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    燃料電池時代的來臨

    發布日期: 2019-04-04
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    2011年3月,東京的櫻花落地速度大概比每秒5厘米快了一點。

    一場九級強震襲擊日本,隨后而來的海嘯對日本東北部地區造成毀滅性破壞,也包括其中的福島核電站。

    受制于有限的陸地面積和自然資源,日本的能源安全一直備受關注。福島核電站事故讓日本的核電走向歷史的角落。日本開始滿世界地尋找比核能更安全、更清潔的能源。

    福島核電站事故只是“后一根稻草”。事實上,日本發展新型能源早已勢在必行。

    一方面,日本人口密集、能源消費量大、資源匱乏、災難頻發,為保證能源安全,新型替代能源成為日本能源發展的唯yi出路;

    另一方面,包括日本在內的眾多發達國家都有減少碳排放的壓力。為應對氣候變化的加劇,日本又提出了2050年前CO2排放量比1990年減少80%的目標,促使新能源替代傳統能源是必然選擇。

    基于眾多考量,日本把目光投向氫能。事實上,氫能源被譽為21世紀的“終ji能源”,有望成為下一代的基礎能源。而燃料電池,則是氫能直接的載體。

    接下來我們將從日本能源發展歷史的角度來分析,為什么氫能源可能成為未來能源的主角。

    1973年,次石油危機爆發。日本強烈感受到能源安全對國家、經濟和社會生活的重要性。同年,日本成立“氫能源協會”,以大學研究人員為中心開展氫能源技術研發,氫能源與燃料電池的發展從此拉開了序幕。

    氫能源發展歷程

    1973年

    成立“氫能源協會”,以大學研究人員為中心開展氫能源技術研發。

    2008年

    燃料電池商業化協會(GCCJ)制定2015年向普通用戶推廣燃料電池車計劃。

    2013年

    安倍政府推出的《日本再復興戰略》,把發展氫能源提升為國策,并啟動加氫站建設的前期工作。

    2014年

    內閣修訂《日本在復興戰略》,發出建設“氫能源社會”的呼吁。

    第四次《能源基本計劃》,將氫能源定位為與電力和熱能并列的核心二次能源,提出建設“氫能源社會”。

    公布《日本氫和燃料電池戰略路線圖》

    2015年

    安倍政府在實施政方針演說中表達了實現“氫能社會”的決心,旨在繼續建造燃料電池加氫站之后,通過氫能發電站的商業運作來增加氫能流通量并降低價格。

    NEDO出臺氫能源白pi書,將氫能源定位為國內發電的第三支柱。

    1. 制氫:零碳+低成本制氫是終ji目標

    根據日本氫能源發展戰略,日本計劃了兩種并行的制氫路線:一是海外進口廉價氫氣;二是國內可再生能源制氫。

    日本國內資源稟賦較差,海外制氫成為日本氫燃料的重要來源。

    海外制氫的方法主要有以下兩種:

    利用海外廉價褐煤制氫

    利用可再生能源稟賦條件好,發電成本的低的國家電解水制氫。

    實施海外制氫的首要目標就是建立供應鏈氫能供給體系。

    2014年,川崎重工業公司計劃利用在澳大利亞沒有用武之地的褐煤提取氫氣,冷卻到零下253度,制成液態氫。再利用的輪船,像運輸LNG(液化天然氣)一樣運往日本。

    為了向日本運輸氣態氫,該公司開發出了“SPERA氫”技術。通過利用甲苯吸附氫氣,實現了常溫常壓下的大量運輸。利用這一技術,氫就能夠像汽油一樣在常溫常壓下運輸,實現對現有設備的充分利用。

    2018年4月12日,日本川崎重工與澳大利亞政府達成一致,雙方將攜手開展一個價值5億澳元(約合3.88億美元)、為期4年的煤制氫試點項目。這是煤制氫技術從試驗走向市場的一次重大嘗試。其后,日本先后同新西蘭、文萊、挪威等開展氫能合作,日本海外制氫項目陸續落成。

    另一方面,在國內可再生能源制氫方面,目前日本國內主要的制氫方法主要有以下幾種:工業副產氫、化石燃料制氫、水電解制氫、生物質能制氫/高溫分解和光催化劑制氫等。

    2. 氫能源的運輸和儲存是氫能源應用的關鍵

    由于海外制氫成為日本獲取氫氣的重要來源,優化長途運輸和長期儲存也就成了日本在儲運方面面臨的主要問題,氫供應鏈的成本結構是海外氫供應經濟的可行性的關鍵性因素。

    對于長途儲運來說,氫氣通過壓縮、液化、有機氫化物吸附或者轉化為其他氣體(如NH3)和合成甲烷(CH4),不僅可以增加氣體密度、提高單位質量的熱氫值,而且也能夠提高氫氣的運輸效率、延長氣體的儲存時間,避免消散。

    日本的海外氫能源儲運主要有液化氫、有機物甲基環己烷和氫-氮結合運輸三種方式。

    3. 燃料電池的應用:家用燃料電池、燃料電池汽車是構成氫能社會的基礎

    日本的燃料電池在商業化應用方面世界,主要有家庭用燃料電池熱電聯供應系統、業務用/產業用燃料電池以及燃料電池車。

    在家用燃料電池熱電聯供應系統方面,日本家用熱電聯產系統ENE-FARM通過天然氣重整制取氫氣,再將氫氣注入燃料電池中發電,同時用發電時產生的熱能來供應暖氣和熱水,整體能源效率可達90%。

