氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應用前景詳解
前言
氫能的開發(fā)利用是應對全球氣候變化，保障國家能源安全，實現(xiàn)低碳轉型的重要途徑之一。對比了氫儲能技術與當前主要儲能技術的關鍵性參數(shù)，結果顯示氫儲能技術具有整體性系統(tǒng)優(yōu)勢；探討了氫能在未來綜合能源系統(tǒng)中工業(yè)用戶、交通運輸、建筑熱電聯(lián)供、能源企業(yè)潛在的應用途徑及未來關鍵技術節(jié)點；給出了對中國氫能發(fā)展的啟示。為氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應用提供參考。
引言
隨著能源體制變革、技術發(fā)展、系統(tǒng)形態(tài)升級，能源服務形態(tài)呈現(xiàn)出新的特點。綜合能源服務能夠滿足用戶多元化需求、拓展企業(yè)盈利空間、提升社會整體能效[1-2]。大規(guī)模儲能技術是綜合能源系統(tǒng)中實現(xiàn)“心臟”功能的直接工具，能夠在綜合能源系統(tǒng)中發(fā)揮緩沖器、聚合器和穩(wěn)定器的作用[3-4]，而氫能作為一種清潔、高效、易規(guī)模化的能源儲存與轉化技術，已廣泛應用合成氨和冶煉廠加氫等大規(guī)模工業(yè)中[5-7]。
近年來，受能源政策、市場以及相關氫能利用技術的驅動，氫能為綜合能源系統(tǒng)中難以實現(xiàn)電氣化的行業(yè)和應用提供了更多可行和適用的選擇[8-9]。截至 2019 年底，50 多個國家制定了相關政策激勵措施來支持氫能在能源系統(tǒng)中的應用研究[2]。文獻 [10-12] 針對氫儲能系統(tǒng)的關鍵技術進行了總結，對比了電解制氫與其他制氫技術的成本，并基于燃氣輪機或燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）技術討論了氫儲能系統(tǒng)在能源電力行業(yè)中的應用。文獻 [13-15] 探討了氫作為能源載體的作用以及氫能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，預計 到 2050 年，全球最終能源需求 的18% 可以通過氫氣滿足，這一數(shù)量相當于 78 EJ， 相應 CO2 減排潛力為 6 Gt/年。文獻 [16-17] 綜合分析了氫能在日本和德國未來能源系統(tǒng)中的作用，對比了不同氫供應鏈條件下的溫室氣體排放強度，指出了未來潛在的清潔氫能供應國。在未來能源系統(tǒng)框架中，日本氫能源主要用于發(fā)電，較小比例用于交通運輸和工業(yè)領域，而德國主要用于交通運輸，較少用于發(fā)電和工業(yè)領域。文獻 [18-19]以氫能在綜合能源系統(tǒng)中 35 個應用案例為研究對象，對 40 種氫氣生產(chǎn)和分配技術進行了建模分析，探討了氫能價值鏈的成本動態(tài)以及各環(huán)節(jié)間的相互關系，給出了氫產(chǎn)業(yè)鏈的整體架構，預計到 2030 年，氫能價格低至 1.8 美元/kg，將占據(jù)15% 的全球能源需求份額。
能源系統(tǒng)的深度脫碳需求、整合大量波動性可再生能源并網(wǎng)都將成為氫能快速發(fā)展的驅動力，研究氫能在未來能源系統(tǒng)中的應用前景意義重大。首先比較了氫儲能與其他儲能方式的技術特點及關鍵參數(shù)，分析了氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應用途徑及進展，指出了未來氫能應用的關鍵節(jié)點，并給出了對國內氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示。
1 氫儲能與常規(guī)儲能系統(tǒng)比較
1.1 常規(guī)儲能技術
儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）具有以電荷形式存儲電能并在需要能量時允許放電的能力。隨著技術的不斷發(fā)展，能量儲存方式多種多樣，常見的機械儲能方式有抽水蓄能（pumped hydro storage，PHS）、壓縮空氣儲能（compressed air energy storage，CAES）、飛輪儲能（flywheel energy storage，F(xiàn)ES）[20] 等；電磁儲能有超級電容儲能（ supercapacitors， Super-C）、超導儲能（superconducting magnetic energy storage，SMES）等；電化學儲能主要指電池儲能系統(tǒng)，包括鉛酸電池、鎳鉻電池（ nickel cadmium battery, NiCd）、鋰離子電池（lithium ion, Li-ion）、鈉硫電池（sodium sulphur battery，NaS）等；相變儲能主要指熱儲能（thermal energy storage，TES），目前研究較多是采用熔鹽儲能；化學儲能 3 個常見途徑是氫氣、氨和合成氣，其中氫儲能（Hydrogen）最具吸引力的能量儲存方式之一。
1.2 儲能技術比較
1.2.1 技術成熟度
常見 ESS 的技術成熟度如圖 1 所示。大規(guī)模儲能技術中 PHS、CAES 的技術相對成熟，但兩者均依賴特殊的地址條件，其大規(guī)模發(fā)展受到制約，但由于其啟停靈活、反應迅速，具有調峰填谷、緊急備用和黑啟動等功能，國家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司仍相繼投建數(shù)座 PHS。為了提高效率、更好地調整電網(wǎng)頻率，研究人員正在開發(fā)變速渦輪機。現(xiàn)有超過 180 GW 的 PHS 存儲容量，80% 位于歐洲、中國、日本和美國。其他較為成熟的是電池儲能系統(tǒng)，由于原材料市場供應充足、技術進步較快，成本進一步降低，電池儲能系統(tǒng)將進一步發(fā)展。近期，太平洋天然氣和電力公司（PG&E）的 Elkhorn 電池儲能項目（182 MW/730 MW·h）已獲批準，未來將為全球知名的科技中心硅谷供電。隨著氫利用技術的發(fā)展和進一步成熟，以及可再生能源的氫供應成本下降，人們已認識到氫能可在未來清潔、安全的能源系統(tǒng)中發(fā)揮更關鍵的作用，技術成熟度上升較快，呈現(xiàn)規(guī)模性效應[21]。
1.2.2 系統(tǒng)效率及壽命
圖 2 為 常 見 ESS 的系統(tǒng)效率和運行壽命比較。ESS 循環(huán)效率最高的是 SMES，它將電流儲存在由電流流過超導線圈產(chǎn)生的磁場中，由于超導線圈沒有電阻，損耗幾乎為零，僅有附屬電力設備如交流/直流轉換器造成的 2%~3% 的損耗[22]。FES 和 Li-ion 的系統(tǒng)效率也較高。ESS 的能量損耗主要來源于不同組件之間的能量傳遞過程，通過調節(jié)充電和放電過程中的能量損耗，可以提高 ESS的效率。機械儲能方式中 PHS 和 CAES 的使用壽命最長，分別為 40~80 年和 25~60 年。電池儲能系統(tǒng)隨著工作時間的延長，電池的化學性能變差，使用壽命相對較短，大多低于 20 年。氫儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率 為 35%~55%[ 2 0 , 2 3 ]，低于常 規(guī)ESS，其主要受氫價值鏈中采用不同技術路徑的影響，如汽車中氫燃料電池效率約為 60%，而通過內燃機的效率約為 20%，綜合考慮氫能的價值鏈，氫儲能的壽命為 15~50 年[24]。
1.2.3 系統(tǒng)響應時間及投資成本
圖 3 為 常 見 ESS 的響應時間與投資成本比較。由圖 3 可知，SMES、FES 和 Super-C 的單位投資成本低于其他儲能技術，鑒于它們的快速響應時間，通常用于短期能量儲存[5, 22]。在已開發(fā)的技術中，SMES 的單位投資成本最低，響應時間最短[22-24]。電池儲能單位成本相對較高。氫儲能系統(tǒng)投資成本適中，為 1500~2400 美元/kW[25]。響應時間在可接受的分鐘級范圍內，其系統(tǒng)成本及響應時間同樣受氫價值鏈中采用不同技術路徑的影響。
2 氫能在綜合能源系統(tǒng)中應用路徑
