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美國發(fā)布氫能計劃:2050年氫能將占美國總能源需求的14%

能源發(fā)展網(wǎng)發(fā)布時間:2020-12-14 00:00:00

美國能源部日前發(fā)布《氫能項目計劃2020》(下稱“《計劃》”),為美國的氫能研究、開發(fā)和示范應用提供了戰(zhàn)略支撐。

《計劃》指出,美國政府致力于氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的技術研發(fā),并將加大示范和部署力度,以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?;?。根據(jù)美國國家實驗室預測,到2050年,美國本土氫能需求將增至4100萬噸/年,占未來能源消費總量的14%。

與其他能源不同的是,氫能需要化石能源、核能與可再生能源系統(tǒng)的整合。因此,美國能源部將協(xié)同下屬所有能源部門,合作推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《計劃》介紹了美國能源部氫能技術的研究現(xiàn)狀,以及美國氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存和應用的現(xiàn)狀及未來規(guī)劃。

美國氫能商業(yè)化應用初具規(guī)模

經(jīng)過40年的發(fā)展,美國的氫能產(chǎn)業(yè)及相關技術已逐漸從專業(yè)化應用過渡到商業(yè)化應用。目前,美國已經(jīng)在數(shù)以千計的乘用車、商用車、鏟車、分布式及備用動力裝置中應用了燃料電池,并已建成145個加氫站(包括試驗項目)。

在發(fā)電方面,以氫氣/天然氣混合物為燃料的大型渦輪機也已經(jīng)進入到商業(yè)化運營階段。在過去的20年里,美國能源部在氫能和相關領域投資了超過40億美元,主要包括氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存、以及燃料電池和氫能渦輪機發(fā)電等技術的研發(fā)。這些研究成果與工業(yè)項目相結合,取得了許多成功,例如:應用配備碳捕獲和儲氫裝置的制氫技術,以低于2美元/公斤的成本生產(chǎn)無碳氫;燃料電池的制造成本降低了60%,耐久性提高了四倍。截止目前,美國能源部已頒發(fā)了1100多項美國專利,并在市場上推出了30多項商業(yè)技術。

當前美國氫能產(chǎn)業(yè)的技術瓶頸主要集中在各環(huán)節(jié)的成本、耐久性、安全性以及缺乏基礎設施等方面。為了實現(xiàn)廣泛的商業(yè)化,氫能應用必須拓展更大的市場,并且能夠在成本、壽命、性能、耐久性和環(huán)境影響等方面得到提高,同時也需要解決非技術性的障礙,例如制定規(guī)范和標準,完善安全測試,最終建立一個健全的氫能供應和應用體系。

多年來,美國能源部為滿足每個技術領域的關鍵需求,已經(jīng)開發(fā)了一些技術選項(如表1)。

表1 美國氫能近中遠期關鍵技術選項

產(chǎn)業(yè)目標:降成本、提性能、擴應用

美國能源部將聯(lián)合工業(yè)部、科技部、國家實驗室、聯(lián)邦和國際機構以及其他相關機構共同推進氫能項目計劃。

美國能源部的最終目標是以多種資源和多種途徑制氫,并在各種規(guī)模下(從小型分布式到大規(guī)模制氫),都能以最低的成本生產(chǎn)、儲運和使用氫能。

表2 美國氫能消費現(xiàn)狀和未來消費預測(百萬噸/年)

 

美國國家實驗室還對氫能消費情景進行了評估和預測,結果顯示,到2050年美國的氫能需求或將增長至4100萬噸/年,是當前消費量的4倍。而隨著新應用的出現(xiàn),氫能的消費潛力還將繼續(xù)增長,初步預計2050年氫能將占美國總能源消費需求的14%。

 

圖1 美國工業(yè)、運輸、儲能行業(yè)中氫能消費潛力

探索氫能大規(guī)模綜合利用系統(tǒng)

《計劃》中列舉了當前美國能源部氫能項目的關鍵技術、需求和挑戰(zhàn),涉及氫氣生產(chǎn)、輸送、儲存、能量轉化、終端應用以及標準和教育相關的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。

《計劃》中還重點提及了氫能在混合能源系統(tǒng)中的應用。廣義而言,混合能源系統(tǒng)(HES)將發(fā)電、儲能和能源轉換技術結合起來,通過總體控制系統(tǒng)將這些技術集成在一起。與獨立能源系統(tǒng)相比,混合能源系統(tǒng)擁有更強的性能和更低成本(如圖2)。HES中集成的氫能技術在電網(wǎng)和非電網(wǎng)電力應用中都具有獨特的優(yōu)勢:中長期/季節(jié)性儲能;利用電解槽快速動態(tài)響應的電網(wǎng)調峰功能;生產(chǎn)氫氣、其他氫基燃料、化學品及其他多種產(chǎn)品的能力。

 

圖2 混合氫能系統(tǒng)示例

隨著電網(wǎng)的發(fā)展,各種可再生能源的滲透性越來越高,電網(wǎng)集成氫能相關技術可以提供儲能和其他電網(wǎng)功能:通過電解產(chǎn)生的氫氣可以作為一種雙向儲能載體,通過燃料電池或燃燒渦輪機等低排放發(fā)電技術,按需將其轉換回電能;也可用于單向化學能源應用,例如注入天然氣管道基礎設施,或作為原料生產(chǎn)氨或甲醇等增值商品;氫能技術還有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率的輔助功能。

目前,美國能源部正在與電力公司合作進行技術經(jīng)濟分析,以確定將氫能與可再生能源整合在電網(wǎng)、微電網(wǎng)和離網(wǎng)應用的最佳配置。

氫能發(fā)展將推動美國能源變革

美國能源部下屬的可再生能源、化石能源、核能、電力和科技部門參與了此項目。該項目還與其他相關的部門進行協(xié)調合作,包括高級能源項目部門(ARPA-E);網(wǎng)絡安全、能源安全和應急響應部門;以及能源部以外的國家相關部門,如儲能技術,先進制造業(yè)、電網(wǎng)現(xiàn)代化、綜合能源系統(tǒng)和人工智能。每一個部門都管理與其任務有關的氫能項目,所有部門經(jīng)過協(xié)調合作,以實現(xiàn)戰(zhàn)略管理和項目執(zhí)行的凝聚力。

為了使氫能產(chǎn)業(yè)從專項應用過渡到大眾市場,開發(fā)大規(guī)模制氫、配套設施、氫能應用的技術和工藝至關重要。強大的自主供應鏈也將確保美國在全球氫能產(chǎn)業(yè)中處于領先地位。受快速增長的市場需求影響,研發(fā)工作需要克服技術挑戰(zhàn)并加快進展。通過研發(fā),將提高氫能產(chǎn)業(yè)的工藝和技術,并逐漸擴大應用規(guī)模,實現(xiàn)制造業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟。同時,通過系統(tǒng)集成還可以帶來更多的技術改進,從而進一步降低產(chǎn)業(yè)鏈成本。

總的來說,美國能源部主導的氫能和相關技術研發(fā),在其各部門的一致努力下,以及廣泛的利益相關者的投入和協(xié)作下,該計劃的實施將有助于實現(xiàn)美國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展愿景:清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應用于各類場景,并成為美國能源體系中的重要組成部分,推動美國的能源體系變革。(氫促會)

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