【福瑞电气 聚焦】碳中和视野下的氢电与氢能“远望”

毫无疑问,中国提出的2030年碳达峰和2060年碳中和目标,将深度影响未来几年的新能源汽车和能源产业的变革。

这其中,氢燃料电池和氢能将会扮演关键角色。

全国政协副主席万钢在近日举行的2021中国电动汽车百人会上表示,从能源的角度来看,要实现碳中和、碳达峰目标,需要更多地发展可再生能源。其中,氢气具有来源多样化、驱动高效率、运行零排放等特征。

而燃料电池则可以广泛地应用于交通、建筑、工业和更高效的储能领域,可推动汽车产业碳达峰、碳中和的目标的如期达成。

中国科学院院士欧阳明高认为,新一代车用动力电池和氢燃料电池等电化学能源系统的产业化是汽车动力百年来的历史性突破。只有实现新能源汽车大规模发展才能实现新能源革命,只有实现新能源革命才能实现中国碳中和目标。

针对国内氢燃料电池汽车的发展趋势、能源低碳化下的氢能制备、储能视野下的氢能机会,欧阳明高做了具体的阐释和介绍。

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中国燃料电池产业走向:十年内成本下降80%以上

经过长期的艰苦努力,中国车用燃料电池技术近年来取得产业化突破。氢燃料电池技术比锂离子电池技术研究的还要早,经过20年的研究,经历了一些曲折,但近年来取得重大突破。

数据统计显示,现在的性能跟五年前相比,所有主要的性能指标都有大幅的提升,比如核心指标燃料电池寿命提升了300%。国产燃料电池零部件的产业链已经建立,系统集成能力大幅增强,头部企业正在形成。

下一步的重点是要使燃料电池系统成本十年内下降80%以上。

过去十年锂电池就是如此,燃料电池滞后了十年。系统成本要从2020年的5000元/千瓦下降到2030年的600元/千瓦。

2020年下半年以来,行业价格战已经开打,但目前看存在非理性因素,而从长期看,燃料电池价格下降应该是完全可以达到预期。

燃料电池汽车不仅需要燃料电池系统成本降低,还有很重要的是车载储氢的成本,这个成本预计会比燃料电池下降速度而言会相对慢一些。

现在国内已经投产塑料内胆碳纤维缠绕的700大气压车载高压储氢瓶。由于刚开始生产,目前成本很高。预计到2025年储一公斤氢的氢瓶成本3000元。主要材料成本来自碳纤维,现在中石化已经建立了大型的高强度碳纤维工厂来解决这个问题。

往前看氢能燃料电池的技术路线图,2025年目标是推广5-10万氢燃料电池车;2030-2035年实现80-100万辆应用规模,这都是以商用车为主体。

在这个情况下,氢需求量到2030年大概三百万吨左右,这个可能比预期的低。这还是按商用车为主体预测的,如果主要是轿车,只需要几十万吨就能满足。

在加氢站环节,数量可能比想象的要多。因为加氢效率比加天然气要低,氢是最轻的一种气体,只是天然气密度的1/8。

当前氢燃料电池汽车发展还面临一些挑战,比如说氢燃料产业链自主化程度与技术水平和燃料电池还有差距,电解绿氢技术、氢储运技术、氢安全技术还需要改进提升,氢燃料的成本总体偏高,这是今后5-10年必须努力解决的。

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能源低碳化视野下的氢能制备与应用

可再生能源只有两个载体,电和氢能。

面向碳中和前景,氢能汽车只是氢能利用的一部分,或者说是先导部分,氢能不仅仅是为了汽车,发展氢能汽车使命之一就是为了带动氢能全面发展。

因为交通行业对氢价格的容忍度最好,以后还有炼钢、化工,发电,大型燃气轮发电机组也是要用氢。

氢能目前主要通过电解水制得。电解水制氢和氢燃料电池恰巧是一个逆过程。氢和氧结合生成水,发出电,但是有电和水就可以产生氢气和氧气,所以把燃料电池成本降下来也可以带动把制氢成本降下来,这是一个问题的两个方面。

