隨著雙碳和綠色理念的興起,近年來新能源汽車、光伏、風電、儲能等相關(guān)行業(yè)得到了市場和社會輿論的廣泛關(guān)注。盡管對于氫能的應(yīng)用還方興未艾,盡管氫能暫不如新能源汽車、光伏、風電等亮眼,但也在快速發(fā)展之中。
當前對于氫能的輿論理解,可能更多還在于氫能源汽車、氫燃料電池等應(yīng)用場景;但經(jīng)邏輯分析可以發(fā)現(xiàn),氫能更重要的應(yīng)用前景,實則在于儲能和節(jié)能。當前我國發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)勢在必行,但一大問題就是儲能,特別是長時儲能、跨月跨季節(jié)儲能。
通過“垃圾電”電解氫進行儲能
一是能解決“垃圾電”并網(wǎng)利用的問題;
二是能作為長時儲能的簡單方式;
三是作為長距離能源輸送的新途徑。
據(jù)國際氫能委員的報告顯示,今年 2 月以來,全球范圍內(nèi)啟動了 131 個大型氫能開發(fā)項目;預計到 2030 年,全球氫能領(lǐng)域的投資總額將達到 5000 億美元。另據(jù)世界能源理事會預計,到 2050 年氫能在全球終端能源消費量中的占比可高達25%。
目前全球約有9000萬噸的氫產(chǎn)量,幾乎全部用于從精煉產(chǎn)品中脫硫和煉油廠的重油改制等化工而非能源用途,但后續(xù)作為能源需求將是重要的增長點。而我國作為制造業(yè)大國目前氫產(chǎn)量也居全球首位,2021 年制氫產(chǎn)量約3300萬噸,同比增長32%。從生產(chǎn)結(jié)構(gòu)來看,2020年我國主要是煤制氫、天然氣制氫等化石原料轉(zhuǎn)制占比81%左右,工業(yè)副產(chǎn)制氫僅為18%左右, 電解水制氫僅占1%左右。
氫元素是地球上最為常見的元素,也是較容易制取的元素;同時還有密度小、易燃的物理化學特性。故而進入工業(yè)化時代以來對其應(yīng)用其實也開始較早;但從歷史來看,氫的應(yīng)用之所以不溫不火,主要是受其化學性質(zhì)影響、始終存在安全隱患。
20世紀初,隨著飛機的發(fā)明,人類對航空業(yè)的實際需求不斷增加;而飛艇成本低、續(xù)航力好、舒適性佳,是當時較為重要的一種航空工具。當時主流的充氣技術(shù)路徑主要是氦氣和氫氣。氦氣作為一種惰性氣體,安全性好,但其制取成本較高;而氫氣雖然容易制取,但易燃易爆,存在安全隱患。
如同當今處于新舊能源的轉(zhuǎn)換變革時代;當時作為航空業(yè)、飛艇制造業(yè)興起的時代,人類對于氫的應(yīng)用做了大量工程技術(shù)研究后,開始“自信”地認為氫的安全問題已得到較好解決,一批能跨洲際飛行的客運飛艇建造并投入商業(yè)運營。但1937年5月6日,從德國直飛美國的巨型飛艇“興登堡”號在新澤西州準備著陸時,因靜電或火花引燃氫氣而在短短32秒內(nèi)在空中焚毀。該事件后,氫的航空應(yīng)用告一段落。
軍工領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用往往較為超前,包括核能、計算機、衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等諸多當前較普及的民用項目最早也起源于軍事用途。對于氫能源汽車、氫燃料電池的民用場景盡管還相對較少,但在軍事領(lǐng)域已有多年應(yīng)用。主要是常規(guī)潛艇的不依賴空氣動力系統(tǒng)(AIP系統(tǒng)),該系統(tǒng)也有多種技術(shù)路線,包括斯特林發(fā)動機、閉式循環(huán)柴油機、閉式循環(huán)汽輪機和(氫)燃料電池。
德國AIP潛艇對于氫燃料電池的應(yīng)用相對較為成熟,但目前來看氫燃料電池路線只是少數(shù),并未被大多數(shù)建造AIP潛艇的國家采用(我國為斯特林發(fā)動機路線);除了成本和壽命,主要的問題就是安全性問題。
對于技術(shù)更為先進、性能要求更高,同時級別更大(更有條件和空間完善安全措施)的AIP潛艇,氫燃料電池的應(yīng)用尚不完全成熟。故而在民用領(lǐng)域,如何解決安全性問題,可能是今后氫能源汽車、氫燃料電池等直接面向個人消費端的應(yīng)用場景需要重點關(guān)注的領(lǐng)域。
