張銳：氫能開發(fā)利用的全球競速與晉級
動(dòng)態(tài)2023-03-28
氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源，是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想媒介，也是實(shí)現(xiàn)交通、化工、冶金和水泥等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳及實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的絕佳能源。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈長、參與主體多、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，從能源戰(zhàn)略角度出發(fā)，氫能是實(shí)現(xiàn)各類能源轉(zhuǎn)換的“樞紐”，可以實(shí)現(xiàn)不同能源品種向各類終端的傳輸，能夠增強(qiáng)未來低碳能源網(wǎng)絡(luò)的靈活性和穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)“零碳排放”的終極能源。
氫氣制備是氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵，擴(kuò)大制氫規(guī)模、減少二氧化碳排放和降低氫氣成本是今后努力的方向
根據(jù)生產(chǎn)原料和生產(chǎn)方式的不同，氫氣制備可分為化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、可再生能源電解水制氫、其他工藝制氫。其中，化石燃料制氫包括煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、石油制氫等;工業(yè)副產(chǎn)制氫包括氯堿副產(chǎn)制氫、焦?fàn)t煤氣制氫、丙烷脫氫副產(chǎn)氫、輕烴裂解制氫等;電解水制氫包括堿性電解水制氫(AWE)、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫、固體氧化物電解池(SOEC)制氫等;其他工藝制氫包括生物質(zhì)制氫、光催化分解水制氫、廢舊塑料裂解制氫等。
當(dāng)前全球化石燃料制氫產(chǎn)量約占78%，工業(yè)副產(chǎn)制氫約占20%，電解水制氫及其他工藝制氫雖然占比不足2%，但發(fā)展前景非常廣闊。利用光伏、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電，再通過電解水制氫裝置產(chǎn)出的氫氣，稱為綠氫。電解水制氫技術(shù)中，堿性電解水制氫(AWE)、質(zhì)子交換膜電解水(PEM)制氫處于市場化應(yīng)用階段，固體氧化物電解池(SOEC)制氫處于項(xiàng)目示范階段。
在全球電解槽主要的技術(shù)路線中，堿水電解槽技術(shù)最為成熟，約占2/3的份額，質(zhì)子交換膜電解槽約占1/3的份額，固態(tài)氧化物電解槽僅有一些示范應(yīng)用項(xiàng)目，裝機(jī)容量僅為0.8兆瓦。
我國綠氫項(xiàng)目雖然起步較晚，但在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下正在加速實(shí)施，目前國內(nèi)已有超過百個(gè)在建和規(guī)劃中的電解水制氫項(xiàng)目，涉及石油煉化、化工合成、鋼鐵冶煉和交通等多個(gè)領(lǐng)域，其中有75%的綠氫項(xiàng)目落地于三北地區(qū)。
中國石化新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目于2021年11月30日啟動(dòng)，是全球在建的最大光伏發(fā)電制綠氫項(xiàng)目，共有52臺(tái)堿水電解槽，總裝機(jī)容量260兆瓦，單槽制氫能力均為1000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，計(jì)劃今年6月建成投產(chǎn)，年產(chǎn)綠氫可達(dá)兩萬噸，將供應(yīng)塔河煉化，替代原有的天然氣制氫模式。
我國是全球最大的制氫國，2022年氫氣產(chǎn)量為3781萬噸，占比超過全球產(chǎn)量的1/3，2023年我國電解槽出貨量將保持高速增長，有望在1.4~2.1吉瓦，預(yù)計(jì)占全球出貨量的60%以上，制氫規(guī)模的擴(kuò)大、二氧化碳排放的減少和氫氣成本的降低，將助推我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道。
氫氣應(yīng)用是氫能產(chǎn)業(yè)的核心，用氫需求規(guī)?；⒗梅绞蕉嘣?，將帶動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈長足發(fā)展
氫能應(yīng)用非常廣泛。在石化工業(yè)中，氫氣是合成氨、甲醇、尼龍塑料、油脂化學(xué)、高品質(zhì)油品的主要原料。在冶金工業(yè)中，氫氣是有色金屬冶煉過程中的還原劑和保護(hù)氣，是磁性材料、粉末冶金、帶鋼軋制生產(chǎn)過程中的保護(hù)氣。氫能也有一小部分應(yīng)用于建筑和發(fā)電領(lǐng)域。除上述傳統(tǒng)用氫行業(yè)外，加氫站及氫燃料電池將是未來氫氣應(yīng)用的主要場景。
加氫站。截至2022年底，國內(nèi)共建成投運(yùn)加氫站274座，約占全球總數(shù)的40%，加氫站數(shù)量居世界第一，主要分布在長三角、珠三角及京津冀區(qū)域。根據(jù)氫氣來源不同，加氫站分為外供氫加氫站和內(nèi)制氫加氫站兩種。外供氫加氫站是指氫氣通過長管拖車、液氫槽車或管道輸運(yùn)至加氫站后，在站內(nèi)進(jìn)行壓縮、存儲(chǔ)和加注等操作。內(nèi)制氫加氫站是在加氫站內(nèi)配備了制氫系統(tǒng)，制得的氫氣經(jīng)純化、壓縮、存儲(chǔ)后，進(jìn)行加注操作。外供氫加氫站由供銷系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)組成，內(nèi)制氫加氫站則相應(yīng)增加了制氫系統(tǒng)。
