寫稿
投稿
2021年6月17日-18日，2021中國綠色氫能發(fā)展大會在大會上國家發(fā)改委能源研究所博士劉堅做演講報告，其中對綠氫發(fā)展前景？氫能發(fā)展現(xiàn)狀?綠氫的制備技術(shù)？三方面發(fā)表了自己的看法。
綠氫發(fā)展前景
在2060年之前要實現(xiàn)碳中和現(xiàn)在的思路主要是從能源入手，因為能源占到100億噸二氧化碳排放的80%以上。
第一方面在能源生產(chǎn)側(cè)要引入更多非化石能源。目前從2020年來講是15.9%，要實現(xiàn)碳中和的前提下60年非化石能源占比要達(dá)到80%以上。
第二方面能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。未來的能源消費(fèi)可能會產(chǎn)生巨大變化，因為未來的新能源發(fā)展主要是通過風(fēng)能和太陽能這些新能源電力實現(xiàn)，所以如果想為新能源的發(fā)展提供更多的發(fā)展空間，能源終端消費(fèi)就是需要有更多的電氣化的一個實現(xiàn)。比如到2060年左右能源消費(fèi)電氣化的水平可能需要達(dá)到70%-80%,但是就算技術(shù)達(dá)到了這樣一個高水平，可能還是會有相當(dāng)一部分的終端能源消費(fèi)是沒有辦法直接通過電來實現(xiàn)的。這時候就可以通過氫這種間接方式，簡單來講即利用新能源進(jìn)行電解水制氫，然后終端能源利用的時候用氫來實現(xiàn)更高比例的新能源覆蓋。
第三方面就是通過氫實現(xiàn)物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化。未來更多是通過非化石時的風(fēng)電和太陽能來實現(xiàn)發(fā)電，電力可以直接通過電力技術(shù)設(shè)施來提供中端能源的利用，比如對于氫能車和建筑的用能相對來說是比較直接的。除此之外，未來也可以通過電解水的方式，新建氫能技術(shù)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其他一些相對比較難減碳的領(lǐng)域比如說道路交通里面的重卡、船舶、航空等領(lǐng)域的減碳化。同樣的基于綠氫也可以實現(xiàn)一些合成燃料和合成原料的產(chǎn)品，比如合成氨、合成甲醇和一些油、氣等的生產(chǎn)，均可以兼容現(xiàn)有的化石能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)工業(yè)原料這一部分的替代。
基于氫基燃料的介質(zhì)也可以去耦合二氧化碳的元素。碳?xì)湓乜梢灾苯有纬珊芏嗟幕ぴ希瑥倪@一塊來講，二氧化碳除了可以通過自然界捕獲，還可以通過生物制間接的方式來進(jìn)行獲取。也可以利用化石能源通過CCS或者CCUS的方式來進(jìn)行獲取，如果為了實現(xiàn)自然界二氧化碳的直接循環(huán)，那二氧化碳總排放可能接近于零；另一方面如果通過CCUS利用化石能源，以氫的角度來說，它可以實現(xiàn)耦合化石能源所排放的碳，最終實現(xiàn)負(fù)碳的技術(shù)。從整體來看，雖然沒有辦法實現(xiàn)真正的零碳，但是也可以大幅度降低化石能源的利用部分的二氧化碳消費(fèi)。氫作為這樣一個能源，介質(zhì)以及它產(chǎn)生的通過電解水制氫合成的比如氫氣燃料，是在未來碳中和整體框架中的核心角色。
氫能發(fā)展現(xiàn)狀
根據(jù)氫能聯(lián)盟2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前氫氣的產(chǎn)能是4100百萬噸，實際產(chǎn)量是3300萬噸，其中煤制氫、天然氣制氫占到60%以上，電解水制氫占比極少，大概只有1.5%左右，而且里面相當(dāng)一部分還是從電網(wǎng)直接獲取的，就電解水直接制氫的執(zhí)行方式。真正的綠氫在未來的技術(shù)是希望直接通過風(fēng)能、太陽能、水能可再生能源與電力結(jié)合。
消費(fèi)層面來說，目前的主要在化工領(lǐng)域，合成氨占比最高，合成氨、合成甲醇這兩類加起來占比達(dá)到60%以上，而目前像燃料電池等氫能消費(fèi)占比非常低，在1‰以下。未來不論是氫能的生產(chǎn)還是氫能的能源化利用，還是有很長的一段路要走的。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，氫的能源化利用主要還是從交通這個方面來首先突破，國內(nèi)燃料電池汽車主要是商務(wù)車，數(shù)量規(guī)模大約是接近8000輛，但是未來會更多關(guān)注的是重卡，因為在中國，電動汽車發(fā)展迅速，特別是在乘用車和氫型的商務(wù)車來講，未來電動化可能是一個非常有競爭力的技術(shù)路線。