氫可以直接以純凈形式使用，或作為合成液態(tài)或氣態(tài)氫基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源載體（氨）的基礎。目前大多數(shù)氫氣用于工業(yè)領域，直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質熱源，有效減少碳排放，其中煉油廠、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)消耗氫氣比例分別為 33%、27%、11%，另外 3% 的氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)[18]。長遠來看，氫能可以廣泛用于能源企業(yè)、交通運輸、工業(yè)用戶、商業(yè)建筑[17-19] 等領域，如圖 4 所示。既可以通過燃料電池技術應用于汽車、軌道交通、船舶等領域，降低長距離高負荷交通對石油和天然氣的依賴；還可以利用燃氣輪機技術、燃料電池技術應用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供暖供電。表 1 列出了部分典型氫能利用案例。
2.1 氫能應用于工業(yè)用戶
目前，工業(yè)用戶中的氫幾乎完全來自天然氣、煤炭和石油的大規(guī)模制氫，對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，采用可再生能源發(fā)電制氫耦合工業(yè)用戶，既可以提供無碳氫，又可以提供可再生電力，避免化石燃料的碳排放問題。氫用于工業(yè)用戶中的途徑有：（1）煉油，加氫處理和加氫裂化去除雜質，提高中間餾分油的精收效率；（ 2） 化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工業(yè)原料和燃料；（3）鋼鐵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐及堿性氧氣轉爐系統(tǒng)中常用的焦炭和天然氣[2, 17]。
基于氫的合成燃料儲存更容易，可利用現(xiàn)有的基礎設施輸送，為海事、鐵路、航空提供可靠的清潔燃料。2019 年 11 月，德國蒂森克虜伯鋼鐵集團正式注入杜伊斯堡 9 號高爐；奧地利林茨奧鋼聯(lián)鋼廠 6 MW 電解制氫裝置投產(chǎn)，開啟了氫能冶金時代。中國寶武鋼鐵、鞍鋼、酒鋼等均開始可再生能源制氫-氫能冶金立項，探尋循環(huán)經(jīng)濟的可行性。
2.2 氫能應用于交通運輸
長期以來，氫作為潛在的交通燃料，被視為石油和天然氣的清潔替代品。氫動力系統(tǒng)因其零碳排放和廣泛的適應性有望成為交通運輸部門實現(xiàn)快速減排的少數(shù)選擇之一，這依賴于燃料電池技術的發(fā)展，常見燃料電池包括：質子交換膜電池（ proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、熔融碳酸鹽電池（molten carbonate fuel cell，MCDC）和固體氧化物電池（solid oxide fuel cell，SOFC），綜合考慮工作溫度、催化劑穩(wěn)定性、電效率、比功率/功率密度等指標，最常用于交通運輸行業(yè)的是 PEMFC。目前氫能燃料電池用于交通運輸領域主要包括：（1）道路運輸，如小型汽車、公共汽車、卡車和其他貨車；（2）海事行業(yè)，如船舶、港口；（3）鐵路和航空；（4）其他特殊領域，如救援車輛、深海裝備等。
相比于純電動汽車，氫燃料電池汽車、卡車及叉車的燃料加注時間短、續(xù)航里程長，但氫燃料汽車的綜合能量利用效率僅為 25% 左右，雖然高于傳統(tǒng)合成燃料內燃機汽車的 15%，但遠低于純電動汽車約 70% 的綜合能量利用效率，研究表明當燃料電池成本為 75~100 美元/kW 時，氫燃料電池汽車可以在續(xù)航里程為 400~500 km 內與純電動汽車競爭，氫燃料電池汽車對于有更高里程要求的消費者更有吸引力[17-18]。目前氫在海事、鐵路和航空領域的應用處于示范階段，主要用于輔助動力單元，而歐洲碳排放交易體系的不斷擴大為氫能在這些領域的應用提供了潛在的空間。2019 年 11 月，中國首列氫燃料電池有軌電車在佛山投運。2020 年 1 月，美國國防部聯(lián)合能源部啟動氫燃料電池應急救援車 H2Rescue 項目，基于氫燃料電池/鋰電池混合系統(tǒng)，開啟微電網(wǎng)搭建、供熱和供水一體化研究。
2.3 氫能應用于能源企業(yè)
