氢能产业发展技术路径研究
Research on Technological Path of Hydrogen Energy Industry Development
编委: 蒋毅恒
收稿日期: 2019-08-23
Received: 2019-08-23
作者简介 About authors
曹蕃(1988—),男,博士,高级工程师,主要从事电厂环保和氢能方向的研究,caofan@cdt-kxjs.com; 。
陈坤洋(1986—),女,博士,高级工程师,主要从事燃煤烟气重金属协同脱除和氢能方向研究; 。
郭婷婷(1973—),女,博士,高级工程师,主要从事电厂污染物排放控制,新能源等方面的研究; 。
金绪良(1979—),男,硕士,正高级工程师,主要从事电厂化学,新能源等方面的研究; 。
王海刚(1980—),男,博士,高级工程师,主要从事电厂环保,新能源等方面的研究; 。
张 丽(1994—),女,硕士,工程师,主要从事电厂化学,新能源等方面的研究 。
关键词:
Keywords:
本文引用格式
曹蕃, 陈坤洋, 郭婷婷, 金绪良, 王海刚, 张丽.
CAO Fan, CHEN Kunyang, GUO Tingting, JIN Xuliang, WANG Haigang, ZHANG Li.
0 引言
部分发达国家已将发展氢能产业纳入国家发展战略。美国是氢能经济的倡导者,也是推动氢能发展的最重要国家之一。2002年11月美国能源部颁布了《国家氢能路线图》,对氢的制备、储运、转换以及应用等氢能技术进行了全面系统的阐述。迄今,美国政府已经颁布了一系列政策并启动了大型科研计划,以积极引导并努力实现化石能源经济逐渐向氢能经济过渡。德国在氢能方面的推广应用走在欧洲前列。2011年德国Greenpeace Energy等能源公司在德国建立6 MW风-氢示范项目[4]。此外,Audi公司于2013年在德国建成6 MW光伏-氢-甲烷项目(E-Gas项目),通过光伏发电制取氢气,再与二氧化碳重整制成甲烷,年产甲烷能力达到1 000 t。日本在氢能发展和利用方面同样走在世界前列[5,6]。2014年发布《氢能及燃料电池战略路线图》,明确了2025、2030和2040年三阶段发展目标。2017年,日本发布《氢能基本战略》,从氢能供应、氢能利用等方面提出了具体发展目标,计划2050年燃料电池汽车全面普及。
作为国家战略性新兴产业的重要组成部分,我国将加快推动氢能开发和产业应用。氢能已被列入《能源技术革命创新行动计划》等重大规划,并写入国务院《政府工作报告》。目前,我国氢能研究发展仍处于初步阶段,氢能产业链中各环节仍存在不少问题有待解决。例如制氢环节的电解槽,储氢环节的车载氢罐,加氢站环节的氢气压缩机、加氢机,燃料电池环节的双极板表面处理、膜电极喷涂设备等,均与国外有不少差距[7]。另外,适合我国能源状况的氢能发展道路仍有待探索。从我国能源结构和转型趋势上看,风电、光伏等可再生能源的发展十分迅速并将发挥越来越重要的作用,可再生能源与氢能的耦合发展将成为重要方向。另外,综合能源服务已经成为能源电力行业的热点。综合能源服务较之传统能源服务,更加注重用能的清洁低碳化和用户的能效提升。氢能具有清洁低碳的天然属性,同时可以实现电网与热网、气网、交通网等多类型能源网络互联,在未来综合能源服务园区的应用前景非常广阔。
本文首先分析制氢、储氢和用氢等领域各项技术的研究现状与发展前景,在此基础上提出适合我国国情的氢能发展技术路径,以期为氢能产业发展提供参考。
1 氢能产业链关键技术研究
1.1 制氢技术
氢气的制备方法种类繁多,常见的工业制氢方法主要包含以下几类。
(2)工业副产物制氢。主要包括炼油厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气中氢的回收利用等[12]。这些技术充分利用了工业副产物,工艺成熟,制氢成本低,成本在1.3~1.5元/m3。
