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以“绿电”制取“绿氢”,是未来低碳经济能源主流方向

作者:中国储能网新闻中心 来源:深圳特区报 发布时间:2021-12-05 浏览:

中国储能网讯:近日,日本“新能源产业技术综合开发机构”及东京都大学、信州大学等组成的研究团队通过“光触媒”技术成功利用阳光照射从水中分解出氧气与氢气。他们在100平方米的大范围试验中,成功分离出高纯度氢。日本研究团队的这一成就,给全球大批量、低成本制氢带来了希望,氢能源迎来了革命性的突破。

相较于其他能源,氢能清洁环保,能量密度大,没有温室气体排放,便于贮存和运输且安全性高,成为各国竞相开发新能源的技术首选,被称为21世纪的“最理想能源”。

据国际氢能委员会统计,全球氢能产业链已有228个已建、在建及规划项目。近年来,美国、欧盟、日本、韩国、新西兰等20多个国家和地区先后发布氢能发展战略,强势入局。一条氢能大规模商业化应用的能源新赛道正在世人面前展开。

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备受“氢”睐

氢能为何成能源转型新宠儿

近年来,随着温室气体排放的加剧,全球气温持续变暖,气候问题日益突出。为应对这一挑战,全球主要国家于2016签订了《巴黎协定》,形成了气候共识,纷纷制定了二氧化碳减排计划,并在今年11月13日闭幕的《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会上达成《巴黎协定》实施细则一揽子决议。为了实现碳减排目标,使用低碳清洁的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源变得越来越紧迫。风能、太阳能、潮汐能以及氢能等一系列的洁净能源备受人们关注。

氢能是一种能够替代化石燃料的绿色可再生能源,能量密度极高,具有最高的燃烧热值,是其他燃料的2到3倍。氢能应用广泛,可随时随地进行供给,储量丰富,制备方法多样,并可由其他能源进行转换,从而成为世界各国竞相投入发展的能源模式。由于近年来燃料电池技术的逐步成熟和燃料电池汽车的商业化推广,氢气作为动力燃料的潜力日益受到各界重视,有望逐步取代传统汽柴油,彻底改变人类的动力能源,促成第三次能源革命。

目前制取氢的方法主要分为传统化石燃料制氢法和电解水制氢法。传统的化石燃料制氢技术成熟,但制备氢气依赖的是不可再生的矿物燃料,能耗高且会造成环境问题,属于“灰氢”。电解水制氢以水为原料,通过外接电路施加电压来生成氢气和氧气,该方法工艺简单高效,制备的氢纯度高。其原料为水,储量丰富,产物为氧气和氢气 ,无任何其他有害物质产生,故而被称为“绿氢”。

随着碳达峰、碳中和“双碳”政策的不断推进和深化,可再生能源电力成本的降低,氢燃料电池汽车的规模化推广和氢能市场的逐渐成熟,市场对氢气的需求将呈爆发式增长,虽然传统的化石原料所生产的“灰氢”在中短期内仍将占据市场主流,但通过“绿色”电力来电解水制氢将是未来低碳经济的主流方向,也是氢能发展的必经之路。“绿氢”成本也必将随着氢能的推广和技术的进步下降到可接受的水平,电解水会成为氢气的主要来源,氢能社会的目标也终将实现。

目前,氢能源利用技术已经在燃料电池汽车、家庭热电联供等领域取得成效,也逐步在氢能的无碳排放生产、氢能发电、氢能社区等领域进行示范试验。

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“氢”动世界

约20个国家先后发布氢能战略

随着全球气候变化压力增大以及能源转型加速,氢能源产业发展走向了“风口期”。站在巨大风口下,各国相继出台具有实操性的氢能发展战略。一场争抢未来氢能制高点的竞争,在世界各国间展开。

数据显示,当前全球已有约20个国家和地区发布或制定了氢能战略规划,已公布的2030年“绿氢”的年产能从之前的230万吨增加至670万吨。仅在2020年,就有10多个国家发布氢能战略。其中,美国、加拿大、德国、法国、俄罗斯等发达国家的氢能战略,将发展氢能产业提升到国家能源战略的高度,旨在于2030-2050年间完成二氧化碳减排目标及能源结构调整。而在氢能研发领域处于世界领先地位的日本,更是早在2017年就制定了《氢能源基本战略》,确立到2030年普及氢能源的行动计划等。