现在主要有三种燃料电池,也就有三种主要制氢方式。碱性燃料电池对应碱性电解、质子交换膜燃料电池对应质子膜电解,固体氧化燃料电池对应固体氧化物电解,它们技术成熟度各不相同。

现在成熟的、中国有价格优势的是碱性电解技术,正在进行商业化的是质子交换膜电解技术,5-10年后质子交换膜电解技术会大规模发展起来。

正在发展的未来一代是固体氧化物电解技术,因为它的效率极高。可再生能源制氢成本和可再生能源电价密切相关。目前在张家口风电制氢电价0.15元/度,氢的电耗成本为7元/kg。

此外还有很多氢的载体,比如说液氨,做尿素的氨,它的质量储氢比可以达到17.8%,体积储氢密度更高,100升可以做到12公斤,比液氢要高一倍以上,液氢大概100升能够到6公斤。

所以国际上也有所谓的氨经济、氮循环等很多新的概念。氨可直接用于化肥和塑料橡胶等产品和发电,分解出氢后又可以用于更多方面。制氨的过程是先电制氢,然后再捕捉空气中的氮,氮和氢结合生成氨,可以用传统的工业催化合成氨,现在正在发展电催化合成氨新技术。

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储能视角下的氢能机会

从储能的功率和存储的时间看,电池是中小功率短周期存储。它与分布式光伏匹配还可以,但对有些大规模风电厂就不一定合适了。比如这个月有风、下月没风等场景,这时主要要靠氢。

氢是大规模长周期储存,所以电池和氢能这两种储能必须组合才能构成一个总的储能系统。

氢能是集中式可再生能源大规模、长周期存储的最佳途径。理由是:

第一,能源利用的充分性。氢能大容量、长周期储能模式对可再生电力的利用更充分。有些电力电池储不了,比方说四川的季节性水电,只有氢能储得了。所以说制氢的电价比充电的电价便宜是有可能的。

第二,规模储能的经济性氢能比电池好,车下固定储氢大概比储电成本上大约要低一个数量级。

第三,与电网基础发电电源的互补性。氢能可作为大容量、长周期、高功率灵活能源使用,如用于燃料电池发电,或者用于大型氢燃气机发电。大电网不可能全是风电、光伏。德国能源转型早,可再生能源比例高,由于当时储能技术不成熟,只能保留大部分传统发电机组作为灵活能源用于调节和稳定电网,实施的是双保险措施,导致电价很贵。现在靠储能可以把传统机组规模降下来,但是不可能降的很低,必须要有基础电源,这时氢可以发挥重大作用。

第四,氢的制、储、运方式灵活。我国的大规模集中式可再生能源基地在新疆、内蒙、宁夏等西部偏远地区,这些地方的氢能需要千公里以上长途输运。同时绿氢的输送通道和特高压电输送通道是重合的,发挥超高压输电的中国优势,开展长途输电当地制氢也是一种选择。

这两类方式从储能角度没什么太大差别,关键是谁的经济性更好。初步分析比较发现,长途输电当地制氢方案总体看是有一定优势的。

按电力专家介绍的特高压千公里输电成本为8分钱/度电为基准计算,当可再生能源发电在0.1元/千瓦时左右时,可以大致实现加氢枪出口价格30元/kg左右的目标,与柴油比具有价格竞争力。

这样一来就形成一种中国特色的长途输氢方案,而且利用了我国的能源互联网优势。

展望一下未来十年交通智慧能源生态的建设,大概有两个组合。一个黄金组合,就是分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链;还有一个白银组合,集中式的远距离的风电与光伏+氢能储能及发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。

一个是分布式的智慧能源,一个集中式智慧能源,两者结合,共同构成面向碳中和的未来智慧能源大系统。


2021-02-28 21:53admin admin 点击

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