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        氢能发展3大趋势、4大前景、6大挑战!

        2023-10-16 14:10:37

        氢能4大应用前景

         

        氢能的开发利用是更快实现碳中和目标、保障国家能源安全、实现低碳转型的重要途径之一。氢能目前主要应用在能源、钢铁冶金、石油化工等领域,随着顶层政策设计和氢能产业技术的快速发展,氢能的应用领域将呈现多元化拓展,在储能、燃料、化工、钢铁冶金等领域应用必将越来越广泛。

         

         氢储能

         

        我国可再生能源资源丰富,应大力开发风能、太阳能光伏发电,实现可再生能源到氢能的转化。但风电和光伏发电的间歇性和随机性,影响了其并网供电的连续性和稳定性,同时也削弱了电力系统的调峰力度。

         

        利用风电和光伏发电制取绿氢,不仅可以有效利用弃风、弃光,而且还可以降低制氢成本;既提高了电网灵活性,又促进了可再生能源消纳。此外,氢能亦可作为能源互联网的枢纽,将可再生能源与电网、气网、热网、交通网连为一体,加速能源转型进程。

         

         氢燃料

         

        氢能可以作为终端能源应用于电力行业,通过氢燃料电池将化学能转化成电能,或者通过燃气轮机将化学能转化为动能。氢燃料电池具有能量密度高、能量转化效率高、零碳排放等优点,主要包括质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池两大类。

        质子交换膜燃料电池
        主要由膜电极、双极板、电解质和外部电路等组成,具有工作温度低、启动快、功率范围宽、稳定性强等优势,在汽车动力电源领域发展迅速。作为燃料电池和电解槽的关键组件,质子交换膜需要具备质子传导电阻小、电流密度大、机械强度高等特点,此类膜的局限性在于其易发生化学降解,温度升高使质子传导性能变差,成本也较高。

         

        固体氧化物燃料电池
        是全固态发电装置,由阳极、阴极、电解质、密封材料以及连结材料等组成。其中,电解质决定了其工作温度和功率,是核心部件。虽受限于600~1000 ℃的高工作温度和低启动速度,但因其燃料选择范围广、能量转化效率高、无需催化剂等优点拥有广阔的发展前景。

         

        氢燃气轮机
        燃气轮机是将燃料的化学能转化为动能的内燃式动力机械,是发电和船舰领域的核心装备。较之于燃煤发电机组,燃气轮机具有发电效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面积小、耗水量少和运行调节灵活等优点。目前,燃气轮机电站发电量约占全球总发电量的23.1%。
        在这方面我国与国外差距较大,需要加强政策扶持力度、深化科研攻关,尽早为氢能燃气轮机国产化进程铺平道路。

         

         氢化工原料

         

        目前全球约55%的氢需求用于氨合成,25%用于炼油厂加氢生产,10%用于甲醇生产,10%用于其他行业。随着我国科技、工业水平的不断发展,在石油炼制等石化领域将会越来越多地用到加氢技术。

         

        石油化工加氢
        石油化工中用到的加氢技术主要包括重油加氢裂化生产芳烃及乙烯、渣油加氢脱硫生产超低硫燃料、劣质催化柴油及汽油加氢转化生产高辛烷值汽油、C3馏分加氢脱丙炔与丙二烯、重质芳烃加氢脱烷基、苯加氢制环己烷等。

        合成化工产品
        氢用作原料合成化工产品,例如氨、尿素等。氨主要是通过哈伯—博施法合成获得,具有比氢更高的能量密度,可用于储存能量和发电,并且完全不会排放二氧化碳。
        氨可以在室温和10atm下作为液体储存,适合于运输。此外,还有完善的运输和处理液氨的基础设施,便于氨的规模利用。氨还可以CO2结合得到尿素,既是一种重要的氮肥也是一种可持续的氢载体,它稳定、无毒、对环境无害且更易于储存。

         

        合成燃料
        氢气同样可以通过与二氧化碳反应合成简单的含碳化合物,如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。这些化合物液化后易存储、方便运输、能量密度高、不易爆炸,并且作为液态燃料实质上可以达成零碳排放,是一种适合于除输电之外的可再生能源储存和运输模式。

         

        氢还原剂

         

        钢铁冶炼过程中,采用焦炭作为铁矿的还原剂,会产生大量的碳排放及多种有害气体。钢铁冶金作为我国第二大碳排放来源,亟待发展深度脱碳工艺。用氢气代替焦炭作为还原剂,反应产物为水,可以大幅度降低碳排放量,促进清洁型冶金转型。

