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欧洲面向未来的氢能示范项目及借鉴

作者:中国储能网新闻中心 来源:能源杂志 发布时间:2022-01-27 浏览:

中国储能网讯:文 | 张茜 苗盛 作者供职于中国石油勘探开发研究院

陶光远 作者供职于中德可再生能源合作中心

氢可以用作原料、能源载体和能源存储。因为氢在使用时不排放二氧化碳,一般没有空气污染,因此在未来的碳中和时代,将广泛应用在工业、交通运输、电力和建筑领域。几乎所有依赖化石能源的应用场景都可以利用氢及其衍生物来实现碳中和。提高能源效率和通过使用风光等可再生能源与核能实现电力零碳化被视为全球能源转型实现碳中和的前两大支柱,而氢被认为是第三大支柱。因此氢在世界各地受到迅速增长的关注。

正因为如此,2020年6月,德国联邦经济与能源部公布了德国的《Nationale Wasserstoff-Strategie(国家氢能战略)》。2020年7月,欧盟公布了《A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe欧洲气候中性的氢能战略》。这两个战略文件宣称的目标均是雄心勃勃的。其中,欧盟的目标是将氢在欧洲能源结构中的份额从目前的不到2%提高到2050年的13-14%。

技术的大规模应用需要通过示范项目这个环节进行技术验证和实现技术经济性的提高,这是新技术从开发到推广应用之间的关键环节。欧洲氢能示范项目的主要目的有两个,一是通过示范项目促进氢能技术的成熟和降低成本,以加快氢能的大规模应用,为实现碳中和发挥作用。二是支撑欧洲氢能的研发,保持欧洲在氢能科技领域的优势,未来向世界各国大规模出口氢能领域的高科技产品。

对于欧洲的氢能发展战略,国内有不少介绍,但是,对于具体的示范项目,鲜有介绍和分析。通过分析借鉴国际氢能先发国家的示范项目,促进中国氢能事业的发展和示范项目的开发,以便在氢能领域的发展中少走弯路。

氢能的生产物流与应用

目前,全球主要使用化石能源作为原料制氢(灰氢)。有两种主要方法:一是使用甲烷(天然气的主要成分)蒸汽重整(SMR)制氢;二是将煤炭气化制氢。由于生产灰氢排放大量的二氧化碳,因此未来需要用没有二氧化碳排放的制氢方法替代。一种方法是甲烷蒸汽重整与碳捕获和封存(CCS)结合(蓝氢),或甲烷热解与碳利用结合(绿松石氢);另一种是可再生能源制氢(绿氢)。

现在的氢主要是在工业领域作为生产工艺中的中间产品使用,往往是就近生产就近使用,所以基本上不存在运输和存储的问题。由于未来氢的利用场景和规模远胜于此,制氢的地点和用氢的地点往往不在一地,甚至相差上千公里。因此,氢能的物流成为氢能产业链中的重要环节。

氢最简单的物流形式是气态运输,包括纯氢管道、天然气管道掺氢以及利用高压车载储氢瓶等运输方法。像所有其它气体一样,氢气也可以在低温液化后,以液态形式进行运输。此外,化学存储形式,例如转化为氨或使用液态有机载氢体(LOHC,Liquid Organic Hydrogen Carrier)等,也具有较高的氢储运潜力。

当前氢主要是作为工业原料使用,未来氢作为能源载体来使用将具有更高的重要性, 尤其是在那些难于直接使用电能的领域中。随着氢在全球能源系统中的整合,氢作为原料和能源应用之间的清晰界限将消失,氢将同时用于这两个目的。除了目前在石油化工和化肥行业中大量使用氢以外,钢铁行业还使用氢作为还原剂和能源载体,替代焦炭和其它化石能源,来实现钢铁行业的绿色转型。

此外,在电力和生物能源技术不可行或不具有成本效益的领域,氢也可以作为可选的能源和原料。在重载公路运输,铁路运输和乘用车等陆地交通中,氢燃料电池车比电动汽车具有更长的续航里程,比燃油车具有更高的能量转换效率。在建筑领域,氢热电联供未来可以替代今天的燃煤和天然气热电联供系统。

氢的电解和发电可成为消纳和补偿风光电季节性波动的最大稳定机制:电解水制氢工厂可以作为灵活负载消纳过剩(特别是季节性过剩)的风光水电。在风光水电短缺的季节,可以用储存在大型氢库里的氢发电或热电联供,解决未来碳中和时代可再生能源电力供应的季节性(譬如在冬季11月份至2月份)短缺问题。而现在的大部分储能技术,如抽水蓄能电站、电转热冷存储、电动汽车智能充电和蓄电池储能只适合于应对可再生能源发电的短时间波动。