根据战略规划,各国纷纷制定相应政策。欧盟建议各成员国将低碳氢气生产纳入可再生能源规划,通过此举可显著推动炼油厂和燃料供应商应用氢气。此外,4个欧盟国家(法国、德国、葡萄牙和西班牙)在其国家战略中不仅宣布了针对特定行业的清洁氢使用目标,而且还就航空和航运燃料配额进行了深入讨论。美国通过税收优惠的方式建立了对低碳氢应用的激励措施,即按照捕获与封存的碳氧化物数量抵免所得税。

伴随着各国氢能政策陆续出台,国际能源巨头快马加鞭入局,以BP(英国石油公司)、壳牌、道达尔为代表的石油公司围绕氢气制取、储运以及加氢站建设已有丰富的实践,成为世界氢能产业发展的积极推动者。

从1978年申请第一件氢燃料电池相关专利开始,BP拥有超过40年的制氢和超过10年的汽车加氢站运营经验。目前,BP已参与多个氢能示范项目,包括同戴姆勒克莱斯勒公司、福特公司合作研究先进燃料电池技术。

壳牌在氢能领域全面发力,2016年,壳牌与川崎重工签署协议,合作开发液氢运输船;壳牌还与日本岩谷产业、日本电源开发公司合作,将澳大利亚丰富的低质褐煤转化为氢气,液化后船运至日本。2017年2月,壳牌与丰田正式达成合作协议,在加利福尼亚州建造7座加氢站,并将在2024年增加至100座。壳牌在2018年发布的《能源转型报告》中指出,将于2030年前在英国投资加氢设施。

道达尔推进加氢站布局,2013年在德国政府主导下,道达尔与壳牌、戴姆勒等公司启动了氢气Mobility项目,计划在2023年前建设400座加氢站。截至目前,道达尔已经在德国建成了10座加氢站。道达尔还与林德公司、宝马公司在氢气加注技术等方面开展了合作。

目前,全球氢能产业链已有228个已建、在建及规划项目,其中有17个是已公开的兆瓦级绿氢生产项目(即1GW可再生能源和20万吨/年的低碳氢产能项目),主要分布在欧洲、亚洲、澳大利亚、智利等国家和地区,欧洲在已公开的氢能项目数量方面处于领先地位(126个项目,占比55%)。

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最大障碍

氢能革命面临高昂成本

当前,全球氢能需求旺盛,氢能产量约达每年7000万吨,96%的氢气直接由化石燃料制成,即“灰氢”或“蓝氢”。虽然“灰氢”具有成本低廉、技术成熟、可大规模应用等优势,但制备过程伴随着二氧化碳等温室气体的排放,不利于实现“碳中和”目标。而将“灰氢”生产过程中产生的二氧化碳进行捕集、利用和封存,进而间接达成“碳中和”目标所获得的“蓝氢”,则存在生产成本仍然较高,制备系统成熟度较低,暂时无法大规模应用等问题。因此,通过零污染、低成本、可持续的方式制取“绿氢”是未来能源发展的重点。

然而,“绿氢”的困局并非全部来自于制氢技术,几十年前,电解水制氢已被广泛应用于航天工业等一些特殊的领域。阻碍“绿氢”发展的核心因素是制氢成本的居高不下,同样制取1立方米氢气,“绿氢”的成本是“灰氢”的3-5倍,是“蓝氢”的2倍以上。

按照制备1立方米氢气需要5度电计算,这种氢气如果要在市场中获得经济性和竞争力,电价就需要控制在0.3元/度,甚至更低。然而当前风电光伏为主的可再生能源的平均电价仍在0.5元/度以上。即便日本专家实现了“光触媒”制氢的技术突破,该技术应用大规模推广仍旧需要一定的时间以及存在不确定因素,因此对于当下的氢能市场,成本依旧是氢能获得广泛使用的最大障碍。

专家指出,应通过政府干涉,比如发放“绿氢”使用补贴的方式,来促进“绿氢”的生产。今年8月,英国就宣布,2030年前启动40亿英镑资金投入“绿氢”生产。彭博新能源财经估计未来10年全球将需要投入1500亿美元才能将制氢成本降低到具有竞争力的水平。

此外,氢气生产和运输技术还面临一系列瓶颈。氢气会腐蚀金属,这对氢气的输送构成挑战,而且由于氢气点火能量小,使氢不论在空气中或者氧气中,都很容易点燃,因此对氢气的储存与运输都提出了极高的安全要求。

