“新能源+”氫的現(xiàn)狀與展望

左少林，張新亮

(1.上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海 200001；2.上海電力股份有限公司羅涇燃機(jī)發(fā)電廠，上海 200001)

0 引言

我國是當(dāng)今世界上最大的能源消費(fèi)國。2021年，我國原油進(jìn)口量為5.13億t，對外依存度為72 %，天然氣進(jìn)口量為1 675億m3，對外依存度高達(dá)接近45 %。雖然煤炭儲量豐富，但大量使用煤炭的同時(shí)也造成了大量二氧化碳的排放，二氧化碳是當(dāng)前溫室氣體的主要成分。對外能源依存度高，對內(nèi)使用煤炭造成大量溫室氣體排放，給我國可持續(xù)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。由此我國提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，這既體現(xiàn)了為實(shí)現(xiàn)應(yīng)對氣候變化《巴黎協(xié)定》確定的目標(biāo)作出的努力，還體現(xiàn)了中國對應(yīng)對全球氣候變化的堅(jiān)定承諾和重要貢獻(xiàn)。根據(jù)國際能源署報(bào)告，預(yù)計(jì)到2040年，全球能源需求將增長近30 %，天然氣需求在2030年之前將持續(xù)增加[1-2]，為解決日益增加的能源需求和減少碳排放這一矛盾問題，開發(fā)清潔、高效、安全和可持續(xù)的可再生能源迫在眉睫。

最新《全球能源展望報(bào)告》預(yù)計(jì)，從2020年到2050年，全球能源整體消耗量雖然增幅僅為14 %，但能源結(jié)構(gòu)卻大有變化。預(yù)計(jì)到2050年，電和氫能將占據(jù)整體能源消耗量的50 %[3]。但當(dāng)前我國各地不斷出現(xiàn)棄風(fēng)和棄光事件，2021年全年全國棄風(fēng)電量206.1億kWh，棄光電量67.8億kWh，如果能將丟棄的電量轉(zhuǎn)化為氫能加以存儲和利用，這將帶來具有巨大環(huán)境效益。下面從制氫方法歸納總結(jié)了當(dāng)前幾種制氫模式，并從幾種不同的儲氫方式的角度考慮，對未來氫能大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 “新能源+”制氫模式

“新能源+”制氫模式由兩部分組成，將新能源發(fā)電技術(shù)與電解水制氫技術(shù)結(jié)合，其結(jié)構(gòu)模式如圖1所示。

圖1 “新能源+”制氫模式

電解水制氫是目前比較成熟的制氫方式，但是需要考慮電解水制氫中電的來源問題。因?yàn)椴煌碾娔軄碓矗瑢Νh(huán)境造成不同的影響，目前根據(jù)不同的制氫的電能來源，將氫氣形象的加以顏色前綴，進(jìn)行區(qū)分，不僅生動形象而且便于理解記憶。如表1所示，就是根據(jù)制氫中不同的電能來源將氫氣進(jìn)行分類。

從表1中可以看到， 相比其他制氫模式而言，“新能源+”制氫(綠氫)是目前最節(jié)能環(huán)保的制氫模式，也是我國目前大力推廣的制氫模式，其利用棄風(fēng)和棄光的電能來電解水制造氫，不僅能將電能充分利用，而且能大大降低利用化石能源制氫的成本，“新能源+”制氫將是我國以后制氫的重點(diǎn)方向。

表1 不同電能制氫的種類

2 “新能源+”氫儲運(yùn)模式

2.1 氫氣儲存模式

氫氣的儲存模式目前主要有四種：高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物和固體吸附儲氫[9]，每種模式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)使用場合的不同，選擇恰當(dāng)?shù)膬Υ婺Ｊ接葹橹匾?/p>

當(dāng)前不同氫氣儲存模式所需要的價(jià)格成本如表2所示。

表2 當(dāng)前不同氫氣儲存模式所需要的價(jià)格成本單位：元/GJ

由表2可知，高壓氣態(tài)存儲成本適中，技術(shù)成熟，是目前主要的存儲方法，利用材料固體吸附，雖然成本很低，但技術(shù)難度較大，是以后發(fā)展的主要儲氫趨勢。

2.2 氫氣運(yùn)輸模式

氫氣的輸運(yùn)模式目前也種類較多，主要是根據(jù)運(yùn)輸質(zhì)量的多少來選擇哪種合適的方法，比如選擇鋼瓶運(yùn)輸，則一瓶質(zhì)量為0.5 kg，運(yùn)輸量較小，適用于對氫氣使用較少的用戶。如果要運(yùn)輸100 kg以上的氫氣，為節(jié)約成本，就要采用管道運(yùn)輸和長管拖車等。不同運(yùn)輸模式也有各自優(yōu)缺點(diǎn)，圖2為三種氫氣主要運(yùn)輸方式的成本與距離關(guān)系[10]。

圖2 三種氫氣主要運(yùn)輸方式的成本與距離變化關(guān)系

由圖中可以明顯看出，管道運(yùn)輸成本最低，氣瓶運(yùn)輸氫氣成本隨距離的增加顯著提高，在250 km以內(nèi)較長管拖車運(yùn)輸有優(yōu)勢，如果在管道運(yùn)輸條件不允許的情況下，距離超過250 km時(shí)，優(yōu)先使用長管拖車。表3是氫氣運(yùn)輸常用方式的對比指標(biāo)。

表3 氫氣運(yùn)輸常用方式的對比指標(biāo)

