氫能發(fā)展模式應(yīng)用

王恒

（青海廣恒新能源有限公司，青海 西寧810000）

氫能是潔凈的二次能源，具有能量密度大、容量大、壽命長、便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)[1]。針對新能源棄風(fēng)棄光嚴(yán)重，太陽能、風(fēng)能存在間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性特點(diǎn)，導(dǎo)致新能源發(fā)電在電網(wǎng)接入、電網(wǎng)調(diào)峰、電力輸送和綜合消納方面存在諸多瓶頸問題[2]。結(jié)合新能源發(fā)電實(shí)際，對氫能發(fā)展模式進(jìn)行研究[3]，既提升新能源發(fā)電的消納能力、實(shí)現(xiàn)跨季調(diào)峰，提高風(fēng)電系統(tǒng)的能源利用效率，降低發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本；還可生產(chǎn)出高質(zhì)量氫氣，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的全方位發(fā)展，實(shí)現(xiàn)太陽能、風(fēng)能資源的綜合利用[4]。

本文在介紹氫能各產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上，對氫能發(fā)展模式進(jìn)行討論。以低品質(zhì)風(fēng)電制備氫能為起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)氫能制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用全生命周期碳零排放，提高太陽能、風(fēng)能資源綜合效益。探索氫能發(fā)展模式是緩解能源污染，構(gòu)建安全高效、可持續(xù)現(xiàn)代能源體系的理想途徑。

1 氫能發(fā)展模式技術(shù)路線

1.1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈組成

氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游氫的制取、中游氫的儲(chǔ)運(yùn)、下游氫的應(yīng)用等環(huán)節(jié)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈如圖1 所示。

1.2 制氫

制氫主要通過煤炭、天然氣化石燃料制取氫氣，焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫化工副產(chǎn)物中提取氫氣，利用太陽能、風(fēng)能進(jìn)行電解水制氫和采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣。圖2 為氫能的來源，圖3為影響電解水制氫成本的因素。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈

圖2 氫氣的來源

分析可知：長遠(yuǎn)看采用電解水制取氫氣理論成本低，電費(fèi)成本占比達(dá)到70%～80%，用電成本決定電解水制氫成本，電解水制氫工藝需壓低電費(fèi)成本。資本成本、固定資產(chǎn)折舊和生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)等其他因素，則通過技術(shù)進(jìn)步、提升管理水平降低，整體占比較小且是長期過程。

圖3 影響電解水制氫成本因素

2.3 儲(chǔ)運(yùn)

氫氣液化溫度極低，自然界無游離態(tài)氫存在，易發(fā)生氫脆。氫氣高密度儲(chǔ)運(yùn)成亟待解決的難題，是影響氫能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[9]。圖4為高壓儲(chǔ)氫罐和低溫儲(chǔ)氫罐，表1和表2就4種氫能輸運(yùn)方式和儲(chǔ)存方式進(jìn)行對比。

圖4 高壓儲(chǔ)氫罐和低溫儲(chǔ)氫罐

分析可知：運(yùn)輸半徑在100～150 km 以內(nèi)，氣氫運(yùn)輸方式占據(jù)主導(dǎo)地位；隨著氫燃料電池汽車不斷推廣，車輛保有量快速提升，加氫站數(shù)量快速增長，液氫輸送成為更加經(jīng)濟(jì)的配送方式；當(dāng)輸氫規(guī)模巨大時(shí)，采用管道運(yùn)輸非常適合。氫能發(fā)展初期采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)；在氫能源發(fā)展中期，車載儲(chǔ)氫將以氣態(tài)、低溫液態(tài)為主，多種儲(chǔ)氫技術(shù)相互協(xié)同，氫能源儲(chǔ)運(yùn)以高壓、液態(tài)氫罐和管道輸運(yùn)相結(jié)合，針對不同市場和區(qū)域同步發(fā)展。遠(yuǎn)期氫氣管網(wǎng)將密布城市、鄉(xiāng)村，采用更高儲(chǔ)氫密度、更高安全性的儲(chǔ)氫技術(shù)。

2.4 氫能應(yīng)用

隨著科技進(jìn)步和氫能系統(tǒng)技術(shù)的全面進(jìn)展，氫能將被廣泛應(yīng)用，根據(jù)其主要應(yīng)用方面，氫能應(yīng)用從以下幾方面發(fā)展。

