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“氫能十解”之一:解鎖氫能新紀元

氫促會發布時間:2024-02-22 11:02:34  作者:李昇 姜海 余官培

  為進一步促進我國氫能行業高質量發展,水電水利規劃設計總院在前期氫能研究的基礎上撰寫了“氫能十解”系列文章。

  專題共分為十個篇章,依次為《解鎖氫能新紀元》《氫能的綠色尋蹤》《氫基能源制取之謎》《氫基能源流動之旅》《氫基能源應用拼圖》《氫與電的交響曲》《新型能源體系的氫密碼》《氫基能源規模之密》《氫能關鍵技術之問》和《全球綠色氫能中心愿景》。

  針對氫能發展一系列問題,“氫能十解”提出具有前瞻性的思路,為能源行業從業者提供參考,為企業提供市場拓展導向,為社會公眾提供認知途徑。我們希望“氫能十解”的出爐與傳播,能夠激發更多創新思維,匯聚各方力量,形成業界共識,協同推進氫能產業健康發展,為建設一個清潔、低碳、安全、高效的中國現代能源系統貢獻力量。

  氫的歷史:從拉瓦錫到拉·庫爾

  氫,宇宙中豐度最大的元素,在地球上氫的單質通常以氣態形式存在,擁有工業原料和能源載體的雙重身份。過去,氫更多地作為一種基本工業原料或產物出現在化工行業中,或作為化石原料的重要成份被固化在煤炭、石油或天然氣中。在全球化石能源短缺和氣候變化的雙重壓力下,氫因其可再生、零排放、高能量密度的綠色屬性,受到了越來越多的關注。

  16世紀瑞士化學家發現將鐵溶解在硫酸中的過程會釋放出一種神秘的氣體,這是人類有記錄的首次人工獲得氫單質;1766年,亨利·卡文迪什通過相似的實驗收集到了氫氣并將其點燃獲得了水。1783年,法國化學家拉瓦錫首先命名了氫氣,意為“成水元素”;1800年,兩位英國科學家尼克爾森和卡萊爾首次用電流將水分解成了氣體,據此發明了電解槽,揭示了氫與電這對綠色未來愿景隱秘但密切的關系。

  氫能是氫分子和氧分子反應生成水時放出的能量,準確地說應該是水相對于氫氣和氧氣的能量。1mol的氫氣能量即是1mol的氫氣與1/2mol的氧氣所具有的能量與1mol的水(液體)具有的能量差。標準狀態下(標準大氣壓,25℃),標準焓變是-285.830kJ,標準自由能的變化是-237.183kJ。氫的熱值高達120MJ/kg,約為92號汽油(約44MJ/kg)的2.7倍,天然氣(約46MJ/kg)的2.6倍,標準煤(約29.3MJ/kg)的4.1倍。

  事實上,氫氣作為能源應用的歷史遠比我們所認為的長,早在19世紀末,丹麥發明家拉·庫爾為了解決如何儲存風車產生電能的問題,將一個水磨坊風車產生的電力通過電解水生產氫,并將氫直接作為儲備燃料使用。這也可以視為人類首次將氫作為可再生能源進行制備、存儲和使用,盡管當時并沒有相似的概念。歷史中,拉·庫爾采用風車發出的電能制氫并通過12立方米的儲罐進行存儲,由氫能供給的小鎮用電,數年間沒有出現過供電中斷的情況,這也可以認為是氫首次應用于電網儲能。

  潮起潮落:從石油危機到氣候變化

  歷史上氫能利用的熱潮都與能源和環境問題有關,1970年代的石油危機,空氣污染和酸雨等環境問題,使得利用煤炭和核能制氫在20世紀70年代倍受關注,到80年代油價回落和大規模的抵制核能運動的爆發,對氫能的研究熱情就冷卻了下來,到了21世紀初直至今天,隨著氣候變化的問題再次被提及,社會對氫能的研究再次升溫。