         

        目前国内部分钢铁企业也发布了氢冶金规划,建设示范工程并投产,在“双碳”目标的背景下,发展氢能炼钢已迫在眉睫。在实际生产中,最适合炼钢的是绿氢,若绿氢生产成本得以降低,则可加快绿色冶金的推进,最终所获得的环保效益会覆盖其额外成本。利用氢能进行钢铁冶金是钢铁行业实现深度脱碳目标的必行之路。

         

         

        氢能发展面临的6大挑战

         

        目前全球氢能行业总体处于发展初期,在终端能源消费量中占比仍然很低。尽管目前开展氢能行业布局国家的合计经济总量已占据全球的75%,但受限于多方面的制约因素,氢能行业尚未形成全产业链与合力,未能全面推动生产生活进步,其原因主要如下:

         

        ①氢能关键材料及设备零部件要求苛刻、工艺复杂、成本高昂,并且不同国家、不同部门之间的技术差距明显。尤其对于我国来说,一些关键技术仍然被国外所垄断。

         

        ②电解水制氢技术是实现绿氢大规模生产的最有希望的途径,但其成本过高,主要由电价导致,短期仍无法完全替代碳排放量较高的化石燃料制氢。

         

        ③受限于我国可再生能源资源的分布状况,制氢端与用氢端往往存在着较大的时间和空间错位性,尚未形成完善的氢气存储和输运网络渠道。

         

        ④较之于石化能源产业,氢能属于新兴能源,目前缺乏相应基础设施整体布局。因此,目前氢能全产业链体系上下游难以形成有效联动,尚未健全。

         

        ⑤当前用氢端需求关注方向过于单一,主要集中在氢燃料电池及其交通载具方面,目前成熟度偏低、规模不大,需求尚未得到全面开发。

         

        ⑥氢能技术标准不完善,涉及氢品质、储运、加氢站和安全等内容的技术标准较少,急需一套健全的国际、国家或行业标准,以此来规范氢能行业市场健康发展。

         

        氢能未来3大发展趋势

         

        与当前构建天然气工业一样,我国正在构建制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等氢气能源工业体系。针对氢能行业在技术、经济性及布局规划上的挑战,结合产业链各个环节,氢能未来发展主要有以下3大趋势:

         

        在制取氢方面

         

        通过电力成本与设备成本的协同降低,方可体现绿氢的经济优势。较之于日本、韩国等国家,我国幅员辽阔,具有广阔的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域资源,可以提供丰富的太阳能、风能、潮汐能等可再生能源资源,在发展绿氢方面具有先天优势,可以加快实现“氢能中国”战略。

         

        氢的制取产业主要有三种较为成熟的技术路线:一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢;二是以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产氢,三是电解水制氢。目前,中国氢气供给结构中约近80%来源于煤制氢或焦炉煤气副产氢,电解水等清洁氢源占比较低。

         

         

        在储运氢方面

         

        氢的长距离储运将以天然气管道掺氢或新建纯氢管道输氢为主,中短距离要以如氨等多种储运技术结合,并因地制宜地发展。随着制氢端的技术突破,通过输氢网络交联,在氢能的下游如工业、交通和建筑等领域大规模普及,绿色“氢经济”的概念将转变为现实。

         

        在氢能全产业链中,氢的储运是制约我国氢能产业发展的难点,也是保证氢气安全且经济化应用的关键。主要是因为氢气特殊的物理、化学性能,使得它储运难度大、成本高、安全性低。氢的储存方式根据其存在状态可以分为三大类:气态储氢、液态储氢和固态储氢。

         

         

        在应用氢方面

         

        随着行业聚焦与技术发展,期待很高的是氢燃料电池,带动交通领域应用的变革。在各类需要用氢的化工领域,如炼油、合成氨、甲醇生产以及炼钢行业,绿氢将逐步取代灰氢。在其他诸多传统能源密集型产业,氢能也将代替化石能源作为能量载体进行供能。

         

        在建筑领域,采用绿色氢能的分布式冷热电联供系统,也是节能减排的重要方式。同时,更多的氢能应用场景将得以逐渐开发。氢能源的有效利用既可以减少碳排放,又可以降低对化石能源的依赖,应用场景丰富,包括交通、电力和建筑四大领域。预计2050年交通领域氢气需求将接近4000万吨,工业领域氢能需求将超过3500万吨,建筑领域氢气需求将接近2000万吨。

         

         

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