氫能不止燃料電池 大規模推廣降本增效是關(guān)鍵

近日，河北省正式印發(fā)《推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施意見(jiàn)》，支持張家口、保定、邯鄲開(kāi)展先行先試，推動(dòng)制氫、儲氫、加氫站、氫能應用等標準制定;圍繞制氫、儲運、燃料電池、應用示范和產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展、創(chuàng )新體系建設、標準體系建設等七個(gè)方面做好相關(guān)工作，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。國發(fā)能研院、綠能智庫資料顯示，除河北外，山西、山東、浙江、內蒙古、吉林、海南等省份目前也已出臺省級氫能發(fā)展規劃，大多數省份都圍繞著(zhù)氫燃料電池車(chē)進(jìn)行氫能全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但汽車(chē)產(chǎn)業(yè)競爭異常激烈，在國家級政策還未出臺的情況下，燃料電池汽車(chē)前期投入大、投資風(fēng)險較高，已經(jīng)引起監管機構的注意。

7月1日，在美錦能源公告投資百億布局青島氫能小鎮后僅三天，便收到證監會(huì )問(wèn)詢(xún)函，提出8個(gè)問(wèn)題質(zhì)疑2018年凈利潤不到20億的美錦能源是否能夠推動(dòng)已經(jīng)宣布的投資總和超過(guò)200億元的氫能項目順利進(jìn)行，而美錦能源在答復問(wèn)詢(xún)時(shí)指出，氫能小鎮項目預計建設時(shí)間8-10年，每年投資規模有限，避免產(chǎn)能過(guò)剩。國發(fā)能研院、綠能智庫認為，美德日韓等燃料電池發(fā)展領(lǐng)先的國家，本來(lái)在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)上就具有領(lǐng)先優(yōu)勢，而我國幅員遼闊，各地產(chǎn)業(yè)結構差異較大，發(fā)展氫能不應一哄而上布局燃料電池車(chē)，而是應該因地制宜，探索多樣化的應用場(chǎng)景。

氫氣混合燃氣：氫能大規模應用的最簡(jiǎn)單場(chǎng)景

事實(shí)上，在除高原外的絕大部分地區，燃氣管網(wǎng)中混入一定體積分數的氫氣，現有燃氣設備是可以正常運行的。作為歐盟認證的一部分，1996年頒布的《燃氣器具指令(GAD)》就規定，所有家用燃氣器具都需要經(jīng)過(guò)23%的氫氣測試，既在保證安全的前提下，使用至多含有23%體積分數氫氣的混合燃氣并不需要更換特定的設備。作為燃氣器具制造及出口大國，我國生產(chǎn)的絕大多數相關(guān)產(chǎn)品，都滿(mǎn)足歐盟標準。國發(fā)能研院、綠能智庫梳理相關(guān)信息發(fā)現，2018年，天津市科技計劃項目“建筑燃氣安全智慧終端關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”(編號:16YFZCSF00480)中，就有“含氫天然氣在家用天然氣燃具上的燃燒性能測試”這一項試驗，結果表明：天然氣中加入氫氣后，由于熱值的降低，在12T燃具上使用時(shí)會(huì )出現熱工性能偏差的問(wèn)題，但不會(huì )改變燃具在能效方面的表現，因此天然氣中加入氫氣在常規的天然氣類(lèi)家用燃氣具上可以直接使用，不存在明顯改變燃氣具安全、節能和技術(shù)性能等既有狀況的現象;但不同氣源天然氣的華白數與熱值不同，考慮氣源的普適性，確定天然氣中摻入氫氣含量應不大于20%。

2017年，英國基爾大學(xué)啟動(dòng)為期六年的Hydeploy項目，這是英國第一個(gè)向燃氣網(wǎng)絡(luò )注入氫氣的示范項目，同時(shí)也是是英國天然氣及電力市場(chǎng)辦公室(Ofgem)有史以來(lái)最大的天然氣創(chuàng )新項目，由基爾大學(xué)聯(lián)合當地天然氣運營(yíng)商Cadent、NGN以及相關(guān)企業(yè)、機構合作進(jìn)行。Hydeploy項目包括三個(gè)單獨的試驗，將20%體積的氫氣分別混合到基爾大學(xué)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )中和NGN、Cadent的天然氣網(wǎng)絡(luò )中，目標到2023年，氫氣生產(chǎn)商能夠像現在的生物甲烷(沼氣)供應商一樣向天然氣網(wǎng)絡(luò )中注入氫氣。

Hydeploy項目示意圖：黑色管線(xiàn)為氫氣運輸管道，中間交匯處為制氫廠(chǎng),橙色管線(xiàn)用于制氫過(guò)程中的二氧化碳捕捉

經(jīng)過(guò)約18個(gè)月的前期工作，證明了當前的燃氣網(wǎng)絡(luò )和設備能夠在不進(jìn)行大規模改造的情況下采用20%體積分數的氫混合物后，2019年9月，基爾大學(xué)將展開(kāi)第一次試驗，氫氣會(huì )被加入到由大學(xué)運營(yíng)的一個(gè)內部天然氣管網(wǎng)中，向100個(gè)家庭和30個(gè)教學(xué)樓提供混合燃氣。但作為金屬還原劑，氫氣具有強還原性，加入燃氣管網(wǎng)中時(shí)，部分老舊金屬管網(wǎng)需要被替換為塑料等新型材料。剩下兩項試驗將分別于2020年及2021年在英國東北部的NGN網(wǎng)絡(luò )及西北部的Cadent網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行，每項試驗規模約為700戶(hù)家庭，屆時(shí)將同樣提供混合20%氫氣的燃氣。