目前我國氫氣運(yùn)輸主要依賴于長管拖車，由表2可以看出，管道運(yùn)輸氫氣優(yōu)勢明顯，為滿足我國大規(guī)模的氫能使用，需要盡快解決氫能管道運(yùn)輸?shù)膯栴}[11]。

3 “新能源+”氫經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 太陽能發(fā)電制氫

太陽能發(fā)電制氫可以使用棄光電能和上網(wǎng)電能兩種形式的電能。如果使用的是前者，那么制氫成本僅為太陽能發(fā)電單晶板的使用折舊費(fèi)用和運(yùn)維人工費(fèi)用，其他附加費(fèi)用很低。如果使用的后者電能制氫，那么就存在上網(wǎng)電價(jià)的問題。隨著太陽發(fā)電單晶板的價(jià)格逐漸走低，氫能在社會中的推廣使用，國家政策補(bǔ)貼等一系列利好政策，太陽能發(fā)電制氫的成本有望進(jìn)一步減少。目前太陽能發(fā)電制氫發(fā)展的重點(diǎn)方向，一是固體聚合物電解質(zhì)電解水制綠色氫氣(solid polymer electrolyte，SPE)技術(shù)；二是高溫固體氧化物電解水制綠色氫氣(solid oxide electrolysers，SOE)技術(shù)，該兩種技術(shù)有望在加氫站中使用。當(dāng)前太陽能發(fā)電技術(shù)早已成熟，太陽能發(fā)電制氫也有了小規(guī)模運(yùn)用，因此成本已較為透明。使用太陽能發(fā)電制氫成本大約在22元/kg，使用棄光電量制氫成本大約在3元/kg。

3.2 風(fēng)力發(fā)電制氫

風(fēng)力發(fā)電制氫與太陽能發(fā)電制氫類似，兩者都屬于“綠氫”再造范疇，且技術(shù)已相對成熟。如果使用棄風(fēng)電量發(fā)電制氫，再加上國家政策補(bǔ)貼，“綠氫”成本可以進(jìn)一步降低，棄風(fēng)電量制氫在市場上有望形成強(qiáng)有力的競爭力。使用風(fēng)力發(fā)電電量單位制氫成本大約在22元/kg，使用棄風(fēng)電量制氫成本大約在2元/kg。

3.3 煤炭制氫

煤炭制氫是“藍(lán)氫”的一種，由于煤炭原料成本價(jià)格較低，能夠建造大型設(shè)備來大規(guī)模制造氫氣，一般產(chǎn)量規(guī)模不低于8萬m3/h,所以是當(dāng)前工業(yè)化大規(guī)模制造氫氣的主要方法。煤炭制氫技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，已經(jīng)被商品化，但是這種制氫過程比較復(fù)雜，制氫成本高，制備過程中產(chǎn)生的二氧化碳會造成溫室效應(yīng)。目前綜合國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)作的煤炭制氫項(xiàng)目，單位制氫成本大約在10元/kg。

3.4 天然氣制氫和甲醇制氫

天然氣制氫和甲醇制氫同樣，屬于“灰氫”，相對于煤炭制氫而言，天然氣制氫和甲醇制氫成本較低，適用產(chǎn)量規(guī)模大約在1 000～5 000 m3/h，兩者之間成本差距并不明顯，如果在制氫過程中使用碳捕獲、利用與封存(carbon capture，utilization and storage，CCUS)技術(shù)，單位制氫成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25元/kg。

3.5 工業(yè)副產(chǎn)氫

當(dāng)前社會上大規(guī)模廉價(jià)氫氣主要還是來源于工業(yè)副產(chǎn)氫，目前主要是通過提純的方法將氯堿和焦化工業(yè)的副產(chǎn)氫氣提純使用，最終的單位制氫成本大約為5元/kg。不同來源的氫經(jīng)濟(jì)性分析如表4所示。

表4 不同來源氫的經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)不同來源氫的經(jīng)濟(jì)性分析，“新能源+”氫經(jīng)濟(jì)最優(yōu)方案選擇當(dāng)屬利用棄風(fēng)、棄光制造氫氣，其次使用工業(yè)副產(chǎn)氫，鑒于當(dāng)前煤炭價(jià)格不平穩(wěn)，且在高位運(yùn)行，煤炭制氫方案成本較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

4 總結(jié)與建議

“新能源+”氫是目前國家大力發(fā)展的能源方向，不僅可以改善每年大量的棄光、棄風(fēng)問題，還可以大大降低制氫成本，但同時(shí)“新能源+”氫也存在很多問題，給出如下建議。

(1) 在制氫方面, 目前雖然生產(chǎn)模式很多，但可規(guī)模化、經(jīng)濟(jì)化的模式卻還不成熟，需要加大研發(fā)力度，進(jìn)一步降低制氫成本, 早日形成規(guī)模化生產(chǎn)，為國家“碳達(dá)峰、碳中和”助力。

(2) 在儲氫方面,需要盡快突破材料儲氫的技術(shù)瓶頸，只有儲存方面實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的前提下，氫能才能更貼近生活。

(3) 在氫氣輸運(yùn)方面,需要根據(jù)不同的使用場合，采用經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸工具，目前需要重點(diǎn)加大在管道運(yùn)輸技術(shù)上的研發(fā)。

(4) 在經(jīng)濟(jì)性方面，除了要充分利用好棄光、棄風(fēng)以節(jié)省制氫成本外，還要進(jìn)一步優(yōu)化儲氫、運(yùn)氫方法，從全產(chǎn)業(yè)鏈上降低用氫成本。