“新寵”氫能如何發(fā)揮優(yōu)勢擔重任

　　核心提要

　　●相較于國際先進水平，我國氫能產業(yè)仍存在產業(yè)創(chuàng)新能力不強、技術裝備水平不高，支撐產業(yè)發(fā)展的基礎性制度滯后，產業(yè)發(fā)展形態(tài)和發(fā)展路徑尚未明確等實際問題和挑戰(zhàn)

　　●氫儲能能夠為新型電力系統(tǒng)中電力電量長周期、跨季節(jié)平衡的難題，以及未來新型電力系統(tǒng)在持續(xù)多天少風無光情況下電力供應安全問題提供解決方案

　　“氫儲能作為大規(guī)模長周期儲能的技術，對促進可再生能源發(fā)電規(guī)模化、低碳化發(fā)展具有重要意義。”南方電網能源發(fā)展研究院新能源研究所所長助理蒙文川表示。

　　現階段，氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，憑借兼具原料和燃料雙重屬性的特質，逐步成為能源領域的“新寵”。氫能以其能量密度高、發(fā)熱值高、節(jié)能環(huán)保等特性，在工業(yè)、交通運輸、建筑等領域被寄予厚望。

　　相關技術亟須創(chuàng)新突破

　　“我國已初步掌握氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術和生產工藝，基本形成較為完整的氫能產業(yè)鏈。當前，國內主要推動氫燃料電池、氫能汽車及加氫站等產業(yè)發(fā)展，在部分區(qū)域實現燃料電池汽車小規(guī)模示范應用，相較之下，在非交通領域探索力度略顯不足。”南方電網能源發(fā)展研究院新能源研究所研究員饒志說。

　　相較于國際先進水平，我國氫能產業(yè)仍存在產業(yè)創(chuàng)新能力不強、技術裝備水平不高，支撐產業(yè)發(fā)展的基礎性制度滯后，產業(yè)發(fā)展形態(tài)和發(fā)展路徑尚未明確等實際問題和挑戰(zhàn)。

　　“目前，氫能制備、儲運技術亟須突破。”饒志指出，“我國熱化學與工業(yè)副產氫提純制氫技術及裝備發(fā)展成熟，與國外先進技術水平相當。電解水制氫方面，堿性電解槽制氫技術處于世界一流水平，質子交換膜和高溫固體氧化物電解水制氫技術相對落后。光解水制氫、生物制氫等新型制氫技術仍處于探索研究階段。”

　　相比堿性電解槽水電解制氫，質子交換膜水電解啟停速度快，能適應寬范圍輸入功率波動，同時具有能量利用效率高、產物氣純度高且體積小、無堿性液體產氣壓力更高的優(yōu)點，而固體氧化物水電解具有高能量轉化效率，在綜合廢熱利用的情況下，其總效率可大于90%。對此，饒志建議，未來可考慮開展質子交換膜水電解、固體氧化物水電解等電解水制氫技術研究。

　　記者了解到，氫氣儲運技術主要包括氣態(tài)儲運氫、低溫液態(tài)儲運氫、固態(tài)儲運氫和運氫載體技術等。其中，氣態(tài)儲運氫技術又分為高壓氣態(tài)儲運氫技術、管道輸氫技術和地下儲氫技術三大類;運氫載體技術包括有機液體儲氫和液氨儲氫兩類。

　　饒志介紹，針對氣態(tài)儲運氫技術，在高壓氣態(tài)儲運方面，國外車載高壓儲氫系統(tǒng)主要采用70兆帕Ⅳ型瓶，國內以35兆帕Ⅲ型為主;在管道運輸技術方面，美國、歐洲已分別建成2400千米、1500千米的輸氫管道，而國內目前氫氣管道里程只有約400千米;在地下儲氫方面，全球已經建成3座地下鹽穴儲氫庫，其中有2座位于美國得克薩斯州克萊門茨鹽丘，而國內于2021年建成首座地下儲氫加氫站。針對低溫液態(tài)儲運氫技術，美國和日本的液氫儲運較為成熟，主推液態(tài)儲運技術路線;國內液氫儲運技術發(fā)展相對緩慢，前期主要依賴進口，液氫儲運研發(fā)事業(yè)剛剛起步。針對固態(tài)儲運氫技術，國內尚處于小規(guī)模示范試驗階段，總體與國際保持同步，在部分儲氫材料與技術的研發(fā)和產業(yè)化方面具有一定的優(yōu)勢，但示范應用較先進國家如法國、德國等落后。針對運氫載體技術，國內有機液體儲氫材料與工藝技術的研發(fā)在國際上一直處于領先地位，在有機液體儲氫技術市場化方面與發(fā)達國家持平，但在加氫和脫氫裝備方面落后于先進國家。國內液氨儲氫尚處于技術攻關階段。