2.4.1 新能源與制氫耦合發(fā)展

新能源與制氫耦合發(fā)展是全球范圍內(nèi)研究重點(diǎn)，風(fēng)氫耦合發(fā)電為發(fā)達(dá)國家解決風(fēng)電上網(wǎng)“瓶頸”問題的重要手段。通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電上網(wǎng)與制氫電量比例，最大限度吸納風(fēng)電棄風(fēng)電量，緩解規(guī)?；L(fēng)電上網(wǎng)“瓶頸”問題，利用棄風(fēng)電量電解水制氫。通過制氫可實(shí)現(xiàn)電力大規(guī)?？缂竟?jié)調(diào)節(jié)成為可能，大幅提升電網(wǎng)靈活性水平。風(fēng)氫耦合發(fā)電即可開發(fā)尚未利用的風(fēng)能資源，將風(fēng)電全部用于制氫，然后供氫給下游產(chǎn)業(yè)，挖掘風(fēng)電增量建設(shè)空間，擴(kuò)大氫氣供應(yīng)量；又可針對已投運(yùn)的風(fēng)電項(xiàng)目，利用棄風(fēng)制氫，供氫給下游產(chǎn)業(yè)，解決消納問題，提高風(fēng)電上網(wǎng)電能品質(zhì)，提高收益，挖掘存量的消納空間，延伸綠色產(chǎn)業(yè)鏈條。風(fēng)氫耦合系統(tǒng)極大地推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

2.4.2 燃料電池

燃料電池裝置有助于實(shí)現(xiàn)氫能的移動(dòng)化、輕量化和大規(guī)模普及，可廣泛應(yīng)用在交通、工業(yè)、建筑、軍事等場景，圖5 所示為氫燃料電池為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)。

氫燃料電池技術(shù)不斷成熟，在逐步應(yīng)用于汽車、船舶、軌道交通等交通領(lǐng)域；固定式發(fā)電領(lǐng)域可作為建筑熱電聯(lián)供電源、移動(dòng)基站的備用電源。

2.4.3 燃料電池車

氫燃料電池系統(tǒng)較為復(fù)雜，但氫氣儲(chǔ)能密度較高，燃料電池生成物是水，其本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，沒有硫和微粒排出，氫燃料電池汽車是氫能最有希望的發(fā)展方向，圖6 為綜合能效對比，表3不同類型汽車比較。

表1 氫氣輸運(yùn)方式比較

表3 不同類型汽車比較

通過分析知：氫燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60%～80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3 倍，氫燃料電池車綜合能效（從一次能源到動(dòng)力）介于內(nèi)燃機(jī)車和電動(dòng)汽車之間，氫燃料電池車無污染排放、能效較高，相對于燃油汽車，有利于節(jié)能減排，相對于電動(dòng)汽車，其在續(xù)航里程和燃料補(bǔ)充速度上有優(yōu)勢，表4對商用車、乘用車參數(shù)進(jìn)行了對比。

通過分析可知：商用車與燃料電池乘用車相比，技術(shù)門檻較低，其電堆功率和儲(chǔ)氫瓶內(nèi)氫壓要求較低，依靠加裝儲(chǔ)氫瓶，可實(shí)現(xiàn)長續(xù)航里程。燃料電池成本高昂，若搭載于成乘用車上，很難獲得與其他動(dòng)力車型相近的成本競爭力。商用車空間相對較大，對燃料電池系統(tǒng)緊湊性要求低。針對燃料電池汽車面臨加氫基礎(chǔ)設(shè)施制約，商用車具有續(xù)航里程長的特點(diǎn)，固定用途、點(diǎn)對點(diǎn)移動(dòng)的長途商用車，只需定點(diǎn)建設(shè)少量加氫站，對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴就大為降低。對于氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，可以考慮優(yōu)先發(fā)展燃料電池汽車商用車。

圖5 氫燃料電池為核心的分布式能源網(wǎng)絡(luò)

圖6 綜合能效對比

表2 氫能儲(chǔ)存方式比較

2.4.4 燃料電池固定式發(fā)電

燃料電池固定式發(fā)電領(lǐng)域包括分布式電站、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)、備用電源等3 種應(yīng)用方向。分布式電站具有模塊化性能強(qiáng)、場景適應(yīng)性能好、可擴(kuò)展性能好優(yōu)勢可作為主電網(wǎng)補(bǔ)充，也可為偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行獨(dú)立發(fā)電。家庭與城市多采用1～5 kW 小型熱電聯(lián)供裝置，既可以天然氣為燃料，充分兼容現(xiàn)有公共設(shè)施；也可結(jié)合分布式光伏發(fā)電制氫打造零碳建筑。燃料電池備用電源產(chǎn)品具有能源效率高、環(huán)境友好、響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在通信、電力、醫(yī)療及公共事業(yè)部門。

