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  • 發展離網制氫 推進電氫耦合

    日期:2024.01.10 來源:中國電力報

      氫能,被視為“21世紀的終極能源”,是清潔低碳、應用廣泛的二次能源。發展氫能對于減少二氧化碳等溫室氣體排放、實現“雙碳”目標具有重要意義。

      當前,我國氫能產業發展布局中存在哪些制約因素?影響綠氫走向規?;钠款i是什么?日前,天府永興實驗室首席科學家、西南石油大學教授、德國國家工程院院士雷憲章在接受中能傳媒記者專訪時指出,氫能產業發展的終極目標是構建以綠氫為主體的氫能體系。離網制氫將是綠氫走向規?;a的關鍵點,要用市場化手段去刺激綠氫產業良性發展,通過技術的快速提升和成本的大幅下降來推動綠氫產業蓬勃發展。

      中能傳媒:對標發達國家的氫能產業發展布局,我國在發展氫能產業方面有哪些成績,是否存在一些壁壘?

      雷憲章:以德國為例,德國是歐盟發展氫能最具代表性的國家之一。德國計劃到2032年在全國范圍內建成9700千米的輸氫管道,其中60%是改造現有的天然氣管道用于輸送純氫,40%是新建輸氫管道。除此之外,德國計劃和意大利聯合建設一條3300千米的連結北非和歐洲的氫能走廊專用管道,從突尼斯的北非海岸出發,經由意大利天然氣主干線,過境奧地利/瑞士,最終到達德國南部工業重鎮巴伐利亞州。另外,一些歐盟國家還組成了一個由33家燃氣基礎設施運營商組成的歐洲氫骨干聯盟,計劃建設5.3萬千米氫管道系統。這些通道建設完成后,將極大解決歐盟用氫難題,快速推動氫能產業發展。

      從生產角度來看,我國是世界上最大的制氫國,2022年氫氣生產能力為3353萬噸,主要以煤制氫(灰氫)為主,占比56.2%,天然氣制氫占比21.2%,工業副產氫占比20.2%,電解水制氫(綠氫)和甲醇制氫各占比1.2%。在“雙碳”背景下,我國氫能發展的終極目標是構建以綠氫為主體的氫能體系,通過電解水制氫來獲取綠氫。綠氫是由可再生能源驅動的電解槽中的水生產的,其經濟性受電價的影響較大。如果按照當前平均工業電價0.6元/千瓦時計算,成本約40~50元/千克,明顯偏高。當電價低于0.3元/千瓦時時,電解水制氫成本才與其他制氫(灰氫)工藝路線相當。

      從輸運角度來看,輸氫管道運量大、能耗低、邊際成本低,是實現規?;瘹漭斶\的重要方式。若能形成類似德國、意大利的多點供應氫氣管網,既可以確保氫源供應,又能通過規?;斔蛿偙\成本。但從現實情況來看,受制于關鍵技術和材料,我國的純氫管道建設尚處于起步階段且規模較小,天然氣摻氫管道大多處于研究和示范階段。我國要實現純氫或者摻氫天然氣管道的安全可靠運輸,還需要很長一段時間。

      中能傳媒:影響綠氫規?;a及應用的關鍵因素是什么?具體的解決思路是什么?

      雷憲章:當前影響綠氫規?;a及應用的關鍵因素是經濟成本太高?,F實情況是制氫用電成本只有低于0.15元/千瓦時,才具有經濟性。生產用電價格降不下來,綠氫就沒有經濟性,就做不到大規模生產及應用。

      目前,儲氫技術路線主要有高壓儲氫、液態儲氫、固態儲氫3種形式。這3種儲氫方式中,高壓儲氫具有充放氫速度快、裝備結構簡單、溫度適應范圍廣等優點,是我國目前主要采用的儲氫方式,在氫氣儲運中發揮著重要作用。然而,這些儲氫裝備的共同特點是,它們都承受一定的壓力,絕大多數都屬于承壓類特種設備,具有潛在的氫氣泄漏和爆炸危險。高壓儲氫是在常溫下通過壓縮機將氫氣壓縮到儲氫容器中,以提高單位體積的氫氣密度。根據應用場景不同分為固定式儲氫和移動式儲氫,固定式儲氫主要應用于加氫站、應急電源、備用電源和氫儲能等場合。固定式儲氫最高壓力均在100兆帕左右;我國的移動式儲氫壓力大多在20兆帕左右,在20兆帕情況下輸運氫氣,根本沒有經濟性可言。

      當前,綠氫實現規?;a首要解決的問題就是降低用電成本,以靈活的電價機制推動綠氫產業發展。要擺脫制氫工藝對電網的依賴,離網制氫是一個很好的思路。比如,利用海上風電制氫、大型風光基地制氫,這樣既可以使新能源實現就地消納,帶動制氫用電成本大幅下降;又可以將能量高效轉化,將電能以綠氫的形式儲存起來,促進全時域儲能機制的形成,從而保障電力系統負荷平衡。因此,這種制氫模式將是未來新能源制氫的重要發展方向。

      中能傳媒:請談一下電氫耦合在新型電力系統中發揮的作用?

      雷憲章:電氫耦合協調,是建設新型能源體系的關鍵一環,在構建新型電力系統中扮演著重要角色。當前,新型電力系統面臨的最大挑戰是新能源高比例接入電網后,其間歇性、波動性等先天缺陷與用電負荷剛性需求之間的矛盾。新能源高比例接入電網后,帶來4個突出問題:功率平衡增難、系統調控復雜、電能質量受損、穩定裕度減少。

      解決這4個問題有3條基本路徑:小時級調峰可以利用電池充放電實現調峰、調頻;以天為單位的調峰可以利用抽水蓄能、壓縮空氣儲能等技術來實現功率平衡;未來,利用電解水制氫技術消納新能源發電、以氫燃料發電來匹配功率、以氫能作為全時域儲能機制的重要組成,才是構建新型能源體系的根本路徑。

      從新能源發展規模及速度來看,電氫耦合大有可為。到2025年,光伏與風電的新增裝機發電成本預計將達到0.3元/千瓦時,綠氫成本將低至25元/千克,具備與天然氣制氫進行競爭的條件;到2030年,光伏與風電的新增裝機發電成本預計將達到0.2元/千瓦時,屆時綠氫成本將低至15元/千克,可實現規?;a,我國各區域綠氫供需將基本實現自給自足。

      從當前我國能源現實情況來看,清潔電力還不可能完全替代化石能源,清潔電能目前還不具備化石能源所具有的燃燒屬性以及提供離網大型動力的能力??傊?,綠色轉型并非一蹴而就。要先立后破,而不能未立先破。先立后破的具體路徑是在大力發展清潔能源的同時,依托技術創新和技術突破,構建新型電力系統,逐步完成化石能源的零碳替代,最終實現“雙碳”目標。

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