(3)电解水制氢。电解水制氢也是传统的制氢方法之一,过程简单,无污染。由于电费占到运行费用的70%左右,单纯的电解水制氢工艺的经济性不高。不过,目前我国大力推进可再生能源发展,其消纳过程中产生的弃风、弃光等剩余电力为电解水制氢的发展创造了有利条件。电解水制氢已成为我国电力行业削峰填谷及弃电消纳问题的重要技术选择[13]。
常见的电解水制氢技术主要分为:碱性水电解、固体聚合物电解质(solid polymer electrolyte,SPE)以及固态氧化物电解质(solid oxide electrolyser cell,SOEC)电解水,三种技术对比见表1[14,15,16]。其中,碱性水电解技术已发展较为成熟;SPE电解水技术在国外开始商业应用,但在我国基本处于实验研发阶段;SOEC电解技术目前国内外均处于研发阶段。相对于碱性水电解,SPE电解水制氢设备具有更宽泛的运行功率范围及更短的启动时间,可实现高电流密度电解,功耗低,体积小,生成气体纯度高,容易实现高压化,更适用于可再生能源发电的波动性输入。因此,SPE电解水技术将是未来制氢技术的重要发展方向。
表1 电解水技术对比
Table 1
比较项目 | 碱性水电解 | SPE纯水电解 | 固体氧化物电解 |
电解质 | 20%~30% KOH | SPE膜 | Y2O3/ZrO2 |
工作温度/℃ | 70~90 | 70~80 | 700~1 000 |
电流密度/(A·cm-2) | 0.2~0.4 | 1~2 | 1~10 |
电解效率/% | 60~75 | 70~90 | 85~100 |
能耗/[(kW·h)·m-3] | 4.5~5.5 | 3.8~5.0 | 2.6~3.6 |
操作特征 | 启停较快 | 启停快 | 启停不便 |
动态响应能力 | 较强 | 强 | — |
电能质量要求 | 稳定电源 | 稳定或波动 | 稳定电源 |
系统运维 | 有腐蚀性液体,后期运维复杂,成本高 | 运维简单,成本低 | 目前以技术研究为主,尚无运维要求 |
电堆寿命/h | 120 000 | 100 000 | — |
技术成熟度 | 商业化 | 国外实现商业化 | 研发阶段 |
有无污染 | 碱液污染,石棉致癌 | 无污染 | 无污染 |
另外,近年来还出现了一些新型制氢技术,包括光催化制氢、核能热利用制氢和生物质制氢等。但目前这些技术均处于实验室研究阶段,距离工业应用比较遥远。
1.2 储氢技术
储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体材料储氢以及有机液体储氢,其技术对比见表2。
表2 储氢技术对比
Table 2
比较项目 | 高压气态储氢 | 低温液态储氢 | 固态材料储氢 | 有机液体储氢 |
单位质量储氢密度/% | 1.0~5.7 | 5.7~10 | 1.0~4.5 | 5.0~7.2 |
技术 | 采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里储存 | 将氢气在高压低温下液化,体积密度为气态时的845倍 | 利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用将氢气储存于固体材料中,不需要压力和低温环境。 | 不饱和有机液体在催化剂作用下进行加氢反应,生成稳定化合物,当需要氢气时再进行脱氢反应。 |
优点 | 成本较低,工艺成熟,充放氢速率快,能耗低,工作条件较宽 | 体积储氢密度高,液态氢纯度高,输送氢效率高 | 体积储氢密度高,操作安全方便,无需高压容器,氢气纯度高 | 储氢密度高,成本相对较低,安全性较高 |