科普

氢绿

通过使用再生能源(例如太阳能、风能等)制造的氢气,例如通过可再生能源发电进行电解水制氢,在生产绿氢的过程中,完全没有碳排放。

氢灰

通过化石燃料(例如石油、天然气、煤炭等)燃烧制取氢气,在生产过程中会有二氧化碳等排放。灰氢的生产成本较低,制氢技术较为简单。

氢蓝

将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成。由于在此过程中使用了碳捕捉、利用与储存等先进技术,温室气体被捕获,实现了低碳排放生产制氢。

案例

日本:燃料电池领域发展突出

2017年12月26日,日本公布了“基本氢能战略”,意在创造一个“氢能社会”。该战略的主要目的是实现氢能与其他燃料的成本平价,建设加氢站,替代燃油汽车(包括卡车和叉车)及天然气和煤炭发电,发展家庭热电联供燃料电池系统。

日本在家用燃料电池、燃料电池汽车领域推广氢能成就尤为突出,在不同细分领域上培育出了诸如丰田、松下、本田、爱信等氢能龙头企业。

在氢能家用燃料电池领域,ENE-FARM是日本大力推广的家用燃料电池系统,该设备通过将氢气注入燃料电池中发电,同时用发电时产生的热能来供应暖气和热水,形成微型热电联供系统,满足部分电力需求和全部的热水需求。从2009年开始由松下、东芝、爱信等厂商研发生产,由东京燃气和大阪燃气等燃气公司向用户销售,2009-2019年间,ENE-FARM氢能家用燃料电池系统累计销售30万套。

在氢能车用燃料电池领域,丰田mirai是氢燃料电池乘用车的领头羊,目前续航里程达到了约850km;本田也推出Clarity车型,实际驾驶距离也超过500km。日本氢能车目前正在向公共汽车、重型卡车和叉车等领域拓展。2020年,日本总共建成加氢站137座,新增氢能燃料电池汽车761辆,累计推广3902辆。

美国:氢能源技术高度商业化

经过40年的发展,美国的氢能产业及相关技术已逐渐从专业化应用过渡到商业化应用。2020年,美国已经在数以千计的乘用车、商用车、铲车、分布式及备用动力装置中应用了氢能燃料电池,并已建成145个加氢站(包括试验项目)。

在发电方面,以氢气/天然气混合物为燃料的大型涡轮机已经进入到商业化运营阶段。在过去的20年里,美国能源部在氢能和相关领域投资超过了40亿美元,主要包括氢气生产、运输、储存,以及氢能燃料电池和氢能涡轮机发电等技术的研发。这些研究成果与工业项目相结合,取得了许多成功,例如:应用配备碳捕获和储氢装置的制氢技术,以低于2美元/公斤的成本生产无碳氢;燃料电池的制造成本降低了60%,耐久性提高了四倍。截至2020年12月,美国能源部已颁发了1100多项氢能技术专利,并在市场上推出了30多项氢能商业技术。

得益于长期对氢能技术研发支持,美国拥有一大批氢能产业的尖端技术和明星企业。如以氢燃料电池叉车为主的PlugPower公司,以固定式燃料电池为主的FuelCellEnergy、BloomEnergy等大型燃料电池生产企业,以及掌握氢能储运核心技术的AirProducts、Praxair等公司,其中,PlugPower公司的电池叉车在在全球燃料电池叉车市场占有率居于首位。

欧盟:以减排为引领发展氢能

欧盟委员会于2020年3月10日宣布包括德国西门子、荷兰壳牌、法国空客等品牌在内的“欧洲清洁氢联盟”的成立。由相关产业领导者、民间机构、国家及地区能源官员和欧洲投资银行共同发起,旨在为氢能源的大量生产提供投资,满足欧盟国家对清洁氢能的需求。

以实现温室气体减排为引领,欧盟各国的氢能利用在以下两个场景上取得了亮眼成绩。一是电转气项目:为了解决可再生能源消纳问题,德国、丹麦、英国等国家先行先试了power to gas(可再生能源制氢+天然气管道掺氢)项目,利用风能、光伏发电的剩余电力制氢,再将氢气用于与天然气进行掺混、直接发电和供热等。截至2019年年底,德国已有在建和运行的power to gas示范项目50个,总装机容量超过55兆瓦。

二是氢能燃料电池公交和列车:交通领域是对欧盟降低温室气体排放贡献较大的领域之一,为了降低交通碳排放,欧盟多个国家在公用交通领域氢能利用上实现了突破,科隆、罗马、奥斯陆、鹿特丹等城市已投入使用氢燃料电池巴士,德国率先在列车领域应用了氢能。

此外,蒂森克虏伯集团已开展氢能炼钢示范项目,预计到2022年进入大规模应用阶段。

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