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氢能:未来能源的一颗新星

2018-5-25 16:52:16 来源:中国矿业报 作者:张立宽

5月18日,国家能源集团总经理、中国工程院院士凌文在“2018科博会主题报告会”上提到,贯彻落实党的十九大关于“创新是引领发展的第一动力”和“推进能源生产和消费革命”的精神,必须破解新一代核能、页岩气、氢能、可燃冰等清洁能源规模化发展的关键技术,推动能源行业的高质量发展。此前的4月2日,中国能源研究会储能专委会和中关村储能产业技术联盟联合发布的《2018储能产业研究白皮书》显示,截至2017年底,全球已投运储能项目累计装机规模175.4GW,年增长率3.9%。我国储能项目累计装机28.9吉瓦,同比增长19%,增速是全球的5倍左右,其中电化学储能累计装机规模为389.8MW,同比增长45%,而氢储能的发展具有潜在的后发优势,氢燃料电池技术被认为是利用氢能解决未来人类能源危机的终极方案。

氢能是21世纪“终极能源”

氢(H),在元素周期表中位于第一位,广泛存在于自然界。氢能是指氢和氧进行化学反应释放出的化学能,是一种清洁的二次能源,具有能量密度大、燃烧热值高、来源广、可储存、可再生、可电可燃、零污染、零碳排等优点,有助于解决能源危机以及环境污染等问题,被誉为21世纪的“终极能源”。

据世界氢能协会预计,到2050年全球环境20%的二氧化碳的减排要靠氢气来完成;氢能将创造3000万就业岗位,减少60亿吨的二氧化碳排放,创造超过2.5万亿美元的市场价值。氢能汽车将占到全球的车辆的20%到25%,并承担18%以上的能源需求,主导脱碳社会。

纵使氢能具有这么多的优点和优势,但对于大多数能源消费者来说,还比较陌生,似乎依然处于一种“概念性”阶段。然而,全国氢能标准技术委员会高级顾问陈霖新介绍,氢能早已过了“概念性”的阶段,现在要进入踏踏实实干的阶段。经过多年努力,氢气作为原料气体及工业气体,其生产和应用在中国已具有较大规模。据初步统计,用于炼化产品生产和工业生产领域的纯度大于或等于99%的氢气年产量约为700亿立方米(约600万吨),其中从各类含氢排放气或驰放气、煤制合成气、天然气转化气、甲醇转化气等提纯获得的氢气约占90%以上,以水电解制氢获得的氢气占比2%~4%。

随着氢能应用技术发展逐渐成熟,以及全球应对气候变化压力的持续增大,氢能产业的发展在世界各国备受关注,日本、美国、欧盟等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度,在氢能源产业化应用方面迈出了实质性步伐,无论是政府还是产业资本都在积极推动氢能产业的发展。氢能源的全球最为积极的推动者非日本莫属。早在2014年,日本的资源能源厅就发布了《氢能与燃料电池战略路线图》,为氢能发展制定了“三步走”计划,到2030年,日本的氢能相关产业要达到1万亿日元(约合88亿美元)的规模。日本领军车企丰田研发的氢能源轿车已经于2014年年底在日本上市,本田和日产也在分别研发各自的氢能轿车。日本政府提出未来要建设“氢能社会”,更要将2020年的东京奥运会打造成一场“氢能盛事”,届时运动员和观众来往于各奥运场馆将乘坐最新的氢能源公交车。预计在2040年日本将建成全国性的氢能供给网络。美国一直是领导世界氢燃料电池发展的主要国家,早在2002年11月,美国就发布了国家氢能源前景。自2007年开始美国南加州对氢燃料电池的生产和研究的设备实行税收全免政策;俄亥俄州为250kW以下的燃料电池系统实行税收全免政策;自2015年底美国从国家层面开启了新的氢能计划,预计在2030年~2040年全面实现氢能源经济。

近年来,我国一些地区采用富余水电、弃风、弃光或城市电网谷段电力开展水电解制氢的示范项目,形成小规模生产并提供工业氢气。消纳水电、弃风、弃光等可再生能源电力进行水电解制氢,形成的是绿色二次能源。在水电、风电发达地区,或输入可再生能源电力的地区,城市电网中“绿色电力”均占有一定比例,应该被称为“浅绿电力”,采用“浅绿电力”制氢是减少碳排放的重要措施,并可提供“绿色二次能源”。

储氢技术日新月异

氢能可广泛应用于燃料电池车辆、发电、储能。作为清洁的二次能源,氢能具有可规模化储存的特性,其广泛应用可部分替代石油和天然气,成为能源消费的重要组成部分,对应对气候变化和保障能源供应安全等具有一定的支撑作用。

氢能产业链主要包括氢的制取、储存、运输和应用等环节。氢既可广泛应用于传统领域,又可应用于新兴的氢能车辆(包括乘用车、商用车、物流车、叉车、轨道车等)以及氢能发电(包括热电联供分布式发电、发电储能、备用电源等)。为加快发展中国的氢能产业,依据目前的资源条件和能源产业状况,应在加强氢安全的基础上,积极推行氢源多元化及氢能多元化和规模化应用。氢源的多元化除了上述利用富余风电、水电、光化学制氢外,还应充分利用中国丰富的煤炭资源。煤化工生产经过多年的研究开发,已具备良好的规模和经济发展状态,若将煤制氢与煤制油、煤化工产品等生产环节紧密结合、综合利用,可获得经济、丰富的氢源。我国的炼油工业、化工产业多设计的品种及规模巨大,工业含氢排放气是重要的氢气来源。当前,要特别做好我国富余的风电、光伏以及低谷电制氢,做好能量转化,减少对清洁能源的浪费。