目前，全球氫能發(fā)電比例很小，約占總發(fā)電量的 0.2%。隨著對能源行業(yè)深度脫碳要求的進一步提高，氫能應用于能源企業(yè)路徑主要有：（1）氫為燃氣輪機或燃料電池提供燃料，作為備用電源或離網(wǎng)供電，為易停電和偏遠地區(qū)的關鍵設施（如醫(yī)院，通信基礎設施等）提供備用電源，成為電力系統(tǒng)的一個靈活性電源；（2）氫轉化成氨，與煤粉共燃，降低傳統(tǒng)燃煤電廠的碳排放強度；（3）氫以壓縮氣體、氨或合成甲烷的方式儲存，平衡電力需求和可再生能源的間歇性波動。
日本和韓國均明確了在能源企業(yè)中使用氫或氫基燃料的目標，日本希望在 2030 年氫發(fā)電能力達到 1 GW，韓國氫路線圖設定目標是 2022 年電力行業(yè)中燃料電池裝機容量為 1.5 GW，2040 年達到 15 GW[17]。2020 年 2 月，北美擬投資可再生能源-氫發(fā)電樞紐項目替代 1800 MW 的 Intermountain燃煤電站，為南加州提供可靠的清潔能源，從2025 年開始，每年春、秋兩季將有 538 MW 可再生能源用來制氫，可再生能源制氫成本可能低至1.5~2.9 美元/kg，氫氣將儲存在地下鹽洞，通過100% 氫燃料的燃氣輪機進行發(fā)電[19]。
2.4 氫能應用于建筑熱電聯(lián)供
在住宅建筑領域，75% 的傳統(tǒng)能源用于空間供暖、熱水和烹飪。氫可與天然氣混合（氫氣摻混比例為 0~20%），通過基于燃氣輪機或燃料電池的 CHP 技術，利用現(xiàn)有建筑和能源網(wǎng)絡基礎設施提供靈活性和連續(xù)性的熱能、電力供應，從而取代化石燃料 CHP。
基于燃氣輪機的 CHP 可通過布雷頓-朗肯循環(huán)來實現(xiàn)熱、電聯(lián)供，氫氣通過高溫燃氣輪機進行燃燒，推動燃氣輪機發(fā)電，燃燒形成的高溫蒸汽通過余熱鍋爐吸收產(chǎn)生蒸汽，推動小汽輪機發(fā)電，汽輪機排汽作為熱源提供熱量，整體循環(huán)效率可達 55%。日本某微型氫燃氣輪機已成功向社區(qū)供應 2.8 W 熱能和 1.1 MW 電力[18]。
基于燃料電池的 CHP 最常用的是 PEMFC 和SOFC 技術。CHP 中的 2 種類型的電池都可以由熱或電功率驅動，并且由于其緊湊的尺寸可以部署為微型 CHP。它們既可以直接用氫氣作為燃料，也可以用天然氣或沼氣作為燃料，而在裝置內部轉化為氫氣。如果產(chǎn)生的熱量具有足夠高的溫度，則該系統(tǒng)還可以通過吸附（三聯(lián)產(chǎn)）提供冷卻，整體運行效率可達 60%。“Ene-Farm”項 目 從 2009 年開始，已相繼投 入 30 多萬套微 型CHP 單元，單元成本已從 3.5 萬美元降至 0.9 萬美元。此外，100% 的純氫可通過氫鍋爐用于建筑供熱，但氫氣價格需低至 1.5~3.0 美元/kg 時，才能與天然氣鍋爐和電動熱泵競爭。2019 年 6 月，由BDRThermea 研制的世界第 1 臺純氫家用鍋爐在荷蘭羅森堡投入使用，初始供暖量將滿足總熱量需求的 8%，該項目與荷蘭北部海上風電制氫、鹽洞儲氫及格羅寧根氫燃料電池列車構成了荷蘭氫能利用藍圖的雛形。
3 應用途徑分析
為了實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中的目標，全球能源系統(tǒng)必須進行深刻的變革，可再生能源的低碳電力可能成為首選的能源載體，電力在全球終端能源消耗中的份額到 2050 年需要增加近 40%。但對于難以通過電氣化實現(xiàn)脫碳的行業(yè)（如物流、工業(yè)用戶），各國政府正在逐步認識到可再生能源耦合氫能是實現(xiàn)零碳凈排放的重要選擇之一。
（1）目前，90% 的氫用作工業(yè)原料，但這部分氫大多來源于化石燃料，未來工業(yè)用戶的深度脫碳途徑是利用可再生制氫來替代這部分氫氣。制氫成本與碳排放成本是影響該用途進展的關鍵因素。氫氣綜合成本為 1.2~2.3 美元/kg 時，可再生能源制氫的競爭力大大提升，但這并不妨礙氫能在工業(yè)領域的廣泛應用，預計到 2030 年，氫能需求量為 10~15 萬 t/年[17]，如圖 5 所示。