國發(fā)能研院、綠能智庫認為，汽油、天然氣等化石能源添加同類(lèi)物質(zhì)使用并非新興技術(shù)，例如生物甲烷(沼氣)混合天然氣、生物乙醇混合汽油，在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，并且極大的促進(jìn)了生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2018年，我國進(jìn)口天然氣約9000萬(wàn)噸，超過(guò)日本成為天然氣進(jìn)口第一大國，如果氫氣能夠以一定比例混入燃氣管網(wǎng)中使用，將一定程度減少天然氣需求量，不僅有利于我國氫能產(chǎn)業(yè)持續發(fā)展，在減少碳排放、提高能源自給率方面，也能起到立竿見(jiàn)影的效果。

氫儲能與氫能發(fā)電：解決可再生能源消納的新思路

我國可再生能源發(fā)展全球領(lǐng)先，水、風(fēng)、光裝機量均為世界第一，但在發(fā)展過(guò)程中，由于資源分布不均造成的矛盾較為突出。目前我國的風(fēng)電、光伏發(fā)電主要分布在西北、華北、東北等“三北”地區，水電則集中在西南地區，但電力負荷重心在華東、華南地區，發(fā)電中心和用電負荷中心距離較遠，大規模、長(cháng)距離輸電在所難免。而可再生能源發(fā)電具有一定的波動(dòng)性、隨機性，在電網(wǎng)中占比越大，越需要削峰填谷進(jìn)行調節，造成電網(wǎng)運行效率下降等不利影響。

據國發(fā)能研院、綠能智庫了解，德國在發(fā)展風(fēng)電的過(guò)程中，也遇到了發(fā)電、用電中心距離較遠的問(wèn)題——德國風(fēng)電裝機集中在北部地區，但用電負荷在南部。為緩解風(fēng)電消納難題，除了常規輸電外，德國將風(fēng)電轉變?yōu)闅錃?，以氫儲能的方式?lái)替代部分直接輸電，2013年至今，德國已經(jīng)開(kāi)發(fā)運行了十余個(gè)氫儲能示范項目，探索氫氣制取后的多種用途，包括供應周邊加氫站、直接燃燒發(fā)電、使用燃料電池技術(shù)發(fā)電、甚至與空氣中二氧化碳反應制取甲烷等“電轉氣(P+G)”技術(shù)應用場(chǎng)景。

在科技部近期公布的國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術(shù)”2018年度項目公示清單中，“大規模風(fēng)/光互補制儲氫示范系統”赫然在列，項目要求風(fēng)電機組容量至少6兆瓦，光伏電站容量大于2兆瓦，表明我國已開(kāi)始探索大規?？稍偕茉粗茪涞目尚行?。目前，我國首個(gè)大型風(fēng)電制氫示范項目——中德合作的張家口沽源風(fēng)電制氫項目已進(jìn)入設備調試階段，該項目包括10MW電解水制氫系統，配合200MW風(fēng)電場(chǎng)制氫，項目建成后可形成年制氫1752萬(wàn)標準立方米的生產(chǎn)能力。發(fā)電方面，國家電網(wǎng)與明天氫能已經(jīng)宣布將在安徽省打造我國首個(gè)兆瓦級氫能源儲能電站，氫儲能將成為解決“棄風(fēng)棄光”問(wèn)題的新思路。

氫能發(fā)展需打通瓶頸 降本增效才能提高競爭力

數據表明，我國現有工業(yè)制氫產(chǎn)能達到2500萬(wàn)噸，穩居全球第一;而每年水、風(fēng)、光限電約1000億千瓦時(shí)，理論上可電解制氫200萬(wàn)噸。但我國氫能產(chǎn)業(yè)還在發(fā)展初期，各個(gè)工業(yè)制氫產(chǎn)區的氫氣目前以就近消納為主。國發(fā)能研院、綠能智庫了解到，氫能儲運技術(shù)關(guān)系到氫氣能否被高效利用，是限制氫能大規模發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的重要瓶頸，成為氫能推廣的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。隨著(zhù)各省市不斷布局氫能產(chǎn)業(yè)，國內氫能儲運環(huán)節不斷突破：我國目前在35兆帕氣態(tài)氫氣儲存、液氫罐車(chē)運輸及鐵路運輸等方面技術(shù)已經(jīng)較成熟，下一步除了降低目前氫氣儲運成本外，將探索70兆帕氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫及長(cháng)距離管道運輸氫氣的可行性。

各制氫方法基本指標比較(資料來(lái)源：國金證券研究所)

此外，氫能作為典型的二次能源，無(wú)論是通過(guò)煤制氫、甲烷重整等傳統方式獲得，還是利用可再生能源制氫等新興技術(shù)，成本是一個(gè)繞不開(kāi)的話(huà)題。資料顯示，化石能源重整和可再生能源制氫的能量轉化率均超過(guò)70%，差異不大，但在實(shí)際應用中，化石能源獲得成本比風(fēng)電、光伏發(fā)電低得多，導致最終制氫成本不到可再生能源制氫的一半?？稍偕茉粗茪淙粝脒_到目前煤炭、天然氣重整制氫的平均能效，除了降低發(fā)電成本外，還要提高風(fēng)電、光伏發(fā)電轉化效率，單個(gè)項目配建風(fēng)、光電站裝機量需達到數百兆瓦甚至更多，才能保證足夠的電力輸出。雖然目前成本較高，但可再生能源制氫具有無(wú)可比擬的環(huán)保優(yōu)勢，國家只要給與足夠力度扶持，將助力我國減少碳排放，達成節能減排目標。