我國目前應(yīng)用最廣泛的是氣氫加氫站，可分為固定式加氫站和橇裝式加氫站。固定式加氫站是將供銷系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)固定安裝在加氫站地面上;橇裝式加氫站是將供銷系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)集成于集裝箱內(nèi)，其中橇裝式加氫站又可分為一體式和分體式。加注機(jī)安裝在橇內(nèi)的為一體式，加注機(jī)安裝在加氫站地面上的為分體式。我國已建成或在建的加氫站中，固定式加氫站是主要建設(shè)類型，占比達(dá)到70%;橇裝式加氫站為輔，占比22%;其他還有8%的實(shí)驗(yàn)站、一體站等一些特殊類型。
氫燃料電池。氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。我國主要集中在質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等技術(shù)領(lǐng)域開展技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池由于工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高等特點(diǎn)，非常適用于交通和固定式電源領(lǐng)域，逐步成為現(xiàn)階段主流技術(shù)。我國固體氧化物燃料電池尚未進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，處于試驗(yàn)研究階段。截至2022年底，全球燃料電池車保有量達(dá)到6.7萬輛，比上年增長36.6%，其中我國燃料電池車保有量為12682輛，約占全球運(yùn)營總量的19%，現(xiàn)階段以客車和重卡為主。
質(zhì)子交換膜燃料電池主要由膜電極、雙極板、墊片、端板和拉桿等部件組合而成，其中膜電極和雙極板合稱電堆，膜電極由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層和催化層組成。目前，我國掌握了燃料電池及核心零部件自主化開發(fā)核心技術(shù)，雖然在功率密度、低溫啟動(dòng)能力和經(jīng)濟(jì)性等方面取得了明顯進(jìn)步，但質(zhì)子交換膜、碳紙、密封膠等主要原材料仍處于批量化驗(yàn)證階段。
雖然目前氫能利用以工業(yè)原料消費(fèi)為主，但未來在交通領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。要加快加氫基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)，推進(jìn)氫燃料電池技術(shù)創(chuàng)新和示范應(yīng)用，構(gòu)建多元用氫生態(tài)，通過規(guī)模效應(yīng)持續(xù)降低氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本，提升氫能在終端能源消費(fèi)中的比重。
氫氣儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，多方式、多路徑、多選擇性將成為行業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)
氫氣儲(chǔ)運(yùn)主要有氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三種方式，其中氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用較為廣泛，固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域技術(shù)尚未成熟，主要處于研發(fā)示范階段。
氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)是目前使用最普遍、最直接的氫能儲(chǔ)運(yùn)方式，主要采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。國內(nèi)已建成的加氫站采用的主要儲(chǔ)氫容器類型分為固定式儲(chǔ)氫罐和儲(chǔ)氫瓶組，占比分別為30%和70%。其中，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)等四種類型。從應(yīng)用場景看，I型瓶和II型瓶主要應(yīng)用于加氫站等固定儲(chǔ)氫設(shè)施，III型瓶和IV型瓶主要應(yīng)用于氫燃料電池汽車等移動(dòng)儲(chǔ)氫設(shè)施。我國車載儲(chǔ)氫瓶目前主要為III型瓶(35兆帕)，III型瓶(70兆帕)處于示范階段，IV型瓶處于研發(fā)階段。美、日等國應(yīng)用的車載儲(chǔ)氫瓶多為IV型瓶(70兆帕)，且開始研發(fā)V型儲(chǔ)氫瓶(無內(nèi)膽纖維纏繞)。
高壓氣態(tài)運(yùn)輸主要分為長管拖車和管道運(yùn)輸兩種。長管拖車運(yùn)輸技術(shù)較為成熟，我國目前常以20兆帕長管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫約為300千克，正在積極發(fā)展45兆帕運(yùn)氫技術(shù);國外則采用45兆帕纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫可提至700千克。管道運(yùn)輸是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟階段實(shí)現(xiàn)氫氣長距離、大規(guī)模運(yùn)輸?shù)谋厝悔厔?，?dāng)前階段可積極探索天然氣管道摻氫輸送;歐美國家是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的國家，距今已有70多年歷史，全球有超過5000千米的氫氣管道，其中90%以上位于美國及歐洲;我國氫氣管網(wǎng)發(fā)展相對不足，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚需完善，已投用約100千米輸氫管道，如中國石化濟(jì)源—洛陽全長25千米、巴陵—長嶺全長42千米，目前正在規(guī)劃布局遠(yuǎn)距離輸氫管道項(xiàng)目。
