氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用前景詳解
前言
氫能的開發(fā)利用是應(yīng)對全球氣候變化，保障國家能源安全，實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。對比了氫儲能技術(shù)與當前主要儲能技術(shù)的關(guān)鍵性參數(shù)，結(jié)果顯示氫儲能技術(shù)具有整體性系統(tǒng)優(yōu)勢；探討了氫能在未來綜合能源系統(tǒng)中工業(yè)用戶、交通運輸、建筑熱電聯(lián)供、能源企業(yè)潛在的應(yīng)用途徑及未來關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點；給出了對中國氫能發(fā)展的啟示。為氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。
引言
隨著能源體制變革、技術(shù)發(fā)展、系統(tǒng)形態(tài)升級，能源服務(wù)形態(tài)呈現(xiàn)出新的特點。綜合能源服務(wù)能夠滿足用戶多元化需求、拓展企業(yè)盈利空間、提升社會整體能效[1-2]。大規(guī)模儲能技術(shù)是綜合能源系統(tǒng)中實現(xiàn)“心臟”功能的直接工具，能夠在綜合能源系統(tǒng)中發(fā)揮緩沖器、聚合器和穩(wěn)定器的作用[3-4]，而氫能作為一種清潔、高效、易規(guī)?；哪茉磧Υ媾c轉(zhuǎn)化技術(shù)，已廣泛應(yīng)用合成氨和冶煉廠加氫等大規(guī)模工業(yè)中[5-7]。
近年來，受能源政策、市場以及相關(guān)氫能利用技術(shù)的驅(qū)動，氫能為綜合能源系統(tǒng)中難以實現(xiàn)電氣化的行業(yè)和應(yīng)用提供了更多可行和適用的選擇[8-9]。截至 2019 年底，50 多個國家制定了相關(guān)政策激勵措施來支持氫能在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[2]。文獻 [10-12] 針對氫儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)，對比了電解制氫與其他制氫技術(shù)的成本，并基于燃氣輪機或燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）技術(shù)討論了氫儲能系統(tǒng)在能源電力行業(yè)中的應(yīng)用。文獻 [13-15] 探討了氫作為能源載體的作用以及氫能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，預計 到 2050 年，全球最終能源需求 的18% 可以通過氫氣滿足，這一數(shù)量相當于 78 EJ， 相應(yīng) CO2 減排潛力為 6 Gt/年。文獻 [16-17] 綜合分析了氫能在日本和德國未來能源系統(tǒng)中的作用，對比了不同氫供應(yīng)鏈條件下的溫室氣體排放強度，指出了未來潛在的清潔氫能供應(yīng)國。在未來能源系統(tǒng)框架中，日本氫能源主要用于發(fā)電，較小比例用于交通運輸和工業(yè)領(lǐng)域，而德國主要用于交通運輸，較少用于發(fā)電和工業(yè)領(lǐng)域。文獻 [18-19]以氫能在綜合能源系統(tǒng)中 35 個應(yīng)用案例為研究對象，對 40 種氫氣生產(chǎn)和分配技術(shù)進行了建模分析，探討了氫能價值鏈的成本動態(tài)以及各環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，給出了氫產(chǎn)業(yè)鏈的整體架構(gòu)，預計到 2030 年，氫能價格低至 1.8 美元/kg，將占據(jù)15% 的全球能源需求份額。
能源系統(tǒng)的深度脫碳需求、整合大量波動性可再生能源并網(wǎng)都將成為氫能快速發(fā)展的驅(qū)動力，研究氫能在未來能源系統(tǒng)中的應(yīng)用前景意義重大。首先比較了氫儲能與其他儲能方式的技術(shù)特點及關(guān)鍵參數(shù)，分析了氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用途徑及進展，指出了未來氫能應(yīng)用的關(guān)鍵節(jié)點，并給出了對國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示。
1 氫儲能與常規(guī)儲能系統(tǒng)比較
1.1 常規(guī)儲能技術(shù)
儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）具有以電荷形式存儲電能并在需要能量時允許放電的能力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，能量儲存方式多種多樣，常見的機械儲能方式有抽水蓄能（pumped hydro storage，PHS）、壓縮空氣儲能（compressed air energy storage，CAES）、飛輪儲能（flywheel energy storage，F(xiàn)ES）[20] 等；電磁儲能有超級電容儲能（ supercapacitors， Super-C）、超導儲能（superconducting magnetic energy storage，SMES）等；電化學儲能主要指電池儲能系統(tǒng)，包括鉛酸電池、鎳鉻電池（ nickel cadmium battery, NiCd）、鋰離子電池（lithium ion, Li-ion）、鈉硫電池（sodium sulphur battery，NaS）等；相變儲能主要指熱儲能（thermal energy storage，TES），目前研究較多是采用熔鹽儲能；化學儲能 3 個常見途徑是氫氣、氨和合成氣，其中氫儲能（Hydrogen）最具吸引力的能量儲存方式之一。
1.2 儲能技術(shù)比較
1.2.1 技術(shù)成熟度
常見 ESS 的技術(shù)成熟度如圖 1 所示。大規(guī)模儲能技術(shù)中 PHS、CAES 的技術(shù)相對成熟，但兩者均依賴特殊的地址條件，其大規(guī)模發(fā)展受到制約，但由于其啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、緊急備用和黑啟動等功能，國家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司仍相繼投建數(shù)座 PHS。為了提高效率、更好地調(diào)整電網(wǎng)頻率，研究人員正在開發(fā)變速渦輪機?，F(xiàn)有超過 180 GW 的 PHS 存儲容量，80% 位于歐洲、中國、日本和美國。其他較為成熟的是電池儲能系統(tǒng)，由于原材料市場供應(yīng)充足、技術(shù)進步較快，成本進一步降低，電池儲能系統(tǒng)將進一步發(fā)展。近期，太平洋天然氣和電力公司（PG&E）的 Elkhorn 電池儲能項目（182 MW/730 MW·h）已獲批準，未來將為全球知名的科技中心硅谷供電。隨著氫利用技術(shù)的發(fā)展和進一步成熟，以及可再生能源的氫供應(yīng)成本下降，人們已認識到氫能可在未來清潔、安全的能源系統(tǒng)中發(fā)揮更關(guān)鍵的作用，技術(shù)成熟度上升較快，呈現(xiàn)規(guī)模性效應(yīng)[21]。
1.2.2 系統(tǒng)效率及壽命
圖 2 為 常 見 ESS 的系統(tǒng)效率和運行壽命比較。ESS 循環(huán)效率最高的是 SMES，它將電流儲存在由電流流過超導線圈產(chǎn)生的磁場中，由于超導線圈沒有電阻，損耗幾乎為零，僅有附屬電力設(shè)備如交流/直流轉(zhuǎn)換器造成的 2%~3% 的損耗[22]。FES 和 Li-ion 的系統(tǒng)效率也較高。ESS 的能量損耗主要來源于不同組件之間的能量傳遞過程，通過調(diào)節(jié)充電和放電過程中的能量損耗，可以提高 ESS的效率。機械儲能方式中 PHS 和 CAES 的使用壽命最長，分別為 40~80 年和 25~60 年。電池儲能系統(tǒng)隨著工作時間的延長，電池的化學性能變差，使用壽命相對較短，大多低于 20 年。氫儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率 為 35%~55%[ 2 0 , 2 3 ]，低于常 規(guī)ESS，其主要受氫價值鏈中采用不同技術(shù)路徑的影響，如汽車中氫燃料電池效率約為 60%，而通過內(nèi)燃機的效率約為 20%，綜合考慮氫能的價值鏈，氫儲能的壽命為 15~50 年[24]。
1.2.3 系統(tǒng)響應(yīng)時間及投資成本
圖 3 為 常 見 ESS 的響應(yīng)時間與投資成本比較。由圖 3 可知，SMES、FES 和 Super-C 的單位投資成本低于其他儲能技術(shù)，鑒于它們的快速響應(yīng)時間，通常用于短期能量儲存[5, 22]。在已開發(fā)的技術(shù)中，SMES 的單位投資成本最低，響應(yīng)時間最短[22-24]。電池儲能單位成本相對較高。氫儲能系統(tǒng)投資成本適中，為 1500~2400 美元/kW[25]。響應(yīng)時間在可接受的分鐘級范圍內(nèi)，其系統(tǒng)成本及響應(yīng)時間同樣受氫價值鏈中采用不同技術(shù)路徑的影響。
2 氫能在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用路徑
