大的作用。該系統基于電能鏈和氫產業鏈兩條路徑實現能量流轉,可同時提升電能質量與氫氣作為化學原料的附加價值。
今年6月,青海通過風光水互補,成功實現了連續9天、216小時使用清潔能源供電。特斯拉在發布儲能電池(Powerpacks)時做過預測,當美國所有房屋樓頂都鋪滿太陽能板時,其發電能量足以替代美國所有的其他能源。這意味著,隨著可再生能源發電裝機的增長,可再生能源的供應不是問題,但如何解決可再生能源周期性的不平衡才是產業發展的關鍵。氫儲能系統如果可以成功運用,正好可以解決這一難題。
氫燃料電池前景豐滿但現實骨感
氫燃料電池是將氫氣的化學能直接轉化為電能的裝置,具有轉換效率高、零排放等特點,是目前最有前景的氫能利用場景,同時也是氫儲能系統的核心組成部分。之所以將氫氣運用在燃料電池中,是因為燃料電池使用過程中熱量釋放相對較少,根據能量守恒定律,其能量轉化效率遠高于內燃機。以氫氣作為能源載體的燃料電池車能效,較使用傳統燃料的內燃機車能效提升2.5倍。
今年5月,李克強總理在日本訪問時,參觀考察了豐田汽車北海道廠區,深入了解了氫燃料電池汽車Mirai,使得氫燃料電池再次走進公眾視野。充氫3分鐘、續航650公里兩項數據直擊純電動汽車充電時間長、續航里程短的兩大“痛點”。因此,不少業內人士認為,氫能源汽車是新能源汽車的終極形態。
Mirai是日本豐田2014年底推出的全球第一款氫燃料電池量產車型,該車2015~2017年銷售合計約5700輛。目前,Mirai的年產量約為3000輛,根據豐田計劃,在2020年前后包括Mirai在內的氫燃料電池車銷量將擴大至每年3萬輛以上。
實際上,豐田并不是唯一布局氫燃料電池的車企。上世紀90年代以來,奔馳推出燃料電池汽車necar1,豐田推出FCHV-adv,本田推出FCXClarity,現代推出ix35燃料電池版。上汽集團、宇通客車、中通客車、比亞迪、金龍汽車、北汽集團等國內車企,在氫燃料領域也有布局研究,但因成本造價等問題至今還未大量生產。
與自動駕駛、車聯網等新技術不同的是,氫燃料電池并不是一項比較新的技術。早在1966年,通用汽車就打造出了世界上第一輛氫燃料電池汽車——Electrovan。在該車測試后發現,燃料電池的耐久度、環境適應性都有不錯的表現。這套燃料電池系統后被移植到了NASA登月探險車上。
然而,受成本制約,氫燃料汽車至今仍未實現全面商業化。氫燃料電池在使用過程中需要加氫,但氫氣的儲存和運輸具有一定的門檻,制約了氫能的推廣。目前,儲氫分為氣態和液態兩種方式。其中,氣態儲氫單位體積儲存量小,且安全性差;液態儲氫在氫液化過程中也會消耗大量能量(壓縮功),且該方式對儲器的絕熱性能要求也較高。同時,實現氫燃料電池車的普及,也需要建立整套配套設施,與純電動汽車配套充電設施相比,加氫站建設成本更高(約1500萬元),且靈活性不足。這意味著,氫能汽車產業的發展不僅需要借助政府的行政力量加以引導,還需要具有清晰、成熟的商業模式可循。據統計,全球目前建成的加氫站僅300多座,其中我國投入運營的加氫站僅為13座。
此外,目前已發現的最適用于氫燃燒電池的催化劑,是貴金屬鉑。以豐田Mirai為例,大約需要100克鉑(約合1.8萬元人民幣,單車鉑用量持續下降中)才可以讓車上的燃料電池正常工作。然而價格昂貴并不是主要的因素,金屬鉑容易受環境影響,空氣中的二氧化硫、硫化氫等雜質都可能導致燃料電池陰極催化劑不可逆轉的損傷,從而導致電池性能下降。
目前,Mirai車型在日本官方售價是724萬日元(約合44萬元人民幣),補貼后個人購車約500萬日元(約合30萬元人民幣)。然而,特斯拉入門車型Model3在美國起售價僅3.5萬美元(約合24萬元人民幣),加上補貼后將更便宜。可見,氫燃料電池汽車在成本方面還不具有競爭優勢。
