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telegram搜索用户(www.tel8.vip):利好政策密集出台,氢能正在为电力系统提供重要支撑

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纵观全球,越来越多的国家推出了相关政策,支持氢能及燃料电池汽车产业的发展,但具体到商业化应用方面,产业还面临着包括基础设施建设、关键技术突破以及降低成本等众多挑战。


01


氢能发展的必要性


我们都知道现在的运输、汽车、船舶,烧的是汽油和柴油,烧汽油和柴油,那就排放出了二氧化碳、一氧化碳、氧化氮、氧化硫等等污染物到大气中,造成了污染,对人类的可持续发展造成了威胁。针对这种情况,目前世界各个国家都在发展新能源,人类未来的能源就是太阳能、风能、水电能、生物能、地热能等等。目前的石油,就是我们说的化石能源,按照目前的燃烧速度的话,包括天然气、石油、碳以及核电,最多能够烧200-300年。所以发展新能源,利用太阳能、风能、电解能、生物能等等产生电能,将是未来的终极能源,以氢气或者是液态的氢气、气态的氢气为主要能源的载体是氢能经济的可持续发展的必然。


氢气作为一个载体,需要牵扯到电化学能源的存储和储存的技术,它在氢能利用中发挥中心的作用,核心的作用。从太阳能、风能以及水电能,发电以后产生的电能,通过电化学的方法制氢,产生氢气把它储存起来,因为太阳能、风能,这些能都是气候影响的。比如说太阳能,今天没有太阳,产生的电能就少,它这个能源是一种随着气候的波动而变化的能源,所以说这种能源在以前就把它叫做垃圾能源,但是现在由于我们有储能技术,随着技术的发展要充分的利用起来。最重要的一个方法就是把它储起来,储起来可以通过电化学的方法,把它产生的电能变成氢气,然后用氢气通过燃料电池产生电,再驱动汽车运输。


当然也可以通过电池和超级电容器把它储存起来,转变成我们的家用。比如说手机里边的锂电池等等这些,也可以。但是作为一个能源的最大的未来的储存,还是要制氢。



02


利好政策密集出台


近年来,我国氢能产业进入快速发展窗口期。2021年,《关于组织开展“十四五”第一批国家能源研发创新平台认定工作的通知》《“十四五”工业绿色发展规划》等文件陆续发布,提出鼓励氢能与可再生能源协同发展,推动氢能在化工、冶金等行业的关键技术攻关及多元利用。


今年3月,国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,指出氢能是未来国家能源体系的组成部分,是战略性新兴产业的重点方向,是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点,提出要充分发挥氢能清洁低碳的优势。


此后,多地密集出台支持氢能产业发展的政策,并积极探索实践。多个省(区、市)将氢能发展规划纳入新能源汽车产业、整体能源发展、战略性新兴产业发展或区域“十四五”规划中;北京、山东、四川、河北、内蒙古5个省(区、市)出台了氢能产业整体发展规划。


2021年11月,我国首个万吨级光伏绿氢示范项目——中国石化新疆库车绿氢示范项目启动建设。该项目将全部采用光伏和风电等可再生能源发电制氢,制氢规模达到每年2万吨;2022年8月,内蒙古在鄂尔多斯市举行风光制氢一体化示范项目集中开工仪式。该示范项目投产后,每年可生产绿氢7.2万吨,将广泛应用于重卡汽车燃料、化工、生物医药、冶金原料等方面;2022年9月,通辽市人民政府、中国投资协会、中国天楹股份有限公司达成战略合作,计划在“十四五”期间共同打造通辽千万千瓦级风光储氢氨一体化零碳产业园,其中包括风力发电6吉瓦、光伏发电4吉瓦,重力储能2吉瓦时,绿氢产能5万吨/年,绿氨产能30万吨/年。


此外,河北沽源风电制氢、宁夏宝丰光伏制氢、安徽六安兆瓦级氢能示范电站等多个绿氢示范项目也相继亮相。


“氢储能可以实现长周期、跨季节、大规模和跨空间储存,其功率和能量可分开配置,功率和容量可独立优化,储电和发电过程无须分时操作。氢储能在放电时间(天至数月)和容量规模(百吉瓦级别)上也具有优势,可满足数天、数月乃至更长时间的储能需求。”中国电科院技术战略中心主任闫华光指出。