氫可以直接以純凈形式使用，或作為合成液態(tài)或氣態(tài)氫基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源載體（氨）的基礎(chǔ)。目前大多數(shù)氫氣用于工業(yè)領(lǐng)域，直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源，有效減少碳排放，其中煉油廠、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)消耗氫氣比例分別為 33%、27%、11%，另外 3% 的氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)[18]。長遠來看，氫能可以廣泛用于能源企業(yè)、交通運輸、工業(yè)用戶、商業(yè)建筑[17-19] 等領(lǐng)域，如圖 4 所示。既可以通過燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車、軌道交通、船舶等領(lǐng)域，降低長距離高負荷交通對石油和天然氣的依賴；還可以利用燃氣輪機技術(shù)、燃料電池技術(shù)應(yīng)用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供暖供電。表 1 列出了部分典型氫能利用案例。
2.1 氫能應(yīng)用于工業(yè)用戶
目前，工業(yè)用戶中的氫幾乎完全來自天然氣、煤炭和石油的大規(guī)模制氫，對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，采用可再生能源發(fā)電制氫耦合工業(yè)用戶，既可以提供無碳氫，又可以提供可再生電力，避免化石燃料的碳排放問題。氫用于工業(yè)用戶中的途徑有：（1）煉油，加氫處理和加氫裂化去除雜質(zhì)，提高中間餾分油的精收效率；（ 2） 化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工業(yè)原料和燃料；（3）鋼鐵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐及堿性氧氣轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中常用的焦炭和天然氣[2, 17]。
基于氫的合成燃料儲存更容易，可利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施輸送，為海事、鐵路、航空提供可靠的清潔燃料。2019 年 11 月，德國蒂森克虜伯鋼鐵集團正式注入杜伊斯堡 9 號高爐；奧地利林茨奧鋼聯(lián)鋼廠 6 MW 電解制氫裝置投產(chǎn)，開啟了氫能冶金時代。中國寶武鋼鐵、鞍鋼、酒鋼等均開始可再生能源制氫-氫能冶金立項，探尋循環(huán)經(jīng)濟的可行性。
2.2 氫能應(yīng)用于交通運輸
長期以來，氫作為潛在的交通燃料，被視為石油和天然氣的清潔替代品。氫動力系統(tǒng)因其零碳排放和廣泛的適應(yīng)性有望成為交通運輸部門實現(xiàn)快速減排的少數(shù)選擇之一，這依賴于燃料電池技術(shù)的發(fā)展，常見燃料電池包括：質(zhì)子交換膜電池（ proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、熔融碳酸鹽電池（molten carbonate fuel cell，MCDC）和固體氧化物電池（solid oxide fuel cell，SOFC），綜合考慮工作溫度、催化劑穩(wěn)定性、電效率、比功率/功率密度等指標，最常用于交通運輸行業(yè)的是 PEMFC。目前氫能燃料電池用于交通運輸領(lǐng)域主要包括：（1）道路運輸，如小型汽車、公共汽車、卡車和其他貨車；（2）海事行業(yè)，如船舶、港口；（3）鐵路和航空；（4）其他特殊領(lǐng)域，如救援車輛、深海裝備等。
相比于純電動汽車，氫燃料電池汽車、卡車及叉車的燃料加注時間短、續(xù)航里程長，但氫燃料汽車的綜合能量利用效率僅為 25% 左右，雖然高于傳統(tǒng)合成燃料內(nèi)燃機汽車的 15%，但遠低于純電動汽車約 70% 的綜合能量利用效率，研究表明當燃料電池成本為 75~100 美元/kW 時，氫燃料電池汽車可以在續(xù)航里程為 400~500 km 內(nèi)與純電動汽車競爭，氫燃料電池汽車對于有更高里程要求的消費者更有吸引力[17-18]。目前氫在海事、鐵路和航空領(lǐng)域的應(yīng)用處于示范階段，主要用于輔助動力單元，而歐洲碳排放交易體系的不斷擴大為氫能在這些領(lǐng)域的應(yīng)用提供了潛在的空間。2019 年 11 月，中國首列氫燃料電池有軌電車在佛山投運。2020 年 1 月，美國國防部聯(lián)合能源部啟動氫燃料電池應(yīng)急救援車 H2Rescue 項目，基于氫燃料電池/鋰電池混合系統(tǒng)，開啟微電網(wǎng)搭建、供熱和供水一體化研究。
2.3 氫能應(yīng)用于能源企業(yè)
