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    氫能在能源系統中的應用前景

    發布日期: 2021-08-06
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    近年來,受能源政策、市場以及相關氫能利用技術的驅動,氫能為綜合能源系統中難以實現電氣化的行業和應用提供了更多可行和適用的選擇。能源系統的深度脫碳需求、整合大量波動性可再生能源并網都將成為氫能快速發展的驅動力。



    氫能在綜合能源系統中應用路徑




    氫可以直接以純凈形式使用,或作為合成液態或氣態氫基燃料(合成甲烷或合成柴油)以及其他能源載體(氨)的基礎。


    氫能在能源系統中的應用 ▼

    目前大多數氫氣用于工業領域,直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業提供高效原料、還原劑和高品質熱源。其中煉油廠、氨生產、甲醇生產、鋼鐵生產消耗氫氣比例分別為33%、27%、11%、3%。長遠來看,氫能可以廣泛用于能源企業、交通運輸、工業用戶、商業建筑等領域。既可以通過燃料電池技術應用于汽車、軌道交通、船舶等領域,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、燃料電池技術應用于分布式發電,為家庭住宅、商業建筑等供暖供電。


    典型應用案例 ▼

    氫能應用于工業用戶


    目前,工業用戶中的氫幾乎完全來自天然氣、煤炭和石油的大規模制氫,對環境產生巨大影響,采用可再生能源發電制氫耦合工業用戶,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。氫用于工業用戶中的途徑有:

    • 煉油,加氫處理和加氫裂化去除雜質,提高中間循分油的精收效率;

    • 化工,用于合成氨、甲醇,合成甲烷等工業原料和燃料;

    • 鋼鐵,代替傳統高爐及堿性氧氣轉爐系統中常用的焦炭和天然氣。

    基于氫的合成燃料儲存更容易,可利用現有的基礎設施輸送,為海事、鐵路、航空提供可靠的清潔燃料。2019年11月,奧地利林茨奧鋼聯鋼廠6MW電解制氫裝置投產,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,探尋循環經濟的可行性。

    氫能應用于交通運輸


    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。氫動力系統因其零碳排放和廣泛的適應性有望成為交通運輸部門實現快速減排的少數選擇之一,這依賴于燃料電池技術的發展,目前氫能燃料電池用于交通運輸領域主要包括:(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,如船舶、港口;(3)鐵路和航空;(4)其他特殊領域,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、續航里程長。


    目前氫在海事、鐵路和航空領域的應用處于示范階段,主要用于輔助動力單元,而碳排放交易體系的不斷擴大為氫能在這些領域的應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,美國國防部聯合能源部啟動氫燃料電池應急救援車H2Rescue項目,基于氫燃料電池/鋰電池混合系統,開啟微電網搭建、供熱和供水一體化研究。


    中國首列氫燃料電池有軌電車 

    氫能應用于能源企業


    目前,全球氫能發電比例很小,約占總發電量的0.2%。隨著對能源行業深度脫碳要求的進一步提高,氫能應用于能源企業路徑主要有:

    • 氫為燃氣輪機或燃料電池提供燃料,作為備用電源或離網供電,為易停電和偏遠地區的關鍵設施(如醫院,通信基礎設施等)提供備用電源,成為電力系統的一個靈活性電源;

    • 氫轉化成氨,與煤粉共燃,降低傳統燃煤電廠的碳排放強度;

    • 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中使用氫或氫基燃料的目標,日本希望在2030年氫發電能力達到1GW,韓國氫路線圖設定目標是2022年電力行業中燃料電池裝機容量為1.5GW,2040年達到15GW。2020年2月,北美擬投資可再生能源-氫發電樞紐項目替代1800MW的Intennountain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538MW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電。




    氫能應用于建筑熱電聯供



    在住宅建筑領域,75%的傳統能源用于空間供暖、供熱。利用氫燃料電池為建筑、社區等供熱,并作為備用電源,與電力、熱力等能源品種實現互聯互補,提高能源利用效率。



    雖然與應用較多的供熱鍋爐相比,此模式優勢不夠明顯,但能夠將供熱方式從熱電廠集中供熱向分布式供熱轉變,可以解決熱力管網、電網等基礎設施建設的高額投資問題,是一種值得研究的發展思路。

    此外,在滿足供熱需求的同時,也可承擔部分負荷進行供電。如日本自2009年開始推廣家用燃料電池熱電聯供系統,普通家庭 40%~60% 的能源消耗可由此系統供給,商業化應用推廣較為成功。




    應用途徑分析




    為了實現《巴黎協定》中的目標,全球能源系統必須進行深刻的變革,可再生能源的低碳電力可能成為shou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脫碳的行業(如物流、工業用戶),各國政府正在逐步認識到可再生能源耦合氫能是實現零碳凈排放的重要選擇之一。


    (1)目前,90%的氫用作工業原料,但這部分氫大多來源于化石燃料,未來工業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。

     

    (2)氫能已經逐步用于交通運輸領域的城市用車、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,以及氫供應鏈基礎設施完善程度。但對于重型卡車或遠程運輸來說,氫能仍是該領域脫碳成本di的方法之一。

     

    (3)氫能主要作為清潔燃料為能源企業提供熱量和電力,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提供平衡和靈活性的方法更有競爭力。

     

    (4)而對于分布式供暖,氫能是少數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,以及氫氣利用現有天然氣管道輸送能力的提升。

     

    雖然氫能已經在能源系統中的許多領域得到應用,但氫能產業鏈中基礎設施較為薄弱,氫能供應鏈中制氫技術的成本問題,長距離、大容量儲運經濟安全問題及終端加氫設施成本等問題仍是目前亟須解決的。

    來源:國網能源研究院有限公司:蔣東方 賈躍龍 魯強 洪博文 神瑞寶 張巖;

    轉載來源:《氫能俱樂部》微信公眾號

                                                                            侵刪

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