張銳：氫能開發(fā)利用的全球競速與晉級
動態(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)，氫能是實現(xiàn)各類能源轉(zhuǎn)換的“樞紐”，可以實現(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)用項目，裝機(jī)容量僅為0.8兆瓦。
我國綠氫項目雖然起步較晚，但在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下正在加速實施，目前國內(nèi)已有超過百個在建和規(guī)劃中的電解水制氫項目，涉及石油煉化、化工合成、鋼鐵冶煉和交通等多個領(lǐng)域，其中有75%的綠氫項目落地于三北地區(qū)。
中國石化新疆庫車綠氫示范項目于2021年11月30日啟動，是全球在建的最大光伏發(fā)電制綠氫項目，共有52臺堿水電解槽，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，計劃今年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)模化、利用方式多元化，將帶動氫能產(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至加氫站后，在站內(nèi)進(jìn)行壓縮、存儲和加注等操作。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、存儲后，進(jìn)行加注操作。外供氫加氫站由供銷系統(tǒng)、儲氫系統(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%的實驗站、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、啟動快、比功率高等特點，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證階段。
雖然目前氫能利用以工業(yè)原料消費為主，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中的比重。
氫氣儲運是氫能產(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
氫氣儲運主要有氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運和固態(tài)儲運三種方式，其中氣態(tài)儲運和液態(tài)儲運技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用較為廣泛，固態(tài)儲運領(lǐng)域技術(shù)尚未成熟，主要處于研發(fā)示范階段。
氣態(tài)儲運。氣態(tài)儲運是目前使用最普遍、最直接的氫能儲運方式，主要采用高壓氣態(tài)儲運。國內(nèi)已建成的加氫站采用的主要儲氫容器類型分為固定式儲氫罐和儲氫瓶組，占比分別為30%和70%。其中，高壓氣態(tài)儲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儲氫設(shè)施。我國車載儲氫瓶目前主要為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)用的車載儲氫瓶多為IV型瓶(70兆帕)，且開始研發(fā)V型儲氫瓶(無內(nèi)膽纖維纏繞)。
高壓氣態(tài)運輸主要分為長管拖車和管道運輸兩種。長管拖車運輸技術(shù)較為成熟，我國目前常以20兆帕長管拖車運氫，單車運氫約為300千克，正在積極發(fā)展45兆帕運氫技術(shù);國外則采用45兆帕纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運氫，單車運氫可提至700千克。管道運輸是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟階段實現(xiàn)氫氣長距離、大規(guī)模運輸?shù)谋厝悔厔荩?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)距離輸氫管道項目。
液態(tài)儲運。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)儲運，化學(xué)法主要為有機(jī)液體儲氫、氨-氫儲運等。目前低溫液氫儲運全球液氫產(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)液體儲氫和氨-氫儲運尚處于試驗研究和示范應(yīng)用階段，尤其是氨-氫儲運，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”運輸，氨作為理想的儲氫介質(zhì)，有望解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的儲運成本高、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)儲運。固態(tài)儲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氫載體，通過物理吸附和化學(xué)吸附的方式實現(xiàn)氫的存儲。常用的儲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。雖然這種儲氫方式存在一些缺點，但在燃料電池汽車上的應(yīng)用優(yōu)點明顯，未來潛力較大。
我國要在氫氣儲運環(huán)節(jié)加大研發(fā)試驗和示范應(yīng)用投入力度，探索和優(yōu)化更安全、高效、綠色的氫氣儲運方式，采取經(jīng)濟(jì)高效的多種儲運路徑并行的方案，逐步構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫儲運體系。
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，將會迎來快速發(fā)展。
遠(yuǎn)距離管道輸氫將會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)儲運和固態(tài)儲運未來前景廣闊，研發(fā)的持續(xù)投入會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)實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，是推動我國氫能產(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)動為原則，有效整合氫能產(chǎn)業(yè)研發(fā)資源，實現(xiàn)聯(lián)合攻關(guān)、知識產(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
作者：劉曉飛
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