目前，全球氫能發(fā)電比例很小，約占總發(fā)電量的 0.2%。隨著對能源行業(yè)深度脫碳要求的進一步提高，氫能應(yīng)用于能源企業(yè)路徑主要有：（1）氫為燃氣輪機或燃料電池提供燃料，作為備用電源或離網(wǎng)供電，為易停電和偏遠地區(qū)的關(guān)鍵設(shè)施（如醫(yī)院，通信基礎(chǔ)設(shè)施等）提供備用電源，成為電力系統(tǒng)的一個靈活性電源；（2）氫轉(zhuǎn)化成氨，與煤粉共燃，降低傳統(tǒng)燃煤電廠的碳排放強度；（3）氫以壓縮氣體、氨或合成甲烷的方式儲存，平衡電力需求和可再生能源的間歇性波動。
日本和韓國均明確了在能源企業(yè)中使用氫或氫基燃料的目標，日本希望在 2030 年氫發(fā)電能力達到 1 GW，韓國氫路線圖設(shè)定目標是 2022 年電力行業(yè)中燃料電池裝機容量為 1.5 GW，2040 年達到 15 GW[17]。2020 年 2 月，北美擬投資可再生能源-氫發(fā)電樞紐項目替代 1800 MW 的 Intermountain燃煤電站，為南加州提供可靠的清潔能源，從2025 年開始，每年春、秋兩季將有 538 MW 可再生能源用來制氫，可再生能源制氫成本可能低至1.5~2.9 美元/kg，氫氣將儲存在地下鹽洞，通過100% 氫燃料的燃氣輪機進行發(fā)電[19]。
2.4 氫能應(yīng)用于建筑熱電聯(lián)供
在住宅建筑領(lǐng)域，75% 的傳統(tǒng)能源用于空間供暖、熱水和烹飪。氫可與天然氣混合（氫氣摻混比例為 0~20%），通過基于燃氣輪機或燃料電池的 CHP 技術(shù)，利用現(xiàn)有建筑和能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供靈活性和連續(xù)性的熱能、電力供應(yīng)，從而取代化石燃料 CHP。
基于燃氣輪機的 CHP 可通過布雷頓-朗肯循環(huán)來實現(xiàn)熱、電聯(lián)供，氫氣通過高溫燃氣輪機進行燃燒，推動燃氣輪機發(fā)電，燃燒形成的高溫蒸汽通過余熱鍋爐吸收產(chǎn)生蒸汽，推動小汽輪機發(fā)電，汽輪機排汽作為熱源提供熱量，整體循環(huán)效率可達 55%。日本某微型氫燃氣輪機已成功向社區(qū)供應(yīng) 2.8 W 熱能和 1.1 MW 電力[18]。
基于燃料電池的 CHP 最常用的是 PEMFC 和SOFC 技術(shù)。CHP 中的 2 種類型的電池都可以由熱或電功率驅(qū)動，并且由于其緊湊的尺寸可以部署為微型 CHP。它們既可以直接用氫氣作為燃料，也可以用天然氣或沼氣作為燃料，而在裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫氣。如果產(chǎn)生的熱量具有足夠高的溫度，則該系統(tǒng)還可以通過吸附（三聯(lián)產(chǎn)）提供冷卻，整體運行效率可達 60%。“Ene-Farm”項 目 從 2009 年開始，已相繼投 入 30 多萬套微 型CHP 單元，單元成本已從 3.5 萬美元降至 0.9 萬美元。此外，100% 的純氫可通過氫鍋爐用于建筑供熱，但氫氣價格需低至 1.5~3.0 美元/kg 時，才能與天然氣鍋爐和電動熱泵競爭。2019 年 6 月，由BDRThermea 研制的世界第 1 臺純氫家用鍋爐在荷蘭羅森堡投入使用，初始供暖量將滿足總熱量需求的 8%，該項目與荷蘭北部海上風電制氫、鹽洞儲氫及格羅寧根氫燃料電池列車構(gòu)成了荷蘭氫能利用藍圖的雛形。
3 應(yīng)用途徑分析
為了實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中的目標，全球能源系統(tǒng)必須進行深刻的變革，可再生能源的低碳電力可能成為首選的能源載體，電力在全球終端能源消耗中的份額到 2050 年需要增加近 40%。但對于難以通過電氣化實現(xiàn)脫碳的行業(yè)（如物流、工業(yè)用戶），各國政府正在逐步認識到可再生能源耦合氫能是實現(xiàn)零碳凈排放的重要選擇之一。
（1）目前，90% 的氫用作工業(yè)原料，但這部分氫大多來源于化石燃料，未來工業(yè)用戶的深度脫碳途徑是利用可再生制氫來替代這部分氫氣。制氫成本與碳排放成本是影響該用途進展的關(guān)鍵因素。氫氣綜合成本為 1.2~2.3 美元/kg 時，可再生能源制氫的競爭力大大提升，但這并不妨礙氫能在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，預計到 2030 年，氫能需求量為 10~15 萬 t/年[17]，如圖 5 所示。
（2）氫能已經(jīng)逐步用于交通運輸領(lǐng)域的城市用車、短程公共車，但大范圍推廣仍受限于氫燃料電池及車載氫罐的成本，以及氫供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施完善程度。但對于重型卡車或遠程運輸來說，氫能仍是該領(lǐng)域脫碳成本最低的方法之一。隨著氫燃料和車輛成本的降低，鼓勵政策的實施及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的完善，預計到 2030 年，交通運輸行業(yè)氫能需求量為 7~15 萬 t/年[18]。