相比之下，對于一些長距離的重卡運(yùn)營場景來講，電動汽車可能會存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，雖然也會通過一定的技術(shù)比如說通過電池?fù)Q電的方式來實現(xiàn)一些短距離高頻運(yùn)行，包括部分礦區(qū)、港口已經(jīng)在這方面有示范點(diǎn)，但是未來更長距離的重載車輛的電氣化還是存在難題的，這個時候以氫能來講，它的能量密度較高，未來在重在貨運(yùn)方面比較有發(fā)展前景。
交通可能只是未來氫能發(fā)展的一個部分，但是更大的一個問題就是如何降低氫能成本？為什么說交通是首先能夠接受氫能的一個領(lǐng)域？特別在新能源執(zhí)行低碳?xì)涞臈l件下，它的價格成本相對較高。首先從交通做一個突破口，未來如果氫能成本持續(xù)下降的話，就可以進(jìn)一步推廣到工業(yè)領(lǐng)域部分的應(yīng)用。
綠氫制備技術(shù)
目前制綠氫的主流技術(shù)包括堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)和固態(tài)氧化物電解水(SOEC)。前兩類技術(shù)在中國和歐洲都有較多的應(yīng)用，特別是堿性電解水在國內(nèi)來講產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相對成熟，工業(yè)規(guī)模較大，成本也較低，國內(nèi)有很多產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但是它的問題在于目前堿性電解槽的槽的性能靈活性相對較差。
那如果未來耦合風(fēng)能、太陽能的波動性電能源來講，效率相對來說會受到一定的限制，這部分來講的話，目前工業(yè)領(lǐng)域的電解水制氫并沒有很強(qiáng)的波動性電源適應(yīng)的需求。未來如果有很大的這種風(fēng)能和太陽能的制氫場景的話，堿性電解水技術(shù)靈活性有比較大的提升空間。
第二類質(zhì)子交換膜的技術(shù)來講的話，歐洲應(yīng)用較多技術(shù)相對成熟，問題在于成本較高，目前的單位千瓦的電解槽成本接近1萬元，遠(yuǎn)高于電解水制氫，優(yōu)勢在于它靈活性比較高，爬坡和體型的速度都會比較快。
第三類技術(shù)固態(tài)氧化物電解水(SOEC)技術(shù)來講最大的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)換效率比較高，可以實現(xiàn)80%以上電解水制氫的能源轉(zhuǎn)換效率。但是問題在于它需要高溫的運(yùn)行環(huán)境，成本和技術(shù)都還存在一定的技術(shù)難題，包括材料的循環(huán)壽命等等。
總的來說，從關(guān)鍵的效率、成本、靈活性三個指標(biāo)來看的話，堿性電解水和質(zhì)子交換膜這兩類技術(shù)是比較接近的。因為成本和靈活性只要有足夠的應(yīng)用規(guī)模都有很大的一個提升空間，但是效率轉(zhuǎn)換方面是這兩類技術(shù)的一個比較大的瓶頸。
除了以上幾個方面來講的話，制備可能更重要的一部分就是電價。目前工商業(yè)的電價比如在六毛到八毛的水平話，制氫成本可能會高于40塊錢以上，未來電價有進(jìn)一步下降的話，推動力就可能進(jìn)一步來源于新能源，有風(fēng)能和太陽能。預(yù)計未來如果波動性的可再生能源，它的發(fā)電成本是在一毛五左右的話，差不多2000塊錢以內(nèi)每千瓦的電解水制氫設(shè)備成本。
再一個新能源制氫預(yù)計成本可以降到十塊錢每公斤，這樣一個水平可以應(yīng)用于很多方面，特別是很好地促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
下期預(yù)告：
劉博士在儲氫、運(yùn)氫和綠氫未來應(yīng)用需求方面進(jìn)行闡述，講解國家目前的研究并表述了自己的看法，敬請期待......