欧洲氢能示范

几乎所有的欧洲国家都启动了面向未来氢能技术应用的示范项目。但由于各国经济发展水平、技术水平和制氢资源的差异,因此在氢能示范项目的规模、产业链覆盖程度、技术水平和应用规模上有所不同。限于篇幅,本文仅挑选了在欧洲不同地区开展氢能示范项目领先的国家,进行了分析。

这些国家是西欧的德国和荷兰、北欧的挪威、南欧的西班牙和东欧的波兰。其中,这些国家已经建成和正在建设的氢能示范项目:德国有22个;荷兰有20个;挪威有15个;西班牙有25个;波兰有8个。这里还不包括大量的加氢站。譬如,在德国,截止到2021年12月11日,有91个加氢站在运行。而在2018年4月,才只有不到40个加氢站。

氢能从生产、物流到应用,产业链很长。欧洲的氢能示范项目不追求每一个示范项目在所有的环节上符合未来的要求,而是仅对其中的某个或某几个环节进行面向未来的示范,以降低示范项目的实施难度和投资规模。这样通过多个项目分别对不同氢能产业链的不同环节进行示范,综合起来就可实现对全部氢产业链各个技术环节面向未来的示范。因此,欧洲氢能示范项目既有实现了碳中和的氢能示范项目,也有一些项目与现有的氢基础设施结合,包括使用有二氧化碳排放的灰氢。

欧洲现有的氢基础设施主要集中于工业部门(最主要是:合成氨工业和炼油厂)。其它基础设施,如交通领域的加氢站,现在的用氢量还微乎其微。

欧盟以及欧洲各国政府都对氢能示范项目给予了大力支持,包括对示范项目的组织、市场推广措施和财政资助补贴。其对氢能的资助方式是政府与经济界结合,欧盟、国家和地方政府等各级政府的资助结合。

例如,自2005年以来,欧洲共同利益的重要项目IPCEI(Important Project of Common European Interest)是欧盟一个特殊的科研项目框架,其重要项目最初仅限于研究、开发和创新以及环境保护领域。最近各国计划在这个框架下加大对绿氢研发和示范的投入,这个计划现在已经启动。

2020年12月,挪威等欧盟国家呼吁并发起了一些促进欧洲氢能经济的共同利益项目。其中包括欧洲最大钢铁厂杜伊斯堡-沃尔苏姆 (德国)的500 MW电解水制氢项目计划,塞纳河畔杰罗姆港(法国)的化学工厂的200 MW电解水制氢项目计划,汉堡-摩尔堡的200 MW电解水制氢项目和一个氢燃气轮机研发计划,以及 Chaleroi(比利时)石灰窑的75 MW 电解水制氢项目。

此外,欧盟内部市场/工业/创业和中小企业总局(DG GROW)与 Hydrogen Europe合作制定了“氢促进气候行动”倡议,该倡议属于欧洲IPCEI氢能示范,发布了10个突出的大型项目名单,这些项目的电解水制氢的总容量为43.5 GW(最大的是 Black Horse项目,16.5 GW),以及数千辆氢能汽车、氢存储设施、氢气管道和其它与氢相关的基础设施建设项目。

限于篇幅,本文仅列举了欧洲各地区氢能示范先发国家部分有代表性的氢能示范项目,类型完全重复的示范项目不赘述。

注:按现在的电解水制氢技术的能源转换效率,1 MW电解水制氢能力每小时可制200~220立方米的氢气。

欧洲各国通过上述示范项目进行验证的氢能技术包括:

制氢技术方面:PEM电解水制氢;碱性电解水制氢;直接使用陆上和海上风电电解水制氢;太阳能发电电解水制氢;甲烷蒸汽重整制氢结合CCUS;收集化工尾气后膜分离制氢并进行碳捕获;利用钢铁企业的高温余热参与高温电解水制氢以降低制氢的电耗等。

氢储运技术方面:纯氢管道输氢;氢气掺混到天然气管道中输送;管束拖车输氢;液态有机储氢载体通过管道和道路储运氢;用岩穴作为储气库储氢;在资源枯竭的地层或含水层中储氢等。

氢能应用领域:电解氢后液化,作为轮船的燃料;绿氢加氢站;氢燃料电池供电;氢气燃气轮机发电;氢能热电联供;氢能炼钢;波动的可再生能源发电与氢基化学工业生产结合;利用可再生能源电解水制氢,再用氢燃料电池作为后备系统,为电信设备供电;绿氢合成氨;氢气制甲烷;绿氢大规模应用前,在加氢站使用灰氢等。

可以看到,欧洲各国的氢能示范项目几乎涵盖了氢能产业链上所有的技术环节。

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关键字:氢能

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