    根據日本氫能源戰略的基本計劃,家用燃料電池系統市場銷售目標到2020年達到140萬臺,2030年達到530萬臺。

    就業務用/產業用燃料電池方面,業務用/產業用燃料電池與家庭用燃料電池工作原理相似,都是通過在燃料電池中氫氣和氧氣發生化學反應來發電,不同的是業務用燃料電池更多的是將城市煤氣作為燃料制取氫氣。

    4. 燃料電池車的普及離不開加氫站的投資建設

    加氫站是給燃料電池汽車提供氫氣的燃氣站,作為給燃料電池汽車提供氫氣的基礎設施。日本一直都以構建氫能社會為國家發展目標,其加氫站密度目前世界排名di一。

    截至2017年底,日本公共加氫站數量為91座,根據日本氫能源基本戰略,2020年要達160個,2025年要達到320個,2030年要增加到900個,到2050年加注站的經濟效益將超過加油站,并逐步替代加油站。

    日本主要通過政府高額補助和企業聯合開發兩種方式來加快加氫站戰略布局。其中,在企業聯合開發方面,2018年3月6日,豐田汽車公司、日產汽車公司共11家公司,成立了旨在體系化建設氫燃料電池車(下稱“FCEV”)加氫站的“日本加氫站網絡公司”(JHyM)。在氫能源基本戰略中被定位為“加氫建設的推動者”。

    國內發展氫能源產業鏈具有必然性與可行性

    1. 氫能源發展的必然性

    作為zui大的能源消費國,我國資源稟賦相對較差,石油、天然氣等能源短缺,石油進口率67.4%,天然氣進口率39%,對外依存度較高。煤炭資源豐富,探明儲量世界*2位,但發展粗放,不利于未來的可持續發展。同時,從我國的能源結構來看,我國過度依賴煤炭。 

    從長期來看,我們所面臨的能源困境是不斷增加的能源消費,zhong都會化作熱量擴散并且伴隨著溫室氣體CO2的產生。氫作為能源載體具有零碳、、可儲能、應用場景豐富、安全可控等優勢,促進我國能源轉型升級,可作為我國未來基礎能源。

    2. 氫能源發展的可行性

    從供給來看,zhong國擁有豐富的氫能源基礎。

    在制氫方面,我國是產氫大國,具有豐富的氫能源基礎,當前每年化工廠副產氫氣超過300萬噸。

    我國具有豐富的煤炭資源和可再生資源。通過可再生能源電解水制氫和煤炭制氫+CCS具有經濟可行性,完全可以支撐我國低成本氫能源的發展愿景。

    與此同時,我國對氫能的需求巨大。在氫能源的利用方面,以交通運輸和儲能為主的應用場景潛在市場需求大。中國具有世界zui大的新能源汽車產業基礎,同時氫能產業鏈長參與機會多,符合眾多傳統行業轉型升級之需求。

    在政策層面,我國政府高度重視發展氫能源產業。2019年全國政協十三屆二次會議(兩會)將氫能寫入《政府工作報告》,與會代表提出健全行業標準,繼續推進加氫站、燃料電池汽車購置補貼的建議,將氫能產業鏈的發展提上了新的高度。

    3. 我國氫能發展將結合自身特色

    日本結合燃料電池熱電聯供系統推廣燃料電池汽車的方式顯然不符合中國國情。

    目前,我國已經探討了幾條適合國情的路線:

    先商后乘路線:采用在公交車輛,工程車輛等商用車推廣燃料電池,規?;杀窘档秃笤僭诔擞密囶I域推廣的路線。

    一方面,商用車因為應用場景較乘用車輛集中,行駛路徑單一,在制定區域進行制氫、儲氫、加氫完成度高,可操作性較強。另一方面,燃料電池具備低溫運行,大功率動力做功的特性,符合商用車在特定領域的需求。

    當商用車規?;耐茝V將帶動產業鏈的完善,為后期乘用車的推進奠定基礎。

    燃料電池(增程式)路徑的提出:針對當前國內小功率燃料電池技術上難以滿足中型、重型車輛驅動,大功率燃料電池成本過高的情況,采用燃料電池用作鋰電池增程器的設計可以滿足驅動條件。

    不同于乘用車輛,商用車輛較大的空間滿足同時布局兩種動力的條件,協同相比純電動車輛增加續航里程,又能夠彌補小功率燃料電池動力不足的缺陷。

    2019年有望成為氫產業商業化之元年。

    雖然當前燃料電池車輛存量僅為千余輛,氫能相關基礎設施仍遠不完善,且是否把燃料電池當作推廣類比于鋰電池新能源車2009年十城千輛推廣工程的階段仍有爭議。但在政策補貼疊加和技術進步支持下,未來數年氫能勢必與內燃機、鋰電池,氫能產業長期共存并占據一席之地,行業當前具備爆發潛質。

    氫能社會,未來已來。

     

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