從使用成本來看,目前傳統汽車(1.6L)每公里油錢約為0.65元,純電動汽車每公里耗電費用約為0.1元。氫燃料電池汽車以Mirai為例,該車加滿氫氣(約5kg)可續航650公里。氫氣價格以50元/kg計算,Mirai加滿氫氣需要250元,每公里成本約0.38元,其日常使用成本低于傳統燃油汽車,但與純電動汽車相比仍然不具優勢,亟待通過科技創新,進一步提高氫能利用效率。
此外,氫燃料電池因催化劑容易“中毒”,比較嬌貴,對助燃的空氣要求很高。專門從事儲能電池研究的中國工程院院士楊裕生講過一個案例,我國曾進口過兩臺德國的氫燃料電池電動公交車,原計劃在北京郊區行駛兩年,結果才行駛一年就用壞了6臺燃料電池發動機。可以想象,氫燃料電池汽車的后期保養維護費用不低。
實際上,650公里僅為Mirai的理想續航里程(實際續航里程約500公里),50元/kg的價格也是理想價格。以當前的制氫成本來看,在沒有政府補貼的情況下,氫氣的實際生產成本高于50元/kg,算上儲存運輸費用,實際成本更高。
制氫成本下降的空間在哪里
氫氣需要通過化學轉化的方式從烴和水等物質中提取。對于整個氫能產業而言,除了存儲運輸技術外,氫能的大規模、低成本和高效制備是首先需要解決的關鍵性難題。
氫氣的生產途徑很多,從生產氫的原料可分為兩類:非可再生能源制氫和可再生能源制氫。
目前,天然氣制氫、甲醇制氫、水電解制氫,是除煤制氫外最主要的制氫方法。其中,天然氣制氫技術最為成熟,工藝流程安全可靠,投資建設成本低;甲醇制氫工藝流程簡單,相對易操作維護,主體設備為常見化工設備,技術也較為成熟;水電解制氫流程簡單,操作簡便,甚至可實現無人值守全自動操作。三種方式制氫純度都較高,其中水電解制氫純度最高。前兩種方式制氫成本主要取決于天然氣和甲醇的價格,水電解制氫則主要取決于電價的高低。
雖然非可再生能源制氫是目前市場制取氫氣的主要方法,但隨著可再生能源邊際成本不斷下降,將逐漸被后者替代。從長遠來看,水能、生物能、太陽能、風能等可再生能源制氫,不管是從對環境的保護還是可持續性來看,都具有較強競爭力。尤其隨著因溫室氣體過度排放造成的全球變暖及日益嚴重的環境污染,可再生能源制氫廢物零排放、環境零污染的優越性逐步體現出來。
如果能充分利用棄水、棄風、棄光所產生電能進行電解水制氫,則意味著不僅能解決可再生能源消納問題,還能實現綠色制氫。電解水制氫工藝,從20世紀初發展至今已有110多年的工業化歷程,技術較為成熟。利用兩個不產生化學反應的電極,在無機酸或堿金屬氫氧化物的水溶液傳導直流電流,陰極生成氫氣,陽極生成氧氣。電解水方法大規模制氫主要有兩條降成本的途徑,一是降低電解過程的能耗,二是降低電價。
目前,商用電解槽法,能耗水平約為4.5~5.5kWh/Nm3H2,即50~67kWh/kgH2。由此推算,水電解制氫成本中電費成本超過20元/kg(電價按0.4元/kWh計算)。因此,水電解制氫的關鍵在于降低用電價格或是降低電解過程的能耗,提高能量轉換效率,然而后者也是技術難點所在。目前,日本再次突破技術,提高了電解水制氫的能量轉換效率,但能耗水平依然在3.8kWh/Nm3H2。
由此可見,電解水大規模制氫降成本空間最大的途徑,是充分利用可再生能源的富余產能,以降低用電成本的方式降低制氫成本。以云南為例,云南電網2018年目標是棄電量控制在200億kWh,如果將這些電量全部用于電解水制氫。以70kWh/kg計算,可制得2.9億公斤氫氣,足夠240萬輛氫燃料電池汽車每年充氫24次(平均每月兩次)。如果加氫價格以50元/kg計算,經濟效益達145億元。
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