（3）氫能主要作為清潔燃料為能源企業(yè)提供熱量和電力，但目前仍受限于較高的制氫成本，但整體考慮系統(tǒng)年利用率及資本支出，氫能用于熱電原料比例將會進一步提升。相比之下，氫能以儲能的方式為電網(wǎng)提供平衡和靈活性的方法更有競爭力，大容量儲氫成本未來低至 0.3 美元/kg。預計到 2030 年，能源企業(yè)的氫能總需求量為 10~18 萬 t/年[6]。
（4）建筑的供熱和電力需求約占全球能源需求的 1/3，而對于分布式供暖，氫能是少數(shù)幾種可以與天然氣競爭的低碳替代品，隨著制氫成本和氫鍋爐、燃料電池成本的下降，以及氫氣利用現(xiàn)有天然氣管道輸送能力的提升，預計到 2030 年，CHP 中氫鍋爐與氫燃料電池的成本為 900~2000 美元/（戶·年），建筑熱電聯(lián)供的氫能需求量為 3 萬~ 9 萬 t/年[14]。
雖然氫能已經(jīng)在能源系統(tǒng)中的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈中基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，氫能供應(yīng)鏈中制氫技術(shù)的成本問題，長距離、大容量儲運經(jīng)濟安全問題及終端加氫設(shè)施成本等問題仍是目前亟須解決的。
4 對中國氫能發(fā)展的啟示
氫能在國內(nèi)能源電力領(lǐng)域的應(yīng)用前景仍有部分爭議，幾乎所有的氫能和燃料電池技術(shù)還依賴于公共財政的支持，但中國在制氫方面具有良好的基礎(chǔ)，工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫已開展項目示范。中國氫能聯(lián)盟已牽頭開啟氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。綜合以上研究，對中國氫能發(fā)展帶來以下啟示。
（1）氫能產(chǎn)業(yè)目前仍處于市場導入期，氫能的“制—儲—運—用”環(huán)節(jié)與世界先進水平仍存在較大差距。需要盡快將氫能經(jīng)濟納入國家能源體系中，研究制訂國家氫能發(fā)展路線圖、明確氫能利用目標與產(chǎn)業(yè)布局，引導地方根據(jù)區(qū)域特點差異化發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。
（2）除交通運輸外，氫能在能源企業(yè)、工業(yè)用戶及建筑部門的商業(yè)化應(yīng)用應(yīng)作為氫能戰(zhàn)略參考指標，明確氫能在低碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略作用。
（3）氫能產(chǎn)業(yè)化布局基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，應(yīng)加強氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用。加快推進可再生能源制氫、氫儲能、氫能利用等關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同研究，對關(guān)鍵材料及核心部件技術(shù)創(chuàng)新加大財政補貼。
5 結(jié)語
（1）隨著氫利用技術(shù)的發(fā)展和進一步成熟，氫儲能系統(tǒng)成熟度上升較快。與其他常規(guī)儲能系統(tǒng)相比，氫儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)效率、運行壽命、機組響應(yīng)時間和投資成本等關(guān)鍵參數(shù)上均處于中間位置，但考慮氫能在未來能源系統(tǒng)中深度脫碳的重要作用，氫儲能系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用途徑。
（2）氫儲能系統(tǒng)未來可用于工業(yè)用戶，提供化工原材料及高溫熱源；用于交通運輸中車輛的脫碳；用于能源企業(yè)，取代化石燃料發(fā)電、供暖，或者以儲能的方式提高電網(wǎng)靈活性；用于建筑熱電聯(lián)供，提高能量利用效率。
（3）氫能還未充分發(fā)揮在低碳能源系統(tǒng)中的作用，需要從國家戰(zhàn)略層面、核心技術(shù)研發(fā)投入、財政補貼等方面進一步加大支持力度，推動氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
當前位置：
熱門推薦
