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“新寵”氫能如何發(fā)揮優(yōu)勢擔(dān)重任

中國電力報發(fā)布時間:2023-04-12 12:16:47  作者:余 璇

  核心提要

  ●相較于國際先進(jìn)水平,我國氫能產(chǎn)業(yè)仍存在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不強(qiáng)、技術(shù)裝備水平不高,支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性制度滯后,產(chǎn)業(yè)發(fā)展形態(tài)和發(fā)展路徑尚未明確等實際問題和挑戰(zhàn)

  ●氫儲能能夠為新型電力系統(tǒng)中電力電量長周期、跨季節(jié)平衡的難題,以及未來新型電力系統(tǒng)在持續(xù)多天少風(fēng)無光情況下電力供應(yīng)安全問題提供解決方案

  “氫儲能作為大規(guī)模長周期儲能的技術(shù),對促進(jìn)可再生能源發(fā)電規(guī)?;?、低碳化發(fā)展具有重要意義。”南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院新能源研究所所長助理蒙文川表示。

  現(xiàn)階段,氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源,憑借兼具原料和燃料雙重屬性的特質(zhì),逐步成為能源領(lǐng)域的“新寵”。氫能以其能量密度高、發(fā)熱值高、節(jié)能環(huán)保等特性,在工業(yè)、交通運輸、建筑等領(lǐng)域被寄予厚望。

  相關(guān)技術(shù)亟須創(chuàng)新突破

  “我國已初步掌握氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝,基本形成較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)前,國內(nèi)主要推動氫燃料電池、氫能汽車及加氫站等產(chǎn)業(yè)發(fā)展,在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用,相較之下,在非交通領(lǐng)域探索力度略顯不足。”南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院新能源研究所研究員饒志說。

  相較于國際先進(jìn)水平,我國氫能產(chǎn)業(yè)仍存在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不強(qiáng)、技術(shù)裝備水平不高,支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性制度滯后,產(chǎn)業(yè)發(fā)展形態(tài)和發(fā)展路徑尚未明確等實際問題和挑戰(zhàn)。

  “目前,氫能制備、儲運技術(shù)亟須突破。”饒志指出,“我國熱化學(xué)與工業(yè)副產(chǎn)氫提純制氫技術(shù)及裝備發(fā)展成熟,與國外先進(jìn)技術(shù)水平相當(dāng)。電解水制氫方面,堿性電解槽制氫技術(shù)處于世界一流水平,質(zhì)子交換膜和高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)相對落后。光解水制氫、生物制氫等新型制氫技術(shù)仍處于探索研究階段。”

  相比堿性電解槽水電解制氫,質(zhì)子交換膜水電解啟停速度快,能適應(yīng)寬范圍輸入功率波動,同時具有能量利用效率高、產(chǎn)物氣純度高且體積小、無堿性液體產(chǎn)氣壓力更高的優(yōu)點,而固體氧化物水電解具有高能量轉(zhuǎn)化效率,在綜合廢熱利用的情況下,其總效率可大于90%。對此,饒志建議,未來可考慮開展質(zhì)子交換膜水電解、固體氧化物水電解等電解水制氫技術(shù)研究。

  記者了解到,氫氣儲運技術(shù)主要包括氣態(tài)儲運氫、低溫液態(tài)儲運氫、固態(tài)儲運氫和運氫載體技術(shù)等。其中,氣態(tài)儲運氫技術(shù)又分為高壓氣態(tài)儲運氫技術(shù)、管道輸氫技術(shù)和地下儲氫技術(shù)三大類;運氫載體技術(shù)包括有機(jī)液體儲氫和液氨儲氫兩類。

  饒志介紹,針對氣態(tài)儲運氫技術(shù),在高壓氣態(tài)儲運方面,國外車載高壓儲氫系統(tǒng)主要采用70兆帕Ⅳ型瓶,國內(nèi)以35兆帕Ⅲ型為主;在管道運輸技術(shù)方面,美國、歐洲已分別建成2400千米、1500千米的輸氫管道,而國內(nèi)目前氫氣管道里程只有約400千米;在地下儲氫方面,全球已經(jīng)建成3座地下鹽穴儲氫庫,其中有2座位于美國得克薩斯州克萊門茨鹽丘,而國內(nèi)于2021年建成首座地下儲氫加氫站。針對低溫液態(tài)儲運氫技術(shù),美國和日本的液氫儲運較為成熟,主推液態(tài)儲運技術(shù)路線;國內(nèi)液氫儲運技術(shù)發(fā)展相對緩慢,前期主要依賴進(jìn)口,液氫儲運研發(fā)事業(yè)剛剛起步。針對固態(tài)儲運氫技術(shù),國內(nèi)尚處于小規(guī)模示范試驗階段,總體與國際保持同步,在部分儲氫材料與技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面具有一定的優(yōu)勢,但示范應(yīng)用較先進(jìn)國家如法國、德國等落后。針對運氫載體技術(shù),國內(nèi)有機(jī)液體儲氫材料與工藝技術(shù)的研發(fā)在國際上一直處于領(lǐng)先地位,在有機(jī)液體儲氫技術(shù)市場化方面與發(fā)達(dá)國家持平,但在加氫和脫氫裝備方面落后于先進(jìn)國家。國內(nèi)液氨儲氫尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。

