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氢能在能源系统中的应用前景

发布日期: 2021-08-06
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近年来,受能源政策、市场以及相关氢能利用技术的驱动,氢能为综合能源系统中难以实现电气化的行业和应用提供了更多可行和适用的选择。能源系统的深度脱碳需求、整合大量波动性可再生能源并网都将成为氢能快速发展的驱动力。



氢能在综合能源系统中应用路径




氢可以直接以纯净形式使用,或作为合成液态或气态氢基燃料(合成甲烷或合成柴油)以及其他能源载体(氨)的基础。


氢能在能源系统中的应用 ▼

目前大多数氢气用于工业领域,直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂和高品质热源。其中炼油厂、氨生产、甲醇生产、钢铁生产消耗氢气比例分别为33%、27%、11%、3%。长远来看,氢能可以广泛用于能源企业、交通运输、工业用户、商业建筑等领域。既可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域,降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖;还可以利用燃气轮机技术、燃料电池技术应用于分布式发电,为家庭住宅、商业建筑等供暖供电。


典型应用案例 ▼

氢能应用于工业用户


目前,工业用户中的氢几乎完全来自天然气、煤炭和石油的大规模制氢,对环境产生巨大影响,采用可再生能源发电制氢耦合工业用户,既可以提供无碳氢,又可以提供可再生电力,避免化石燃料的碳排放问题。氢用于工业用户中的途径有:

  • 炼油,加氢处理和加氢裂化去除杂质,提高中间循分油的精收效率;

  • 化工,用于合成氨、甲醇,合成甲烷等工业原料和燃料;

  • 钢铁,代替传统高炉及碱性氧气转炉系统中常用的焦炭和天然气。

基于氢的合成燃料储存更容易,可利用现有的基础设施输送,为海事、铁路、航空提供可靠的清洁燃料。2019年11月,奥地利林茨奥钢联钢厂6MW电解制氢装置投产,开启了氢能冶金时代。中国宝武钢铁、鞍钢、酒钢等均开始可再生能源制氢-氢能冶金立项,探寻循环经济的可行性。

氢能应用于交通运输


长期以来,氢作为潜在的交通燃料,被视为石油和天然气的清洁替代品。氢动力系统因其零碳排放和广泛的适应性有望成为交通运输部门实现快速减排的少数选择之一,这依赖于燃料电池技术的发展,目前氢能燃料电池用于交通运输领域主要包括:(1)道路运输,如小型汽车、公共汽车、卡车和其他货车;(2)海事行业,如船舶、港口;(3)铁路和航空;(4)其他特殊领域,如救援车辆、深海装备等。

相比于纯电动汽车,氢燃料电池汽车、卡车及叉车的燃料加注时间短、续航里程长。


目前氢在海事、铁路和航空领域的应用处于示范阶段,主要用于辅助动力单元,而碳排放交易体系的不断扩大为氢能在这些领域的应用提供了潜在的空间。2019年11月,中国首列氢燃料电池有轨电车在佛山投运。2020年1月,美国国防部联合能源部启动氢燃料电池应急救援车H2Rescue项目,基于氢燃料电池/锂电池混合系统,开启微电网搭建、供热和供水一体化研究。


中国首列氢燃料电池有轨电车 

氢能应用于能源企业


目前,全球氢能发电比例很小,约占总发电量的0.2%。随着对能源行业深度脱碳要求的进一步提高,氢能应用于能源企业路径主要有:

  • 氢为燃气轮机或燃料电池提供燃料,作为备用电源或离网供电,为易停电和偏远地区的关键设施(如医院,通信基础设施等)提供备用电源,成为电力系统的一个灵活性电源;

  • 氢转化成氨,与煤粉共燃,降低传统燃煤电厂的碳排放强度;

  • 氢以压缩气体、氨或合成甲烷的方式储存,平衡电力需求和可再生能源的间歇性波动。


日本和韩国均明确了在能源企业中使用氢或氢基燃料的目标,日本希望在2030年氢发电能力达到1GW,韩国氢路线图设定目标是2022年电力行业中燃料电池装机容量为1.5GW,2040年达到15GW。2020年2月,北美拟投资可再生能源-氢发电枢纽项目替代1800MW的Intennountain燃煤电站,为南加州提供可靠的清洁能源,从2025年开始,每年春、秋两季将有538MW可再生能源用来制氢,可再生能源制氢成本可能低至1.5-2.9美元/kg,氢气将储存在地下盐洞,通过100%氢燃料的燃气轮机进行发电。




氢能应用于建筑热电联供



在住宅建筑领域,75%的传统能源用于空间供暖、供热。利用氢燃料电池为建筑、社区等供热,并作为备用电源,与电力、热力等能源品种实现互联互补,提高能源利用效率。



虽然与应用较多的供热锅炉相比,此模式优势不够明显,但能够将供热方式从热电厂集中供热向分布式供热转变,可以解决热力管网、电网等基础设施建设的高额投资问题,是一种值得研究的发展思路。

此外,在满足供热需求的同时,也可承担部分负荷进行供电。如日本自2009年开始推广家用燃料电池热电联供系统,普通家庭 40%~60% 的能源消耗可由此系统供给,商业化应用推广较为成功。




应用途径分析




为了实现《巴黎协定》中的目标,全球能源系统必须进行深刻的变革,可再生能源的低碳电力可能成为shou选的能源载体,电力在全球终端能源消耗中的份额到2050年需要增加近40%。但对于难以通过电气化实现脱碳的行业(如物流、工业用户),各国政府正在逐步认识到可再生能源耦合氢能是实现零碳净排放的重要选择之一。


(1)目前,90%的氢用作工业原料,但这部分氢大多来源于化石燃料,未来工业用户的深度脱碳途径是利用可再生制氢来替代这部分氢气。制氢成本与碳排放成本是影响该用途进展的关键因素。氢气综合成本为1.2〜2.3美元/kg时,可再生能源制氢的竞争力大大提升。

 

(2)氢能已经逐步用于交通运输领域的城市用车、短程公共车,但大范围推广仍受限于氢燃料电池及车载氢罐的成本,以及氢供应链基础设施完善程度。但对于重型卡车或远程运输来说,氢能仍是该领域脱碳成本最di的方法之一。

 

(3)氢能主要作为清洁燃料为能源企业提供热量和电力,但目前仍受限于较高的制氢成本,但整体考虑系统年利用率及资本支出,氢能用于热电原料比例将会进一步提升。相比之下,氢能以储能的方式为电网提供平衡和灵活性的方法更有竞争力。

 

(4)而对于分布式供暖,氢能是少数几种可以与天然气竞争的低碳替代品,随着制氢成本和氢锅炉、燃料电池成本的下降,以及氢气利用现有天然气管道输送能力的提升。

 

虽然氢能已经在能源系统中的许多领域得到应用,但氢能产业链中基础设施较为薄弱,氢能供应链中制氢技术的成本问题,长距离、大容量储运经济安全问题及终端加氢设施成本等问题仍是目前亟须解决的。

来源:国网能源研究院有限公司:蒋东方 贾跃龙 鲁强 洪博文 神瑞宝 张岩;

转载来源:《氢能俱乐部》微信公众号

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