  美國是第一個將氫能作為國家戰略的國家,1970年,通用汽車公司技術中心首先提出“氫經濟”概念。1990年美國政府就頒布了《氫能研究、發展及示范法案》,制定了氫能研發5年計劃。2002年11月,美國能源部發布《國家氫能發展路線圖》,就美國氫能發展的目的、影響氫能發展的各種因素,以及氫能各環節技術現狀、面臨的挑戰及未來發展路徑進行了詳細的設計和闡述。此后美國政府頒布了一系列法令、政策,使美國“氫經濟”概念逐步轉化為現實。2022年9月美國能源部發布《國家清潔氫能戰略和路線圖(草案)》,指出到2050年清潔氫能將貢獻約10%的碳減排量,到2030年、2040年和2050年美國清潔氫需求將分別達到1000萬噸/年、2000萬噸/年和5000萬噸/年。

  歐盟作為最早探索氫能應用的地區之一在發展氫能上具備一定的優勢,其氫能發展政策較為完善、科研體系成熟、投資力度大。2018年歐盟提出《2050年長期戰略》,在涉及氫能的“地平線歐洲”計劃中,將拿出35%資金投資氣候相關目標,開發具有成本效益的創新型解決方案,其中主要涉及氫和燃料電池。2019年《歐洲綠色協議》提出,到2030年工業部門的氫能應用中綠氫占比超過50%,對航運用燃料電池和加氫站建設提出了更具雄心的發展目標。2020年歐盟發布關于氫能發展的指導性文件《歐洲氫能戰略》,旨在為歐洲建立一個整合的氫能市場提供一個清晰的愿景和路線圖。2022年《REPowerEU計劃》提出多個促進氫能發展政策,力爭到2030年實現2000萬噸綠氫的供應,成立“歐洲氫能銀行”,投資30億歐元助力發展氫能市場。

  德國、法國、西班牙、意大利、芬蘭等多國相繼通過了國家氫能戰略。歐洲的氫能發展以德國為代表,德國傳統工業企業脫碳需求大,氫在鋼鐵、化工、發電供熱等領域均有部署。2020年6月,德國內閣通過了《國家氫能戰略》,旨在推進氫能產業發展,搶占氫能技術領域的高峰?!秶覛淠軕鹇浴分行贾辽偻度?0億歐元用于發展氫能;法國公布了《國家氫能戰略》后,正式成立國家氫能委員會,有別于歐盟部分國家力推的化石燃料配合碳捕捉和封存技術的“藍氫”發展路線,法國始終堅持采用可再生能源的“綠氫”路線;西班牙可再生能源資源豐富,可再生能源裝機量占比高,西班牙將可再生能源制氫作為能源和經濟轉型的重要戰略選項;意大利將推廣氫燃料汽車作為氫能產業發展的突破口,將大幅提升本土氫燃料汽車的應用規模,逐步取代柴油車;氫是芬蘭國家能源和氣候戰略的一部分,芬蘭發布的《芬蘭氫能路線圖》中,重點展望了合成燃料的生產、低碳氫的生產以及氫替代煤炭降低工業中產生的碳排放等內容。

  現階段,日本已具備了扎實的氫能產業基礎,形成了適應產業發展政策制定和修訂機制,先后出臺10余項氫能戰略性政策。日本政府早在2014年4月就決定實施“能源基本計劃”,確定建設“氫社會”目標。2017年12月,日本政府制定了世界上第一個國家層面的氫能戰略《能基本戰略》,對氫能產業鏈的各個細分領域設定了明確目標。2019年3月,為確保實現基本戰略所設置的各項目標,日本政府制定《氫能燃料電池戰略路線圖》,進一步細化了氫能發展目標提出相關戰略舉措并設置了評價工作組,定期對各領域的進展實施跟蹤與評價。在《氫能燃料電池戰略路線圖》指導下,2019年9月,日本政府制定了《氫能燃料電池技術開發戰略》,確定以三大領域的十項技術為重點開發對象隨后,在2020年10月出臺《綠色增長戰略》,明確了氫能的定位,并在2021年6月18日將其修訂為《2050碳中和綠色增長戰略》,以促進機構和監管改革,加大資金支持力度,推動創新研發,實現產業結構和經濟社會轉型。

  以沙特和阿聯酋為代表的中東地區正在積極布局氫能產業,并與德國、美國、日本和韓國在貿易、科技、示范等領域建立廣泛合作。中東地區國家尚未出臺明確的氫能發展戰略,但中東是以能源輸出為主的地區,藍氫和綠氫并行發展將成為沙特和阿聯酋等國氫能發展的重要路徑。2016年沙特《2030愿景》提出了實現經濟的多元化、減少對石油依賴的目標,并于2017年開始打造完全由可再生能源供電的“新未來”智能城市-NEOM,在NEOM中布局綠氫產業,加快實踐《2030愿景》。阿聯酋也致力于全產業鏈減少碳排放,計劃到2030年碳排放量較2016年減少24%,并將依托資源優勢開展氫能產業布局,既通過CCUS技術擴大藍氫生產規模,也把風、光等的可再生能源制取綠氫納入發展規劃。

