氫能4大應用前景

氫能的開(kāi)發(fā)利用是更快實(shí)現碳中和目標、保障國家能源安全、實(shí)現低碳轉型的重要途徑之一。氫能目前主要應用在能源、鋼鐵冶金、石油化工等領(lǐng)域，隨著(zhù)頂層政策設計和氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，氫能的應用領(lǐng)域將呈現多元化拓展，在儲能、燃料、化工、鋼鐵冶金等領(lǐng)域應用必將越來(lái)越廣泛。

①氫儲能

我國可再生能源資源豐富，應大力開(kāi)發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏發(fā)電，實(shí)現可再生能源到氫能的轉化。但風(fēng)電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機性，影響了其并網(wǎng)供電的連續性和穩定性，同時(shí)也削弱了電力系統的調峰力度。

利用風(fēng)電和光伏發(fā)電制取綠氫，不僅可以有效利用棄風(fēng)、棄光，而且還可以降低制氫成本；既提高了電網(wǎng)靈活性，又促進(jìn)了可再生能源消納。此外，氫能亦可作為能源互聯(lián)網(wǎng)的樞紐，將可再生能源與電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng)連為一體，加速能源轉型進(jìn)程。

②氫燃料

氫能可以作為終端能源應用于電力行業(yè)，通過(guò)氫燃料電池將化學(xué)能轉化成電能，或者通過(guò)燃氣輪機將化學(xué)能轉化為動(dòng)能。氫燃料電池具有能量密度高、能量轉化效率高、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池兩大類(lèi)。

質(zhì)子交換膜燃料電池

主要由膜電極、雙極板、電解質(zhì)和外部電路等組成，具有工作溫度低、啟動(dòng)快、功率范圍寬、穩定性強等優(yōu)勢，在汽車(chē)動(dòng)力電源領(lǐng)域發(fā)展迅速。

作為燃料電池和電解槽的關(guān)鍵組件，質(zhì)子交換膜需要具備質(zhì)子傳導電阻小、電流密度大、機械強度高等特點(diǎn)，此類(lèi)膜的局限性在于其易發(fā)生化學(xué)降解，溫度升高使質(zhì)子傳導性能變差，成本也較高。

固體氧化物燃料電池

是全固態(tài)發(fā)電裝置，由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)、密封材料以及連結材料等組成。其中，電解質(zhì)決定了其工作溫度和功率，是核心部件。雖受限于600～1000 ℃的高工作溫度和低啟動(dòng)速度，但因其燃料選擇范圍廣、能量轉化效率高、無(wú)需催化劑等優(yōu)點(diǎn)擁有廣闊的發(fā)展前景。

氫燃氣輪機

燃氣輪機是將燃料的化學(xué)能轉化為動(dòng)能的內燃式動(dòng)力機械，是發(fā)電和船艦領(lǐng)域的核心裝備。較之于燃煤發(fā)電機組，燃氣輪機具有發(fā)電效率高、污染物排放量低、建造周期短、占地面積小、耗水量少和運行調節靈活等優(yōu)點(diǎn)。目前，燃氣輪機電站發(fā)電量約占全球總發(fā)電量的23.1%。

在這方面我國與國外差距較大，需要加強政策扶持力度、深化科研攻關(guān)，盡早為氫能燃氣輪機國產(chǎn)化進(jìn)程鋪平道路。

③氫化工原料

目前全球約55%的氫需求用于氨合成，25%用于煉油廠(chǎng)加氫生產(chǎn)，10%用于甲醇生產(chǎn)，10%用于其他行業(yè)。隨著(zhù)我國科技、工業(yè)水平的不斷發(fā)展，在石油煉制等石化領(lǐng)域將會(huì )越來(lái)越多地用到加氫技術(shù)。

石油化工加氫

石油化工中用到的加氫技術(shù)主要包括重油加氫裂化生產(chǎn)芳烴及乙烯、渣油加氫脫硫生產(chǎn)超低硫燃料、劣質(zhì)催化柴油及汽油加氫轉化生產(chǎn)高辛烷值汽油、C3餾分加氫脫丙炔與丙二烯、重質(zhì)芳烴加氫脫烷基、苯加氫制環(huán)己烷等。

合成化工產(chǎn)品

氫用作原料合成化工產(chǎn)品，例如氨、尿素等。氨主要是通過(guò)哈伯—博施法合成獲得，具有比氫更高的能量密度，可用于儲存能量和發(fā)電，并且完全不會(huì )排放二氧化碳。

氨可以在室溫和10 atm下作為液體儲存，適合于運輸。此外，還有完善的運輸和處理液氨的基礎設施，便于氨的規模利用。氨還可以與CO2結合得到尿素，既是一種重要的氮肥也是一種可持續的氫載體，它穩定、無(wú)毒、對環(huán)境無(wú)害且更易于儲存。

合成燃料

氫氣同樣可以通過(guò)與二氧化碳反應合成簡(jiǎn)單的含碳化合物，如甲醇、甲烷、甲酸或甲醛等。這些化合物液化后易存儲、方便運輸、能量密度高、不易爆炸，并且作為液態(tài)燃料實(shí)質(zhì)上可以達成零碳排放，是一種適合于除輸電之外的可再生能源儲存和運輸模式。

