氫能4大應用前景
氫能的開發(fā)利用是更快實現(xiàn)碳中和目標、保障國家能源安全、實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。氫能目前主要應用在能源、鋼鐵冶金、石油化工等領域,隨著頂層政策設計和氫能產(chǎn)業(yè)技術的快速發(fā)展,氫能的應用領域?qū)⒊尸F(xiàn)多元化拓展,在儲能、燃料、化工、鋼鐵冶金等領域應用必將越來越廣泛。
①氫儲能
我國可再生能源資源豐富,應大力開發(fā)風能、太陽能光伏發(fā)電,實現(xiàn)可再生能源到氫能的轉(zhuǎn)化。但風電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機性,影響了其并網(wǎng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性,同時也削弱了電力系統(tǒng)的調(diào)峰力度。
利用風電和光伏發(fā)電制取綠氫,不僅可以有效利用棄風、棄光,而且還可以降低制氫成本;既提高了電網(wǎng)靈活性,又促進了可再生能源消納。此外,氫能亦可作為能源互聯(lián)網(wǎng)的樞紐,將可再生能源與電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng)連為一體,加速能源轉(zhuǎn)型進程。
②氫燃料
氫能可以作為終端能源應用于電力行業(yè),通過氫燃料電池將化學能轉(zhuǎn)化成電能,或者通過燃氣輪機將化學能轉(zhuǎn)化為動能。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、零碳排放等優(yōu)點,主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池兩大類。
質(zhì)子交換膜燃料電池
主要由膜電極、雙極板、電解質(zhì)和外部電路等組成,具有工作溫度低、啟動快、功率范圍寬、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢,在汽車動力電源領域發(fā)展迅速。
作為燃料電池和電解槽的關鍵組件,質(zhì)子交換膜需要具備質(zhì)子傳導電阻小、電流密度大、機械強度高等特點,此類膜的局限性在于其易發(fā)生化學降解,溫度升高使質(zhì)子傳導性能變差,成本也較高。
固體氧化物燃料電池
是全固態(tài)發(fā)電裝置,由陽極、陰極、電解質(zhì)、密封材料以及連結材料等組成。其中,電解質(zhì)決定了其工作溫度和功率,是核心部件。雖受限于600~1000 ℃的高工作溫度和低啟動速度,但因其燃料選擇范圍廣、能量轉(zhuǎn)化效率高、無需催化劑等優(yōu)點擁有廣闊的發(fā)展前景。
氫燃氣輪機
燃氣輪機是將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為動能的內(nèi)燃式動力機械,是發(fā)電和船艦領域的核心裝備。較之于燃煤發(fā)電機組,燃氣輪機具有發(fā)電效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運行調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點。目前,燃氣輪機電站發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的23.1%。
在這方面我國與國外差距較大,需要加強政策扶持力度、深化科研攻關,盡早為氫能燃氣輪機國產(chǎn)化進程鋪平道路。
③氫化工原料
目前全球約55%的氫需求用于氨合成,25%用于煉油廠加氫生產(chǎn),10%用于甲醇生產(chǎn),10%用于其他行業(yè)。隨著我國科技、工業(yè)水平的不斷發(fā)展,在石油煉制等石化領域?qū)絹碓蕉嗟赜玫郊託浼夹g。
石油化工加氫
石油化工中用到的加氫技術主要包括重油加氫裂化生產(chǎn)芳烴及乙烯、渣油加氫脫硫生產(chǎn)超低硫燃料、劣質(zhì)催化柴油及汽油加氫轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高辛烷值汽油、C3餾分加氫脫丙炔與丙二烯、重質(zhì)芳烴加氫脫烷基、苯加氫制環(huán)己烷等。
合成化工產(chǎn)品
氫用作原料合成化工產(chǎn)品,例如氨、尿素等。氨主要是通過哈伯—博施法合成獲得,具有比氫更高的能量密度,可用于儲存能量和發(fā)電,并且完全不會排放二氧化碳。
氨可以在室溫和10 atm下作為液體儲存,適合于運輸。此外,還有完善的運輸和處理液氨的基礎設施,便于氨的規(guī)模利用。氨還可以與CO2結合得到尿素,既是一種重要的氮肥也是一種可持續(xù)的氫載體,它穩(wěn)定、無毒、對環(huán)境無害且更易于儲存。
合成燃料