2.4.5 富氫水

富氫水中溶入適量氫氣，是最好的抗氧化物，集高氫量、弱堿性、負(fù)電位、小份子水為一體，平衡身體酸堿度，可有效防止多種疾病。

3 綜合效益分析

充分利用無法消納的上網(wǎng)電量電解水制氫，多余的低成本電轉(zhuǎn)化價(jià)值較高的氫氣，提升系統(tǒng)產(chǎn)值，提高設(shè)備發(fā)電效率，削減新能源發(fā)電高峰時(shí)段調(diào)峰壓力，推進(jìn)新能源高比例供應(yīng)和消納。

氫氣是一種可再生能源，通過風(fēng)、光等新能源發(fā)電制氫，可節(jié)約大量煤炭或油氣資源，氫能產(chǎn)業(yè)鏈整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)零排放、零污染、可持續(xù)，體現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導(dǎo)向的高質(zhì)量發(fā)展要求，有利于環(huán)境保護(hù)，帶來較好的社會(huì)影響。通過開展氫能源相關(guān)項(xiàng)目研究，提升對新能源的消納和對氫能應(yīng)用能力，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級，挖掘氫能市場發(fā)展?jié)摿?，有力的促進(jìn)新能源規(guī)?；_發(fā)利用，對推動(dòng)能源革命。

4 結(jié)論和建議

本文綜述了氫能產(chǎn)業(yè)鏈中氫的制備、存貯和應(yīng)用，詳細(xì)闡述了通過利用新能源生產(chǎn)無法消納的“綠電”采用“電制氫”方式制備氫能、氫能全生命周期碳零排放的應(yīng)用，避免能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導(dǎo)向的純綠色能源發(fā)展需求。大量的研究表明，氫能在未來的新能源發(fā)展中將擁有巨大的應(yīng)用潛力，進(jìn)一步研究氫能發(fā)展模式中設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)以及工程示范等對能源的發(fā)展具有重要意義。氫能的發(fā)展還存在諸多的問題，為使氫能穩(wěn)定發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議：

采用“電制氫”方式制取氫氣，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)業(yè)孵化與扶持，最終形成和確立全生命周期的零碳?xì)淠芄┙o體系。

穩(wěn)妥有序推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，統(tǒng)籌先進(jìn)技術(shù)和裝備引進(jìn)、吸收與市場拓展，發(fā)展跨區(qū)域、跨產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，協(xié)同推進(jìn)氫能發(fā)展。

表4 商用車、乘用車使用參數(shù)對比

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)處于探索階段，以氫能源公交車為先導(dǎo)，逐步拓展氫能在燃料電池等領(lǐng)域的應(yīng)用，延伸綠色產(chǎn)業(yè)鏈條；考慮商用車電動(dòng)化仍面臨技術(shù)瓶頸，建議將中重型商用車和模塊化燃料電池作為氫能商業(yè)化推廣突破口，待規(guī)?；杀敬蠓档秃筮m時(shí)在乘用車領(lǐng)域推廣，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展引入增量降本的良性循環(huán)。

盡快制定氫能源發(fā)展規(guī)劃。在充分、積極調(diào)研國內(nèi)外氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃基礎(chǔ)上，分析發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。對氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展方向、重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域等重點(diǎn)研究，出臺(tái)更加細(xì)化、分時(shí)間節(jié)點(diǎn)的氫能發(fā)展頂層設(shè)計(jì)，充分把握氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展黃金期，制定氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和路徑提供明確的專門指導(dǎo)。

加大氫能相關(guān)的研發(fā)投入和優(yōu)惠扶持。設(shè)立專項(xiàng)資金，鼓勵(lì)氫能等綠色能源的研發(fā)，使用獎(jiǎng)勵(lì)政策，增加政府高校研發(fā)合作項(xiàng)目，加強(qiáng)氫能高層次人才引進(jìn)培養(yǎng)，規(guī)劃建設(shè)國家級氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)。