　　氫儲能技術成重要發(fā)展方向

　　目前我國氫能超過80%應用于化工領域，氫儲能技術是未來氫能可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

　　“氫儲能目前存在的問題是效率較低、造價高、技術尚不成熟。由于國內在燃氫燃氣輪機方面幾乎空白，因此只能通過燃料電池這一技術手段實現氫發(fā)電。”饒志表示。

　　饒志介紹，在效率方面，電解水制氫效率達60%~75%，燃料電池發(fā)電效率為50%~60%，單過程轉換效率相對較高，但電—氫—電過程存在2次能量轉換，整體效率較低，僅為30%左右，遠低于抽水蓄能(75%)和電化學儲能(90%)的效率。在造價方面，制氫設備的單位造價約2000元/千瓦，儲氫和輔助系統(tǒng)造價為2000元/千瓦，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)造價約9000元/千瓦，燃料電池的投資占到氫儲能系統(tǒng)總投資的接近70%，整體單位造價也要高于抽水蓄能(5500~7000元/千瓦)和電化學儲能(1200~1500元/千瓦)。

　　饒志認為：“受儲氫技術限制，燃料電池發(fā)電功率大多數在千瓦級別，在發(fā)電方面難以發(fā)揮規(guī)模效應，很難肩負起大規(guī)模長周期儲能的重擔。面對幾億千瓦時的氫儲能需求，所需巨量的存儲設備要找到合適的空間存放也是一大難題，實際操作的可能性不大。”

　　“氫儲能系統(tǒng)在利用層面還存在配套設施與產業(yè)鏈建設不完善、綜合利用效率有待進一步提升、成本居高不下等問題，可依托高校、科研機構、氫能企業(yè)，深化產研合作，吸引國內外高端專家團隊，提升技術創(chuàng)新和科技成果產業(yè)化水平。”南方電網能源發(fā)展研究院能源政策與戰(zhàn)略研究所研究員李沛表示。

　　李沛建議，未來可考慮進一步開發(fā)風光互補發(fā)電制氫儲能系統(tǒng);探索有機液體儲運技術、固體儲氫領域關鍵技術的實際應用;開展固態(tài)氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等技術研究，提高系統(tǒng)利用效率，降低單位成本;開展氫儲能系統(tǒng)容量配置研究，解決可再生能源消納問題等。

　　此外，未來跨季節(jié)長周期儲能調節(jié)、分布式冷熱電聯供、備用和離網供電等氫能產業(yè)在電力領域的應用方向也引發(fā)業(yè)內關注。

　　“氫儲能能夠為新型電力系統(tǒng)中電力電量長周期、跨季節(jié)平衡的難題，以及未來新型電力系統(tǒng)在持續(xù)多天少風無光情況下電力供應安全問題提供解決方案。”李沛表示，在風電、光伏多發(fā)電的季節(jié)，可利用富余的可再生能源進行制氫，并作為備用能源儲存下來;在負荷高峰的季節(jié)發(fā)電并網，提高新能源的消納能力，減少棄風、棄光，增強電網可調度能力并確保電網安全。氫儲能可通過不同季節(jié)的電價差來實現盈利。

　　此外，氫燃料電池分布式發(fā)電具有效率高、噪音低、體積小、排放低的優(yōu)勢，適用于靠近用戶的千瓦至兆瓦級的分布式發(fā)電系統(tǒng)，主要應用領域為微型分布式熱電聯供系統(tǒng)、大型分布式電站或熱電聯供系統(tǒng)。

　　“目前質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池技術，均已經在國外成功應用于家用分布式熱電聯供系統(tǒng)和中小型分布式電站領域。但當前國內燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)總體還處于研發(fā)階段，與國際先進水平仍有較大差距。”李沛說。

　　此外，在備用和離網供電方面，通信基站備用電源或者遠離電網的偏遠地區(qū)發(fā)電或可成為氫燃料電池的應用場景，可以取代蓄電池和柴油發(fā)電機。移動應急電源車也是氫燃料電池重要的應用場景，可為醫(yī)院、數據中心等場所提供應急電源保障。

　　來源：中國電力報 作者：余 璇