氫氣同樣可以通過與二氧化碳反應合成簡單的含碳化合物,如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運輸、能量密度高、不易爆炸,并且作為液態(tài)燃料實質(zhì)上可以達成零碳排放,是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運輸模式。
④氫還原劑
鋼鐵冶煉過程中,采用焦炭作為鐵礦的還原劑,會產(chǎn)生大量的碳排放及多種有害氣體。鋼鐵冶金作為我國第二大碳排放來源,亟待發(fā)展深度脫碳工藝。用氫氣代替焦炭作為還原劑,反應產(chǎn)物為水,可以大幅度降低碳排放量,促進清潔型冶金轉(zhuǎn)型。
目前國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)也發(fā)布了氫冶金規(guī)劃,建設示范工程并投產(chǎn),在“雙碳”目標的背景下,發(fā)展氫能煉鋼已迫在眉睫。在實際生產(chǎn)中,最適合煉鋼的是綠氫,若綠氫生產(chǎn)成本得以降低,則可加快綠色冶金的推進,最終所獲得的環(huán)保效益會覆蓋其額外成本。利用氫能進行鋼鐵冶金是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)深度脫碳目標的必行之路。
氫能發(fā)展面臨的6大挑戰(zhàn)
目前全球氫能行業(yè)總體處于發(fā)展初期,在終端能源消費量中占比仍然很低。盡管目前開展氫能行業(yè)布局國家的合計經(jīng)濟總量已占據(jù)全球的75%,但受限于多方面的制約因素,氫能行業(yè)尚未形成全產(chǎn)業(yè)鏈與合力,未能全面推動生產(chǎn)生活進步,其原因主要如下:
①氫能關鍵材料及設備零部件要求苛刻、工藝復雜、成本高昂,并且不同國家、不同部門之間的技術差距明顯。尤其對于我國來說,一些關鍵技術仍然被國外所壟斷。
②電解水制氫技術是實現(xiàn)綠氫大規(guī)模生產(chǎn)的最有希望的途徑,但其成本過高,主要由電價導致,短期仍無法完全替代碳排放量較高的化石燃料制氫。
③受限于我國可再生能源資源的分布狀況,制氫端與用氫端往往存在著較大的時間和空間錯位性,尚未形成完善的氫氣存儲和輸運網(wǎng)絡渠道。
④較之于石化能源產(chǎn)業(yè),氫能屬于新興能源,目前缺乏相應基礎設施整體布局。因此,目前氫能全產(chǎn)業(yè)鏈體系上下游難以形成有效聯(lián)動,尚未健全。
⑤當前用氫端需求關注方向過于單一,主要集中在氫燃料電池及其交通載具方面,目前成熟度偏低、規(guī)模不大,需求尚未得到全面開發(fā)。
⑥氫能技術標準不完善,涉及氫品質(zhì)、儲運、加氫站和安全等內(nèi)容的技術標準較少,急需一套健全的國際、國家或行業(yè)標準,以此來規(guī)范氫能行業(yè)市場健康發(fā)展。
氫能未來3大發(fā)展趨勢
與當前構建天然氣工業(yè)一樣,我國正在構建制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等氫氣能源工業(yè)體系。針對氫能行業(yè)在技術、經(jīng)濟性及布局規(guī)劃上的挑戰(zhàn),結合產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié),氫能未來發(fā)展主要有以下3大趨勢:
①在制取氫方面,通過電力成本與設備成本的協(xié)同降低,方可體現(xiàn)綠氫的經(jīng)濟優(yōu)勢。較之于日本、韓國等國家,我國幅員遼闊,具有廣闊的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域資源,可以提供豐富的太陽能、風能、潮汐能等可再生能源資源,在發(fā)展綠氫方面具有先天優(yōu)勢,可以加快實現(xiàn)“氫能中國”戰(zhàn)略。
②在儲運氫方面,氫的長距離儲運將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主,中短距離要以如氨等多種儲運技術結合,并因地制宜地發(fā)展。隨著制氫端的技術突破,通過輸氫網(wǎng)絡交聯(lián),在氫能的下游如工業(yè)、交通和建筑等領域大規(guī)模普及,綠色“氫經(jīng)濟”的概念將轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實。
③在應用氫方面,隨著行業(yè)聚焦與技術發(fā)展,期待很高的是氫燃料電池,帶動交通領域應用的變革。在各類需要用氫的化工領域,如煉油、合成氨、甲醇生產(chǎn)以及煉鋼行業(yè),綠氫將逐步取代灰氫。在其他諸多傳統(tǒng)能源密集型產(chǎn)業(yè),氫能也將代替化石能源作為能量載體進行供能。在建筑領域,采用綠色氫能的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),也是節(jié)能減排的重要方式。同時,更多的氫能應用場景將得以逐漸開發(fā)。
原標題:氫能發(fā)展3大趨勢、4大前景、6大挑戰(zhàn)