缺点 | 体积储氢密度低,体积比容量小,存在泄漏或爆炸安全隐患。 | 液化过程耗能大,易挥发,成本高 | 质量储氢密度低,成本高,吸放氢有温度要求,抗杂质气体能力差 | 氢气纯度不高,可能发生副反应并产生杂质气体;成本较高,须配备加氢和脱氢装置;脱氢反应常在高温下进行,催化剂易结焦失活。 |
应用 | 目前发展最成熟,最常用技术,也是车用储氢主要采用的技术 | 主要应用于航空航天领域,适合超大功率商用车辆 | 未来重要发展方向 | 可利用传统石油设施进行运输和加注 |
高压气态储氢具有成本较低,工艺成熟的优点,比较适合在燃料电池汽车上应用,仍将是未来几年内主流的储氢技术。其中,日本丰田汽车公司在高压车用储氢容器方面走在世界前列,开发的塑料内胆全缠绕气瓶(Ⅳ型),可以实现70 MPa的高压密封储氢,储氢的质量密度达到5.7%(质量分数)。我国商用的高压车用储氢容器采用锻压铝合金为内胆,外面包覆碳纤维气瓶(Ⅲ型),35 MPa的储氢瓶已广泛应用于车载系统,但70 MPa高压气瓶尚无商业应用[17]。
低温液态储氢技术具有储氢密度高,输送氢效率高的优点,但储运成本较高。主要体现在:一是气态氢气液化压缩时需要消耗大量的能量,约是氢气本身能量的30%,能耗很高;二是液氢储存容器需要保证绝热并且耐高压,制作成本较高。目前,液态储氢已经在美国、日本等发达国家实现商业应用,但我国对液态储氢的规定比较严格,主要应用于航天领域,还不允许民用,未来的发展趋势难以预测。
1.3 氢能利用
氢气兼具储能、燃料和工业原料等多种属性,使得其在多种行业具有广阔的应用空间[21]。氢能利用模式可以抽象为以下几个方面。
(3)电能到燃料的转换(power to fuel)。电解制氢后,氢气以燃料电池的形式储存起来。在用户侧实施燃料电池车加氢和基于氢燃料电池的热电气综合系统,可促进电网削峰填谷,实现电网与热网、气网、交通网等多类型能源网络互联,推进能源综合高效利用和"清洁替代",提高电力在终端能源消费中占比,在新一代电力系统建设与全球能源互联网构建中发挥关键性作用[28]。其中,氢燃料电池汽车是氢能发展的先锋方向。与锂离子电池电动汽车相比,氢燃料电池汽车具有功率密度高、续航里程长和燃料加注快三方面优势,未来面向的市场是超大功率的重型车辆,有800 km以上续驶里程需求的长途车辆,以及可以24 h运营提升效益的商用车辆等。
总体来说,氢燃料电池汽车是当前我国氢能利用最受关注的方向,也是建设氢能社会和提高公众对氢能接受度的着手点[31]。然而,关于氢能在其他领域的利用也应同步开展研究和发展,例如天然气掺氢、氢在工业领域的清洁替代等,这对氢能产业发展和我国低碳化、清洁化进程的加速推进具有重要意义。
2 氢能发展技术路径
针对我国能源结构特点和能源转型趋势,结合氢能产业技术发展的成熟度,本文提出了两条氢能制备和利用的技术路径。
2.1 可再生能源耦合氢能发展技术路径
图1
图1
可再生能源耦合氢能发展技术路径图
Fig.1
Development roadmap of renewable energy coupling hydrogen energy
(1)弃风/弃光电解水制氢。电解水制氢的成本远高于煤气化和天然气裂解制氢等技术,用电成本占电解水制氢运行成本70%左右,若利用弃风/弃光电力制氢,制氢成本可控制在1.5元/m3左右(弃风/弃光电力协议价控制0.2元/(kW·h)以内[30]),初步具备与化石燃料制氢竞争的条件。虽然近几年我国风电/光伏平均弃电率呈明显下降趋势,但西北地区的弃风/弃光问题仍然比较严重,2018年新疆地区弃风率高达23%,甘肃地区的弃风率达到19%。另外,2020年后的风电/光伏平价上网政策也刺激了一大批风电/光伏项目的开工建设,电网建设跟不上风电/光伏的发展速度,未来风电/光伏发电的消纳难度不容忽视。因此,弃风/弃光电解水制氢不失为解决新能源消纳和高效利用的重要手段之一[35,36]。