④氫還原劑

鋼鐵冶煉過(guò)程中，采用焦炭作為鐵礦的還原劑，會(huì )產(chǎn)生大量的碳排放及多種有害氣體。鋼鐵冶金作為我國第二大碳排放來(lái)源，亟待發(fā)展深度脫碳工藝。用氫氣代替焦炭作為還原劑，反應產(chǎn)物為水，可以大幅度降低碳排放量，促進(jìn)清潔型冶金轉型。

目前國內部分鋼鐵企業(yè)也發(fā)布了氫冶金規劃，建設示范工程并投產(chǎn)，在“雙碳”目標的背景下，發(fā)展氫能煉鋼已迫在眉睫。在實(shí)際生產(chǎn)中，最適合煉鋼的是綠氫，若綠氫生產(chǎn)成本得以降低，則可加快綠色冶金的推進(jìn)，最終所獲得的環(huán)保效益會(huì )覆蓋其額外成本。利用氫能進(jìn)行鋼鐵冶金是鋼鐵行業(yè)實(shí)現深度脫碳目標的必行之路。

氫能發(fā)展面臨的6大挑戰

目前全球氫能行業(yè)總體處于發(fā)展初期，在終端能源消費量中占比仍然很低。盡管目前開(kāi)展氫能行業(yè)布局國家的合計經(jīng)濟總量已占據全球的75%，但受限于多方面的制約因素，氫能行業(yè)尚未形成全產(chǎn)業(yè)鏈與合力，未能全面推動(dòng)生產(chǎn)生活進(jìn)步，其原因主要如下：

①氫能關(guān)鍵材料及設備零部件要求苛刻、工藝復雜、成本高昂，并且不同國家、不同部門(mén)之間的技術(shù)差距明顯。尤其對于我國來(lái)說(shuō)，一些關(guān)鍵技術(shù)仍然被國外所壟斷。

②電解水制氫技術(shù)是實(shí)現綠氫大規模生產(chǎn)的最有希望的途徑，但其成本過(guò)高，主要由電價(jià)導致，短期仍無(wú)法完全替代碳排放量較高的化石燃料制氫。

③受限于我國可再生能源資源的分布狀況，制氫端與用氫端往往存在著(zhù)較大的時(shí)間和空間錯位性，尚未形成完善的氫氣存儲和輸運網(wǎng)絡(luò )渠道。

④較之于石化能源產(chǎn)業(yè)，氫能屬于新興能源，目前缺乏相應基礎設施整體布局。因此，目前氫能全產(chǎn)業(yè)鏈體系上下游難以形成有效聯(lián)動(dòng)，尚未健全。

⑤當前用氫端需求關(guān)注方向過(guò)于單一，主要集中在氫燃料電池及其交通載具方面，目前成熟度偏低、規模不大，需求尚未得到全面開(kāi)發(fā)。

⑥氫能技術(shù)標準不完善，涉及氫品質(zhì)、儲運、加氫站和安全等內容的技術(shù)標準較少，急需一套健全的國際、國家或行業(yè)標準，以此來(lái)規范氫能行業(yè)市場(chǎng)健康發(fā)展。

氫能未來(lái)3大發(fā)展趨勢

與當前構建天然氣工業(yè)一樣，我國正在構建制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等氫氣能源工業(yè)體系。針對氫能行業(yè)在技術(shù)、經(jīng)濟性及布局規劃上的挑戰，結合產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節，氫能未來(lái)發(fā)展主要有以下3大趨勢：

①在制取氫方面，通過(guò)電力成本與設備成本的協(xié)同降低，方可體現綠氫的經(jīng)濟優(yōu)勢。較之于日本、韓國等國家，我國幅員遼闊，具有廣闊的沙漠、戈壁、荒漠、草原及海域資源，可以提供豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源資源，在發(fā)展綠氫方面具有先天優(yōu)勢，可以加快實(shí)現“氫能中國”戰略。

②在儲運氫方面，氫的長(cháng)距離儲運將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主，中短距離要以如氨等多種儲運技術(shù)結合，并因地制宜地發(fā)展。隨著(zhù)制氫端的技術(shù)突破，通過(guò)輸氫網(wǎng)絡(luò )交聯(lián)，在氫能的下游如工業(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域大規模普及，綠色“氫經(jīng)濟”的概念將轉變?yōu)楝F實(shí)。

③在應用氫方面，隨著(zhù)行業(yè)聚焦與技術(shù)發(fā)展，期待很高的是氫燃料電池，帶動(dòng)交通領(lǐng)域應用的變革。在各類(lèi)需要用氫的化工領(lǐng)域，如煉油、合成氨、甲醇生產(chǎn)以及煉鋼行業(yè)，綠氫將逐步取代灰氫。在其他諸多傳統能源密集型產(chǎn)業(yè)，氫能也將代替化石能源作為能量載體進(jìn)行供能。在建筑領(lǐng)域，采用綠色氫能的分布式冷熱電聯(lián)供系統，也是節能減排的重要方式。同時(shí)，更多的氫能應用場(chǎng)景將得以逐漸開(kāi)發(fā)。