  當前全球范圍正興起“氫能經濟”和“氫能社會”的發展熱潮,氫能已進入產業化快速發展新階段,截至2022年12月,全球已有42個國家及地區發布了明確的氫能發展戰略和規劃,歐美日韓等20多個主要經濟體已將發展氫能提升到國家戰略層面,相繼制定發展規劃、路線圖以及相關扶持政策,加快產業化發展進程。

  先立后破:“雙碳”目標下的新型電力系統

  面對日趨嚴峻復雜的國際政治經濟形勢,大國博弈導致的地緣政治格局動蕩對能源安全造成嚴重沖擊,全球能源供需格局面臨深度調整。中國油氣進口集中度高,航運通道風險大,中國能源安全面臨的外部形勢更趨復雜。在能源安全和碳減排的雙重要求下,無碳和低碳燃料相關產業發展迎來重大機遇??稍偕茉粗迫〉木G氫,能夠實現工業領域化石能源制氫的替代,也可以在鋼鐵、化工、交通等難以通過可再生能源實現降碳的領域發揮重要作用。

  電力領域碳減排是實現“雙碳”目標的主戰場,其主要手段在于不斷提高太陽能、風能等新能源在電力系統中的占比。近年來,我國的新能源發電成本快速下降,裝機規??焖偬嵘?,但光伏、風電存在間歇性、隨機性、波動性的特點,無法直接滿足電網及用戶的需求,如無有效的調節方案將造成了大量的棄風、棄光現象。

  作為破題之道,氫可在源網荷儲四方面與電力系統深度融合,支撐新能源大規模開發利用。

  在電源方面,氫可通過燃氣輪機甲烷摻氫燃燒、氫燃料電池、煤電鍋爐摻氨燃燒等手段降低發電端的碳排放,實現發電端的靈活性調節。在網方面,氫可通過管道進行長距離輸送,可以作為特高壓電力輸送的一種有效補充。在負荷方面,電解水可作為柔性負荷,可提供需求側靈活響應,實現可再生能源大規模消納。在儲能方面,氫作為儲能手段,可實現電、熱、氫三者安全高效地互相轉化,是一種跨日、月、季節的長時儲能形式。

  能源轉型:氫能引領的新型能源系統解題之法

  目前全世界正處于能源生產和消費革命新時代,構建清潔低碳、安全高效的能源體系是未來能源發展的方向。我國能源結構是以高碳的化石能源為主,推動碳減排,就必須推動以化石能源為主的能源結構轉型。能源系統低碳化需要供應方和消費方進行系統性的轉變,油氣資源未來將與可再生能源協同開發、相互轉化、共同利用,形成以化石能源為代表的油氣資源和以氫能、電能為代表的可再生能源共同構成的新型能源系統。新型能源系統應該是由以新能源為主體的新型電力系統和以“新型油氣”為主體的新型非電系統兩部分作為主要支撐,兩者相互促進,相互依托,以綠色氫能為橋梁,共同組建中國式新型能源體系。為此,新型能源系統需要在建設分布式能源設施,發展多能融合的區域供能系統,支持清潔燃料接入油氣管網等方向尋求突破。

  大規模電氣化是實現降碳的有力抓手。然而,仍有部分行業難以通過直接電氣化實現降碳,包括鋼鐵、化工、公路運輸、航運和航空等。由于氫能具有動力燃料和工業原料雙重屬性,通過構建“電-氫”耦合體系可以在穩定電力系統同時,實現綠色能源以氫的形式向新型能源系統拓展,在難以通過直接電氣化實現降碳的領域發揮重要作用。