氫能要想直接應(yīng)用于個人消費端,并有助于碳中和、碳達峰目標的實現(xiàn),一個是安全性問題;一個是目前的制氫模式需要改變,通過煤制氫、天然氣制氫等化石原料轉(zhuǎn)制,節(jié)能減排效果相對有限。
思路上,考慮到成本因素,氫能利用的較好模式,可能是通過光伏、風能、水電等產(chǎn)生的、原本利用率較低、利用較為困難的“垃圾電”來進行電解氫,然后以常溫高壓或低溫常壓等形式通過儲氫來進行儲能。一是能解決“垃圾電”并網(wǎng)利用的問題,二是儲氫能作為長時儲能的簡單方式,能夠較好解決當前的長時儲能瓶頸。
故而,站在國家能源安全的戰(zhàn)略高度來看,廢棄可再生能源制氫很可能成為我國制氫的主要發(fā)展方向?!稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃 (2021-2035 年)》將清潔低碳作為氫能發(fā)展的基本原則,提出構(gòu)建清潔化、低碳化、低成本的多元制氫體系,將發(fā)展重點放在可再生能源制氫,并提出嚴格控制化石能源制氫。以儲氫為媒介,可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷和儲能,明顯提高光伏、風能和水電等的利用效率。
故而國內(nèi)的可再生能源制氫項目正如火如荼地建設(shè)中。據(jù)《2022 中國電解水制氫產(chǎn)業(yè)藍皮書》,我國已有超過百個在建和規(guī)劃中的電解水制氫項目,涵蓋了石油、化工、鋼鐵和交通等多個領(lǐng)域。
在 2020 年之前,大型電解水制氫設(shè)備在大工業(yè)領(lǐng)域幾乎沒有涉及。2020 年以后,雙碳目標的提出極大推動了電解水制氫項目在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。近兩年以來,中國能建、國家電網(wǎng)、三峽集團、北京能源、深圳能源等央企/國企紛紛布局綠氫項目。
說到底,一是可提高“垃圾電”的利用效能,二是提供了長時儲能的解決辦法,三則是提供了長距離能源輸送的新途徑,有助于改善我國能源生產(chǎn)和消費地域不匹配的問題。
眾所周知,我國的能源消費更多地集中在長三角、珠三角等東南沿海地區(qū),而光伏、風能和水電等清潔可再生能源資源則大多數(shù)分布在中西部地區(qū),故而后續(xù)隨著技術(shù)迭代、經(jīng)濟性改善后,可在中西部地區(qū)通過儲氫的形式,如同油、煤等長距離運輸至東南沿海地區(qū),改善地區(qū)錯配問題。同時這種模式,主要在工業(yè)領(lǐng)域而非直面?zhèn)€人消費端,對于安全問題的把控應(yīng)也相對較好。
氫能的另一應(yīng)用領(lǐng)域就是節(jié)能、主要是工業(yè)節(jié)能。目前制氫幾乎全部用于從精煉產(chǎn)品中脫硫和煉油廠的重油改制等化工領(lǐng)域,而國際能源署、麥肯錫等機構(gòu)都認為后續(xù)氫能將有助于實現(xiàn)工業(yè)部門的深度脫碳,主要方式為應(yīng)用氫能革新型工藝。
氫氣直接還原鐵是氫能革新型工藝的典型代表,鐵礦石一般是含鐵氧化物,該工藝使用化學性質(zhì)比鐵元素更為活潑的氫元素作為還原劑、通過和含鐵氧化物中的氧結(jié)合生成水,將鐵礦石直接還原為海綿鐵,之后進入電爐煉鋼,從而節(jié)省了焦炭的使用、減少了因冶煉而帶來的能耗及二氧化碳排放。我國作為全球第一鋼鐵生產(chǎn)國,2021年粗鋼產(chǎn)量達10.33億噸,故而后續(xù)節(jié)能減排具有較好的應(yīng)用前景。
故而通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),盡管氫能的應(yīng)用在國內(nèi)還方興未艾,但潛力是較為明顯的。氫能提供了一種儲能和節(jié)能的新思路,既經(jīng)得起邏輯的推敲,目前來看也具有實際可行性。
原標題:淺析氫能的潛在儲能節(jié)能價值