液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。氫氣由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)可分為物理法和化學(xué)法，其中物理法有低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，化學(xué)法主要為有機(jī)液體儲(chǔ)氫、氨-氫儲(chǔ)運(yùn)等。目前低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)全球液氫產(chǎn)能約400噸/日，其中美國占比在85%以上，應(yīng)用技術(shù)最為成熟;我國液氫產(chǎn)能僅5噸/日，生產(chǎn)的液氫基本上應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。有機(jī)液體儲(chǔ)氫和氨-氫儲(chǔ)運(yùn)尚處于試驗(yàn)研究和示范應(yīng)用階段，尤其是氨-氫儲(chǔ)運(yùn)，利用可再生能源電解水制氫后，通過“氫-氨-氫”這一流程完成“綠氫”運(yùn)輸，氨作為理想的儲(chǔ)氫介質(zhì)，有望解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的儲(chǔ)運(yùn)成本高、能量密度低和本質(zhì)安全性弱等挑戰(zhàn)性難題，發(fā)展空間廣闊。
固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。固態(tài)儲(chǔ)氫可分為物理吸附類和化學(xué)氫化物，是以金屬氫化物、化學(xué)氫化物或納米材料等作為儲(chǔ)氫載體，通過物理吸附和化學(xué)吸附的方式實(shí)現(xiàn)氫的存儲(chǔ)。常用的儲(chǔ)氫材料有稀土類化合物、鈦系化合物、鎂系化合物及釩、鈮等金屬合金。雖然這種儲(chǔ)氫方式存在一些缺點(diǎn)，但在燃料電池汽車上的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)明顯，未來潛力較大。
我國要在氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)加大研發(fā)試驗(yàn)和示范應(yīng)用投入力度，探索和優(yōu)化更安全、高效、綠色的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式，采取經(jīng)濟(jì)高效的多種儲(chǔ)運(yùn)路徑并行的方案，逐步構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫儲(chǔ)運(yùn)體系。
加快氫能關(guān)鍵核心材料和技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，形成完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系，為碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支撐
堿性電解水制氫因技術(shù)成熟、成本相對較低，當(dāng)前及今后一段時(shí)期仍是綠氫生產(chǎn)的主要方式;質(zhì)子交換膜電解水制氫成本為堿水的4~5倍，隨著技術(shù)進(jìn)步和整個(gè)氫能供應(yīng)鏈成本的降低，質(zhì)子交換膜電解水制氫因其靈活多樣的適應(yīng)性，將會(huì)迎來快速發(fā)展。
遠(yuǎn)距離管道輸氫將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用，國家需完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展。液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)未來前景廣闊，研發(fā)的持續(xù)投入會(huì)帶來成本的不斷降低，為氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展創(chuàng)造條件。
加氫站加注壓力將由45兆帕向90兆帕過渡。膜電極和雙極板是氫燃料電池的核心部件，我國需加快研發(fā)應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，打造氫能多元化應(yīng)用生態(tài)，趕超世界先進(jìn)水平。
“十四五”是能源技術(shù)革命的關(guān)鍵時(shí)期，也是推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的重要窗口期。氫能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，是推動(dòng)我國氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必行之舉。要加強(qiáng)基礎(chǔ)研發(fā)領(lǐng)域創(chuàng)新，以技術(shù)先行、產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)為原則，有效整合氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)資源，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合攻關(guān)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享，加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)、材料研發(fā)及裝備制造自主化，對能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。(劉曉飛 文/圖 作者系中石化國際事業(yè)天津有限公司專家
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