氢气是已知密度最小的气体,常温常压下极易燃烧,安全可靠的储氢、输氢技术成为氢能大规模开发利用的关键。氢气存储方法主要包括高压气态储存、低温液态储存、化合物储氢等。其中,高压气态储存和低温液氢储存技术需要将氢气保存在特制容器瓶中,因造价昂贵而无法大规模应用。科学界正在积极探索相对廉价安全的纳米、合金、络合氢化物、金属有机骨架化合物和有机液体等材料作为储氢载体循环使用。特别是,有机液体氢载体可利用现有石油储运方法与设施在常温常压下储运氢气。

氢能燃料电池是一种很好的储能方式,具有可再生、低污染、效率高、加氢快、长续航、更安全的优点。氢气来源广泛,是一种可再生能源;氢气无色无味无毒,利用后的产物为水,无有害生成物,从生产到回收整个过程低污染,是真正的零排放;氢能燃料电池转换效率可达60%,是内燃机效率的3倍左右,十分高效;加强速度方便快捷,一般3分钟~5分钟即可加满;能量密度高,热值是LNG的两倍、汽油的三倍,车载续航里程可达500公里~1000公里;储存方式多样,可以是压缩气态储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、碳吸附储氢等方式,相对于车载燃油和锂电池更为便捷,且氢气极易消散,具有更高的安全性。

燃料电池是将氢气化学能直接转化为电能的装置,是氢能高效转化及利用的最佳方式,具有转换效率高、零污染、零排放等特点。尽管氢燃料电池汽车远未达到市场普及阶段,但全球科学界和主要汽车企业都在积极开发氢燃料电池技术,推动氢燃料电池汽车试验应用。目前,中国、美国、欧盟、日本、韩国等都制定了较为完备的氢燃料汽车发展规划,并尝试通过政策、法规全面促进氢能开发利用。随着廉价制氢技术、氢燃料电池技术的不断进步以及氢燃料基础设施的不断完善,氢燃料电池汽车有望于2030年前后进入快速发展期,预计到2050年全球氢燃料电池汽车保有量占比有望达到1/4以上。

氢能发展前途无量

近年来,我国对发展氢能产业高度重视,出台了系列有利于氢能和发展的相关产业政策。2016年4月,国家发展改革委、国家能源局等联合发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,提出了能源技术革命重点创新行动路线图,部署了15项具体任务,“氢能与燃料电池技术创新”位列其中,标志着氢能产业已被纳入国家能源战略;2016年6月,国家发展改革委、能源局、工信部联合发布《中国制造2025——能源装备实施方案》将燃料电池和氢能开发利用作为专门章节;被《国家创新驱动发展战略纲要(2016)》列为引领产业变革的颠覆性技术;2017年,国家能源局批准多项弃风弃光制氢储能项目;2018年1月,国家科技部已将“可再生能源与氢能技术”列入重点专项,积极加以支持研究。

据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》预测,到2020年,我国以能源形式利用的氢气产能规模将达到720亿立方米;加氢站数量达到100座;燃料电池车辆达到10000辆;氢能轨道交通车辆达到50列;行业总产值达到3000亿元。到2030年,氢能产业将成为我国新的经济增长点和新能源战略的重要组成部分,产业产值将突破10000亿元;加氢站数量达到1000座,燃料电池车辆保有量达到200万辆。未来以氢燃料为驱动力的电池汽车,基于廉价高效氢气制取与储运技术,将在2030年~2050年前后有望进入发展快通道,并可带领人类走进氢能社会时代。

今年2月11日,由国家能源集团牵头、国家电网公司等多家央企参与的跨学科、跨行业、跨部门的国家级产业联盟——中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟(简称“中国氢能联盟”)在北京宣告成立。多家中央企业带头参与,标志着我国氢能大规模商业化应用正在开启,可谓是氢能研发与利用的“国家队”,代表了我国最先进的实力。从联盟成员单位的构成上看,中央企业占了很大比重,国家能源集团是首届理事长单位,十几家参与其中的中央企业也都在相关领域有着举足轻重的地位和影响力。科技部、工业和信息化部、国家能源局、国务院国资委主要负责人出席仪式并讲话,对联盟的成立高度重视,指出氢能源及燃料电池产业发展,事关我国能源发展战略,事关我国生态文明建设,事关我国战略性新兴产业布局。

在国家战略导向和市场发展推动下,我国氢燃料电池产业的投资规模正快速增长。据清华大学核能与新能源技术研究院教授、国家973氢能项目首席科学家毛宗强统计,仅2017年氢燃料电池投资项目(2020年投产)就达1000多亿元,产能为17万套氢燃料电池发动机。当前,各地对氢能开发利用投入巨资,制定了雄心勃勃的产业规划,未来氢燃料电池发展将呈现蓬勃发展之势。据统计,上海市到2020年将建设5座~10座加氢站,燃料电池车3000辆,2025年达到50座加氢站,燃料电池车3万辆,2030年实现年产值3000亿元;湖北武汉2018年~2020年聚集超过100家氢燃料电池汽车产业链相关企业,建成5座~10座加氢站,全产业链年产值将超过100亿元,2025年达到30座~100座加氢站,产值1000亿元;江苏苏州2018年~2020年建设10座加氢站,氢燃料汽车800辆,2021年~2025年建成加氢站40座,氢燃料汽车1万辆;广东云浮、南海年产能5000辆氢能汽车基地已经建成,首批氢能汽车已经在佛山、云浮两市运营,2020年数千辆燃料电池汽车投入运营;江苏如皋被联合国开发计划署确定为“氢经济示范城市”,相关项目开发进展如火如荼。

毋庸置疑,虽然我国氢燃料电池开发较晚,但发展态势迅猛、气势如虹,具有很好的后发优势,已经成为国际最重要的氢能市场。□

(作者单位:中电能源情报研究中心)

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