风电/光伏等可再生能源电解水制氢技术应用的另一个难题是运输和应用问题。本文提出了四种可行的路径:
(1)燃料电池发电。采用气态储氢的形式暂时将氢气缓冲存储起来,然后利用燃料电池进行发电,可大幅度提高风/光电跟踪计划的准确性,实现电网-氢储能综合最优利用,提升供电品质。
(2)补给加氢站。当风电场附近有加氢站时,同样可以将氢气出售给加氢站,用于附近燃料电池汽车的补给。
2.2 综合能源服务园区耦合氢能发展技术路径
综合能源服务园区耦合氢能发展技术路径如图2所示。园区供能主要由分布式风电或光伏完成,电网无法消纳的风电或光伏发电用于电解制氢,储存下来的氢气可直接供应园区或附近的加氢站,满足氢燃料电池汽车的加氢需求。同时,可配置燃料电池系统,进行热电联供。尤其是高温燃料电池,例如固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池,热电联供效率更高,对燃料的适应性更好(可采用处理后的天然气或合成气)。目前,熔融碳酸盐燃料电池在美国、日本、德国、意大利、韩国等国家已经示范运行,功率容量达到兆瓦级以上[49,50,51]。日本推行ENE-FARM计划,在家用燃料电池热电联供系统上面的开发和市场化应用已经成熟,2018年固定式燃料电池出货量超过了300 MW。
图2
图2
综合能源服务园区耦合氢能发展技术路径图
Fig.2
Development roadmap of integrated energy system coupling hydrogen energy
另外一个园区热电联供的技术路径是以天然气掺氢为燃料的微型燃气轮机热电联供技术。与常规的天然气为燃料的燃气轮机相比,天然气掺氢混合燃料的燃气轮机可显著降低氮氧化物和二氧化碳等的排放,是未来绿色低碳发展的重点方向。研究结果表明,氢气掺混量在20%以下时,无需对燃气轮机进行较大的改造。2018年3月,三菱日立动力系统有限公司进行了使用30%氢燃料混合物的燃气轮机测试。测试结果证实,通过使用新开发的专有燃烧器来燃烧氢气-天然气混合气,可实现稳定燃烧。与常规天然气为燃料的燃气轮机相比,使用30%的氢气混合物,二氧化碳排放量可减少10%左右。
3 结论
本文介绍了制氢、储氢和用氢过程中的各种技术,总结了各种技术的发展现状和适用范围,并在此基础上,提出了适合我国国情的氢能发展技术路径,主要结论如下:
(1)在制氢环节,电解水制氢已成为我国电力行业削峰填谷及弃电消纳问题的重要技术选择,其中SPE电解水制氢技术更适用于可再生能源发电的波动性输入,是未来电解水技术重要的发展方向。在储氢环节,高压气态储氢仍将是未来几年内主流的储氢技术,但固态材料储氢技术凭借体积储氢密度高,操作安全方便等优点将成为未来储氢技术重要的发展方向。在用氢环节,氢燃料电池的应用是建设氢能社会和提高公众对氢能接受度的重要着手点,但为了氢能产业发展和我国低碳化、清洁化进程的加速推进,氢能在其他领域的利用也应引起重视。
(2)可再生能源耦合氢能发展的技术路径中,弃风/弃光电解水制氢和风电/光伏离网制氢是最具经济性和发展前景的制氢技术。可再生能源制备的氢气可以通过燃料电池发电促进可再生能源的消纳和并网,也可以就近供给附近的加氢站。当氢气外运不便时,可以就近转化为甲醇或采用天然气掺氢的方式外运。对于综合能源服务园区,电解制氢技术不仅可以提高园区风电光伏的消纳,还可以通过燃料电池或燃气轮机实现电网与热网、气网、交通网等多类型能源网络互联,在未来综合能源服务园区内的应用前景非常广阔。
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