  氫儲能技術(shù)成重要發(fā)展方向

  目前我國氫能超過80%應(yīng)用于化工領(lǐng)域,氫儲能技術(shù)是未來氫能可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

  “氫儲能目前存在的問題是效率較低、造價高、技術(shù)尚不成熟。由于國內(nèi)在燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)方面幾乎空白,因此只能通過燃料電池這一技術(shù)手段實現(xiàn)氫發(fā)電。”饒志表示。

  饒志介紹,在效率方面,電解水制氫效率達(dá)60%~75%,燃料電池發(fā)電效率為50%~60%,單過程轉(zhuǎn)換效率相對較高,但電—氫—電過程存在2次能量轉(zhuǎn)換,整體效率較低,僅為30%左右,遠(yuǎn)低于抽水蓄能(75%)和電化學(xué)儲能(90%)的效率。在造價方面,制氫設(shè)備的單位造價約2000元/千瓦,儲氫和輔助系統(tǒng)造價為2000元/千瓦,燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價約9000元/千瓦,燃料電池的投資占到氫儲能系統(tǒng)總投資的接近70%,整體單位造價也要高于抽水蓄能(5500~7000元/千瓦)和電化學(xué)儲能(1200~1500元/千瓦)。

  饒志認(rèn)為:“受儲氫技術(shù)限制,燃料電池發(fā)電功率大多數(shù)在千瓦級別,在發(fā)電方面難以發(fā)揮規(guī)模效應(yīng),很難肩負(fù)起大規(guī)模長周期儲能的重?fù)?dān)。面對幾億千瓦時的氫儲能需求,所需巨量的存儲設(shè)備要找到合適的空間存放也是一大難題,實際操作的可能性不大。”

  “氫儲能系統(tǒng)在利用層面還存在配套設(shè)施與產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)不完善、綜合利用效率有待進(jìn)一步提升、成本居高不下等問題,可依托高校、科研機(jī)構(gòu)、氫能企業(yè),深化產(chǎn)研合作,吸引國內(nèi)外高端專家團(tuán)隊,提升技術(shù)創(chuàng)新和科技成果產(chǎn)業(yè)化水平。”南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院能源政策與戰(zhàn)略研究所研究員李沛表示。

  李沛建議,未來可考慮進(jìn)一步開發(fā)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫儲能系統(tǒng);探索有機(jī)液體儲運技術(shù)、固體儲氫領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的實際應(yīng)用;開展固態(tài)氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等技術(shù)研究,提高系統(tǒng)利用效率,降低單位成本;開展氫儲能系統(tǒng)容量配置研究,解決可再生能源消納問題等。

  此外,未來跨季節(jié)長周期儲能調(diào)節(jié)、分布式冷熱電聯(lián)供、備用和離網(wǎng)供電等氫能產(chǎn)業(yè)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用方向也引發(fā)業(yè)內(nèi)關(guān)注。

  “氫儲能能夠為新型電力系統(tǒng)中電力電量長周期、跨季節(jié)平衡的難題,以及未來新型電力系統(tǒng)在持續(xù)多天少風(fēng)無光情況下電力供應(yīng)安全問題提供解決方案。”李沛表示,在風(fēng)電、光伏多發(fā)電的季節(jié),可利用富余的可再生能源進(jìn)行制氫,并作為備用能源儲存下來;在負(fù)荷高峰的季節(jié)發(fā)電并網(wǎng),提高新能源的消納能力,減少棄風(fēng)、棄光,增強(qiáng)電網(wǎng)可調(diào)度能力并確保電網(wǎng)安全。氫儲能可通過不同季節(jié)的電價差來實現(xiàn)盈利。

  此外,氫燃料電池分布式發(fā)電具有效率高、噪音低、體積小、排放低的優(yōu)勢,適用于靠近用戶的千瓦至兆瓦級的分布式發(fā)電系統(tǒng),主要應(yīng)用領(lǐng)域為微型分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)、大型分布式電站或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。

  “目前質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池技術(shù),均已經(jīng)在國外成功應(yīng)用于家用分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)和中小型分布式電站領(lǐng)域。但當(dāng)前國內(nèi)燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)總體還處于研發(fā)階段,與國際先進(jìn)水平仍有較大差距。”李沛說。

  此外,在備用和離網(wǎng)供電方面,通信基站備用電源或者遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)電或可成為氫燃料電池的應(yīng)用場景,可以取代蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)。移動應(yīng)急電源車也是氫燃料電池重要的應(yīng)用場景,可為醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等場所提供應(yīng)急電源保障。

  來源:中國電力報 作者:余 璇


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