氢能专家:王博士,长期从事氢能与燃料电池以及能源新技术战略规划的研究工作
北京冬奥会:“飞扬”火炬采用氢燃料,包括高压储氢容器、大减压比供氢系统以及氢燃烧装置;绿色氢交通服务,制氢、加氢站、燃料电池车、燃料电池无人机等。
碳中和政策给氢能设置了时间点,加速了氢能的发展,2060年前氢能肯定是要有重大突破。氢能有3大优势:发展氢能有利于实现大规模可再生能源的高比例消纳;有利于实现终端难减排领域的碳中和;有利于早日实现能源独立。氢能规划将成为双碳“1+N”政策体系中的一个,且发布速度较快;氢能将成为碳中和能源体系中的重要组成部分,将气、电、热等网络有机联系起来,构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系;国际氢能委员会估计到2050年全球终端能源的18%由氢能承担,2060年氢在我国终端能源体系中的占比至少20%,市场规模提升8-10倍。
总体情况:全球氢气产量7000万吨/年,天然气制氢占比48%、石油制氢30%、煤制氢18%、电解水制氢4%,主要应用于化工冶炼、合成氨等领域,逐步拓展到交通、分布式供能、家用热电联产、天然气部分替代、氢冶金等领域。
美国:分布式供能:利用天然气重整制取氢气,通过燃料电池发电
德国:利用可再生能源电解水制氢,将氢气掺入到天然气管道中
日本:燃料电池车和加氢站(目前燃料电池车近3000辆,加氢站有100多座);家用热电联产ENE-FARM(2018年累计装机超过30万台)
2006年-2014年,氢能技术推广阶段;
2014年-2019年,氢能技术产业化阶段
2019年首次写入《政府工作报告》;2020年写入《能源法》,明确了氢气的能源属性;国家发改委制氢氢能规划
制约因素:氢气和天然气属于危险化学品,爆炸极限比较宽泛,氢气安全是重中之重。氢气生产需要许可证(《危险化学品安全生产许可证》、《危险化学品经营许可证》、《工业产品生产许可证》、《气瓶充装许可证》)。氢气生产属于《国民经济行业分类》中的“2619其他基础化学原料制造”,要求进入化工园区,建议:推动氢能向能源品管理,发展制氢母站。
制氢:当前煤制氢为主,但不可持续且减排成本高,适合大规模制氢;电解水制氢发展潜力大,但是电价成为制约其应用的最大障碍。
运氢:国内以长管拖车为主,经济距离在200公里以内,8-10元/百公里,需要解决长距离运氢难题,液氢和管道输氢很有前景。国外2/3氢气是液氢运输;管道输氢可以借助天然气管道掺氢,百公里千克输氢成本在1元以下;国内年消费3000亿方天然气中掺混部分氢气可以笑纳大概300多万吨绿氢。截至2020年,全球共有40多个示范工程,每年有2900吨氢气掺入天然气管网,掺氢比例最高可达20%。欧洲35%在营或在建的可再生能源制氢项目用于天然气掺氢。
储氢:高压储氢为主;逐渐向液氢储存发展,是大规模氢能应用的方向。车载储氢瓶方面,国内是35MPa三型瓶为主,逐渐向70Mpa四型瓶过渡。
应用:氢能冶金、合成氨原材料、燃料电池车、家用热电联产等。
国内氢能仍有技术上的难点。国家科技部也设立了氢能独立研发专项,逐步攻克各个难点。
A:制氢和燃料电池应用、化工行业的应用等都有很多企业在突破,大规模的应用推广上的关键瓶颈还是在储运。推广液氢和输氢管道,实现氢气的大规模、长距离应用。2021年国家发布了3项液氢标准,国内头部企业在做。利用好已有的天然气管道掺氢来输氢,可以减低到成本1元/千克·百公里,可以掺氢比例20%。
其次,氢车和电车需要因地制宜。比如氢气稀缺的地区发展氢能是强人所难,未来如果储氢和运氢成本降低后可以大规模普及,两三年前电堆价格20000元/kw,现在甚至有报价2000元/kw的。高寒地区也适合发展氢车。无人机领域也是燃料电池的续航力会更强,续航是之前的1.5-2倍。氢能有自己的优势,而至于乘用车领域,氢车也不会轻易放弃乘用车领域,最终还是是看消费者的偏好。
A:至于氢储能,从两个方面理解:1)关键不在于效率,油车效率也很低,但是经济性很好,如果是储存比较容易储存的电可以用电池等方式,如果是储存比较难储存的氢气,虽然电-水-电效率低,但是经济性还不错,也可以发展。2)如果储存下来的氢气用途是“热+电”而不是只用“电”,则效率会很高;燃料电池热电联产的综合效率可以达到65%-95%,综合能效是很高的。氢气是和灵活的,氢气的应用方式有很多种,电、热等。
掺氢比例在10%以内时的管道安全管理和安全措施基本和天然气是一致的,燃气具的适用性也是可以的;掺氢比例达到40%以上时需要做重点安全问题关注;国家还需要相关标准的完善;从国家科技部立项和应用示范来看,标准的问题会得到解决。氢脆问题,只有在高压( 7Mpa以上)、高比例氢气容易发生,在使用低强度钢和低压强时氢脆不容易发生,而且现在很多管网开始使用塑料管网。
小规模的分离提纯技术是比较成熟的,在氢气掺混比例太低的情况下不建议使用分离提纯技术;掺混和提纯的成本1元/kg·百公里。
掺氢10%可以降低3%-4%的二氧化碳,掺氢20%可以降低8%的二氧化碳;也可以降低Nox的排放。
在天然气大规模普及之前使用的人工煤气中含有20%-50%的氢气,掺氢的使用不是新鲜事。天然气管网掺氢10%可以消纳300万吨绿氢。