03


为电力系统提供重要支撑


多位业内人士表示,氢能将为新型电力系统的构建发挥重要作用。

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某环境与能源研究院人士指出,新型电力系统的本质特征是可再生能源装机容量和发电出力比重大幅提升。“而可再生能源,尤其是风电和光伏的时段波动性将对储能容量和长周期性(比如跨季节)储能提出更高要求。电转氢有望成为长周期、大规模储能的解决方案,因为电解水制氢后,能够采用多种方式储存,或掺混到天然气管网中,实现‘电网——气网’融合,通过气网储存较大的冗余,消纳电网输送不了的电。”


上述研究院人士表示,在电力供给不足的季节或时段,掺氢天然气或者纯氢采用燃气轮机、燃料电池以及质子交换膜燃料电池等技术发电,可实现气网对电网的补充。


氢能作为清洁低碳、灵活高效的二次能源,可在促进新能源高比例消纳、保障电力电量供需平衡等方面发挥重要作用。


闫华光认为,氢能能解决未来新型电力系统面临的多个问题,例如,可再生能源大规模消纳的问题、长时间尺度跨季节电力供需不平衡的问题、灵活性调节能力不足的问题,以及多种能源难以互联互通和互补高效利用的问题。


“在源侧,通过风光可再生能源就地制氢、传统电源与氢能耦合等场景,可促进可再生能源高效消纳,平衡新能源出力功率波动,提升并网友好性,支撑大规模可再生能源外送。传统煤电耦合新能源、氢能,将有效提升煤电灵活性和清洁低碳水平,促进传统煤电绿色可持续发展。”闫华光分析,在电网侧大规模新能源汇集、负荷密集接入、调峰调频困难和电压支撑能力不足的关键节点合理布局氢储能电站,可实现调峰、调频、调压、事故备用、爬坡等多种功能,提高电力系统安全性、可靠性、灵活性。此外,在负荷侧,通过氢能热电联产、分布式电制氢加氢站等场景,氢能可参与电网辅助服务,同时支撑分布式供能系统建设,发挥电、气、热、冷、氢等不同能源系统的耦合互补效应,推动综合能源服务发展,提升终端能源效率和综合供能可靠性。


04


电解水制氢技术的应用


电解水制氢技术主要分为:碱性电解水制氢(OH-)、氢质子电解水制氢(H+)和固体氧化物电解水制氢(O2-),其装置示意如图 1 所示。按照电解质状态,电解水制氢技术可以进一步分为 6 类,有关电解水技术制氢的详细信息见表1。



碱性电解水技术在市场化方面最为成熟,占据主导地位,国内已有多家具有碱性电解水技术的公司。同时碱性电解水技术已经应用于国内外一些大型示范项目,具体项目见表 2,示范工程采用的电解槽均具有 15 年的设计寿命,而且采用了非贵金属做催化剂,具有市场竞争力。


通常碱性电解水技术用于电厂冷却用氢的制备项目,较少使用于可再生能源发电项目。主要原因在于:1)碱性电解水可以使用非贵金属电催化剂,因此电解槽的催化剂成本较低,同时副产品中的碱液、水蒸气等需要辅助设备去除;2)碱性电解水不可随启随停,无法调节制氢速度,因此与可再生能源发电的适配性较差。



固体聚合物电解水技术运用灵活,适合具有波动性的可再生能源。目前,掌握固体聚合物电解水技术的企业大多分布在国外,主要有 Proton Onsite公司、Giner 公司和西门子股份公司,其中 Proton Onsite 公司所推出的质子交换膜电解水制氢装置占全球的 70%。


代表性工程国家电网在浙江台州大陈岛氢利用示范工程 PEM 电解水制氢系统,是首个海岛“绿氢”综合能源示范项目。该项目通过构建“制氢—储氢—燃料电池”热电联供系统,利用 PEM 电解水装置消纳海岛富余风电,年产氢 73 000 m3(标况),实现海岛清洁能源 100%消纳与全过程“零碳”供能。2021 年11 月30 日,中国石化在北京、乌鲁木齐、新疆库车三地举行云启动仪式,中国首个万吨级光伏绿氢示范项目———中国石化新疆库车绿氢示范项目正式启动建设。这是全球在建的最大光伏绿氢生产项目,投产后年产绿氢可达2 万t。


固体氧化物电解水技术由于电解池电堆寿命短的问题、电解制氢过程需要辅助部件耦合以及安全问题,远远达不到商业化要求。目前示范项目推广缓慢。


国内陆续推广光伏制氢、海风制氢项目,从可再生能源耦合性方面看,未来PEM制氢发展潜力最大,其中PEM膜技术中聚合物相对成熟,陶瓷基钙钛矿技术相对前沿。


来源:中国能源报,氢能实验室,氢电邦

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