（2）氫能已經(jīng)逐步用于交通運輸領域的城市用車、短程公共車，但大范圍推廣仍受限于氫燃料電池及車載氫罐的成本，以及氫供應鏈基礎設施完善程度。但對于重型卡車或遠程運輸來說，氫能仍是該領域脫碳成本最低的方法之一。隨著氫燃料和車輛成本的降低，鼓勵政策的實施及加氫基礎設施的完善，預計到 2030 年，交通運輸行業(yè)氫能需求量為 7~15 萬 t/年[18]。
（3）氫能主要作為清潔燃料為能源企業(yè)提供熱量和電力，但目前仍受限于較高的制氫成本，但整體考慮系統(tǒng)年利用率及資本支出，氫能用于熱電原料比例將會進一步提升。相比之下，氫能以儲能的方式為電網(wǎng)提供平衡和靈活性的方法更有競爭力，大容量儲氫成本未來低至 0.3 美元/kg。預計到 2030 年，能源企業(yè)的氫能總需求量為 10~18 萬 t/年[6]。
（4）建筑的供熱和電力需求約占全球能源需求的 1/3，而對于分布式供暖，氫能是少數(shù)幾種可以與天然氣競爭的低碳替代品，隨著制氫成本和氫鍋爐、燃料電池成本的下降，以及氫氣利用現(xiàn)有天然氣管道輸送能力的提升，預計到 2030 年，CHP 中氫鍋爐與氫燃料電池的成本為 900~2000 美元/（戶·年），建筑熱電聯(lián)供的氫能需求量為 3 萬~ 9 萬 t/年[14]。
雖然氫能已經(jīng)在能源系統(tǒng)中的許多領域得到應用，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈中基礎設施較為薄弱，氫能供應鏈中制氫技術的成本問題，長距離、大容量儲運經(jīng)濟安全問題及終端加氫設施成本等問題仍是目前亟須解決的。
4 對中國氫能發(fā)展的啟示
氫能在國內能源電力領域的應用前景仍有部分爭議，幾乎所有的氫能和燃料電池技術還依賴于公共財政的支持，但中國在制氫方面具有良好的基礎，工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫已開展項目示范。中國氫能聯(lián)盟已牽頭開啟氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應用研究。綜合以上研究，對中國氫能發(fā)展帶來以下啟示。
（1）氫能產(chǎn)業(yè)目前仍處于市場導入期，氫能的“制—儲—運—用”環(huán)節(jié)與世界先進水平仍存在較大差距。需要盡快將氫能經(jīng)濟納入國家能源體系中，研究制訂國家氫能發(fā)展路線圖、明確氫能利用目標與產(chǎn)業(yè)布局，引導地方根據(jù)區(qū)域特點差異化發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。
（2）除交通運輸外，氫能在能源企業(yè)、工業(yè)用戶及建筑部門的商業(yè)化應用應作為氫能戰(zhàn)略參考指標，明確氫能在低碳能源系統(tǒng)轉型中的戰(zhàn)略作用。
（3）氫能產(chǎn)業(yè)化布局基礎設施較為薄弱，應加強氫能產(chǎn)業(yè)鏈關鍵技術攻關和應用。加快推進可再生能源制氫、氫儲能、氫能利用等關鍵技術協(xié)同研究，對關鍵材料及核心部件技術創(chuàng)新加大財政補貼。
5 結語
（1）隨著氫利用技術的發(fā)展和進一步成熟，氫儲能系統(tǒng)成熟度上升較快。與其他常規(guī)儲能系統(tǒng)相比，氫儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)效率、運行壽命、機組響應時間和投資成本等關鍵參數(shù)上均處于中間位置，但考慮氫能在未來能源系統(tǒng)中深度脫碳的重要作用，氫儲能系統(tǒng)具有廣闊的應用途徑。
（2）氫儲能系統(tǒng)未來可用于工業(yè)用戶，提供化工原材料及高溫熱源；用于交通運輸中車輛的脫碳；用于能源企業(yè)，取代化石燃料發(fā)電、供暖，或者以儲能的方式提高電網(wǎng)靈活性；用于建筑熱電聯(lián)供，提高能量利用效率。
（3）氫能還未充分發(fā)揮在低碳能源系統(tǒng)中的作用，需要從國家戰(zhàn)略層面、核心技術研發(fā)投入、財政補貼等方面進一步加大支持力度，推動氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
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