  氫能可以促進更高比例的可再生能源發展,有效減少我國對油氣的進口依存度;“電-氫”耦合可以促進可再生能源消納,有助于可再生能源電力成本的降低,進而實現綠色電能和綠色氫能的經濟性的共同提高;大規模建設的儲氫設施和輸氫管網可以實現能源的時空轉移,促進我國能源供應和消費的區域平衡;氫能與電能作為能源樞紐,更容易耦合熱能、冷能、燃料等多種能源,共同建立互聯互通的現代能源網絡,形成極具韌性的能源供應體系,提高能源供應體系的效率和經濟性。

  氨與甲醇:“氫基”能源的多元化轉變

  氫氣的質量能量密度(120MJ/kg)高,但常溫常壓下的體積能量密度(標況10.7MJ/m³)低,爆炸極限濃度(4%)低。目前氫主要以壓縮氣體或液體的形式儲存并輸送,經濟性并不理想,人們一直在尋找氫的高效載體,實現氫能安全、高效且廉價的存儲和輸送。

  氨作為儲氫載體和理想零碳燃料的研究近年來得到迅速發展,其生產技術工業化成熟,儲存運輸難度小,并更易于長時間儲存和運輸。氨既可與煤粉混燒發電,也可單獨應用于鍋爐和燃氣輪機發電,亦可替代化石燃料應用于船用內燃機,其將隨著技術的進步成為一種重要的二次能源。目前以氨供氫、以氨代氫也已成為國際發展趨勢之一,各主要經濟體均對其規?;a和使用高度重視。

  甲醇亦是理想的儲氫載體。作為重要的化工原料,是有機合成工業的重要中間體和溶劑,在化學工業中具有重要地位,其在能源和化工產業鏈技術基本成熟,已經具備大規模推廣應用的條件。作為一種動力燃料,甲醇具備高辛烷值,可用作內燃機中的汽油添加劑或替代品,既可實現內燃機高效燃燒,還可降低碳和氮氧化物的排放,可以作為汽油的低成本替代品。

  因此,氫能的發展無法脫離氨醇,一方面,氨和甲醇是氫的重要下游產物,工業應用廣泛且具有較為成熟的綠色制取手段;另一方面,作為氫的載體,氨和甲醇更方便儲存和運輸,可以作為重要的化石能源替代品,實現發電、交通等領域的降碳減排。從能源供給端來看,氫基能源與電能類似,長遠看,將成為未來清潔能源體系中重要的二次能源;從能源消費端來看,氫基能源是用能終端實現綠色低碳轉型發展的重要載體;從工業生產過程來看,氫基能源是重要的清潔低碳工業原料。因此,我們已可以隱約看到包括氫、氨、甲醇在內的氫基能源在未來能源體系中的重要角色。

  氫能體系:氫能發展的中國貢獻

  “氫基”能源作為電能之后極具潛力的二次能源,其發展路徑具有多元化的特征。從供應端來看,未來將形成以可再生能源制氫為主體,化石能源制氫+碳捕捉、生物質制氫為補充的多元供氫格局;從消費端來看,未來將形成氫基能源回流發電、交通消費、工業消費和跨地區輸運并重的多元應用局面。

  與發達國家相比,我國氫能的技術水平和產業基礎較為薄弱,各個環節裝備及產品的性能、使用壽命、制造工藝等方面較國際第一技術梯隊仍有一定差距。然而,我國具有良好的氫基能源供應和應用市場,且是目前全球唯一具有氫能全產業鏈優勢的國家,發展氫能的規?;瘍瀯蒿@著。氫能產業鏈包括制-儲-輸-用四個主要階段,其多元化特點顯著,規?;l展是實現氫能行業攻克難題、降本增效的有效途徑。氫基能源體系建設可有效釋放全國規?;履茉粗茪錆摿?,拉動氫能全產業鏈規?;l展,有效加速我國氫能領域核心競爭力提升,培育我國新能源產業第二個增長極,促進國內經濟持續高質量發展。

  當前全球正經歷百年未有之大變局,我國審時度勢提出了“四個革命,一個合作”的能源發展新戰略。立足國情,加速氫能的規?;l展,不但可以為我國能源安全與低碳轉型保駕護航,同時有望通過“氫能牌”助力全球氣候治理下的能源轉型,加強氫能領域國際合作,為全球能源安全和綠色轉型提供中國方案。展望未來,氫能產業大有可為,將我們一起為其下一步的波瀾壯闊的發展而蓄勢待發吧。(作者:李昇 姜海 余官培,作者單位:水電水利規劃設計總院)


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