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伴隨新一輪工業(yè)革命,能源開發(fā)利用技術出現(xiàn)深刻變革,綠色低碳成為全球能源發(fā)展大勢.氫能作為２１世紀人類可持續(xù)發(fā)展的清潔可再生能源,目前已受到全球范圍的高度重視,在我國也受到廣泛關注.面對能源安全、環(huán)境保護等壓力,氫能有望在能源轉型過程中扮演重要角色,氫能作為目前最具潛力的二次清潔能源在我國能源轉型中將占據(jù)重要地位。
１ 我國能源體系正在向 “清潔、低碳、智慧”轉型
１１我國能源發(fā)展的主要矛盾已從供應總量不足轉變?yōu)槟茉唇Y構落后
當前,我國能源消費總量已由“高增量、高增速” 轉變?yōu)?“低增量、低增速”, 能源供需矛盾得到極大緩和。
注:紅色部分為與上一年相比一次能源消費增量
圖１ 我國一次能源消費總量增長情況
由圖１ 可以看出,2001-2007年能源消費總量增速呈臺階式下降,2001-2005年的年均增速為12.3%，2006-2010年的年均增速為7%，2011-2017年的年均增速為3.2%。能源消費增速和增量的 “雙回落” 也使得國內煤炭、煤電、煉油生產能力出現(xiàn)較為嚴重的過剩,產能利用率已跌落至70％甚至更低.
由富煤缺油少氣能源稟賦條件所致 目前我國能源結構呈 “一煤獨大” 的現(xiàn)狀。
圖２ 我國同其他國家一次能源消費結構對比
由圖２可以看出,通過分品種能源結構的國際對比,全球已普遍處于油氣時代,石油和天然氣消費占一次能源消費比重超過50％,而部分發(fā)達國家已開始向可再生能源時代邁進,例如德國的可再生能源占比就已超過了15％. 相比之下, 我國仍處于煤炭時代,煤炭消費占比高達60％以上.
１２ 能源轉型肩負保障能源安全、減少環(huán)境污染和應對氣候變化的使命
我國能源發(fā)展正面臨著嚴重的能源安全、環(huán)境污染和溫室氣體排放問題.能源安全方面,目前我國70％以上的石油和40％以上的天然氣依賴進口,國際地緣政治的 “風吹草動” 以及油氣價格波動, 都會對經濟穩(wěn)定運行造成沖擊;環(huán)境污染方面,我國各種主要污染物排放總量過高,二氧化硫、氮氧化物、煙 (粉)塵以及可吸入顆粒物長期高居世界第一位,已經遠遠超過環(huán)境容量,環(huán)境質量總體處于歷史上最差的時期, 目前全國25個省份都存在不同程度霧霾污染問題,部分城市每年出現(xiàn)霧霾污染達200d;應對氣候變化方面, 我國作為世界第一溫室氣體排放大國,排放總量接近美國及歐盟排放總和,人均排放量將明顯超過部分歐盟國家水平,國際社會對我國的指責也越來越多。
綜上所述,為了保障能源安全、減少環(huán)境污染和應對氣候變化,以多元化、清潔化和低碳化為特點的能源轉型已迫在眉睫.
１３ 經濟合理、穩(wěn)定安全和綠色低碳的 “不可能三角” 亟待破解
建立多元化、清潔化和低碳化的能源供應體系是我國能源轉型的總體戰(zhàn)略目標,但轉型的道路是曲折的.近幾年發(fā)生在能源轉型過程中的許多問題,例如可再生能源發(fā)展遭遇了 “上網難” 的問題,雖然經過燃煤機組深度調峰改造及體制機制創(chuàng)新,棄電現(xiàn)象得到了一定的緩解,但未來可再生能源高比例發(fā)展仍然要面對消納難、接入難的問題. 天然氣方面,北方供暖 “煤改氣” 過程中的供需脫節(jié),導致部分地區(qū)在采暖季 “斷氣”、用戶燒不起氣等現(xiàn)象,嚴重影響了經濟正常運行,也造成了諸多負面質疑.基于此,有學者提出了 “經濟合理、穩(wěn)定安全和綠色低碳” 的 “不可能三角”. 為持續(xù)推進能源轉型進程, 需要重新審視整個能源系統(tǒng), 將供應和需求統(tǒng)籌考慮,以新技術、新業(yè)態(tài)和新模式來破解 “不可能三角”.
２ 氫能將在能源轉型過程中扮演重要角色
２１ 主要國家和研究機構都已對氫能發(fā)展表示出強烈關注
在積極應對氣候變化背景下,到21世紀末確保實現(xiàn)２℃ 甚至1.5℃ 溫升控制目標,正推動全球能源供需體系向低碳化、無碳化加快轉型.主要發(fā)達國家把綠色低碳作為保障能源安全、引領技術創(chuàng)新的重要方面,積極謀求新的國際競爭優(yōu)勢。隨著氫能應用技術發(fā)展逐漸成熟,以及全球應對氣候變化壓力的持續(xù)增大,氫能產業(yè)的發(fā)展在世界各國備受關注,氫能及燃料電池技術作為促進經濟社會實現(xiàn)低碳環(huán)保發(fā)展的重要創(chuàng)新技術,已經在全球范圍內達成了共識。
截至目前,多國政府都已出臺氫能及燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略路線圖,日本、德國等國家更是將氫能規(guī)劃上升到國家能源戰(zhàn)略高度.日本政府提出了建設“氫能 社會” 的宏偉戰(zhàn)略, 于2017年12月份出臺?氫能源基本戰(zhàn)略?,旨在全球率先實現(xiàn) “氫社會”,以實現(xiàn)社會低碳發(fā)展目標和尋求日本經濟新的增長點；韓國政府將氫能作為三大戰(zhàn)略投資重點之一, 于2019年１月發(fā)布了 “氫能經濟發(fā)展路線圖”,明確了面向2040年的氫能發(fā)展目標、戰(zhàn)略及重點任務;美國、德國等發(fā)達國家都已認識到氫能在未來能源系統(tǒng)乃至社會系統(tǒng)中的地位和作用,競相開始搶占產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的技術制高點,力爭使本國在此輪氫能變革中占得先機.國際氫能委員會、國際能源署、麥肯錫等研究機構,對于氫能發(fā)展的前景都普遍看好. 其中, 據(jù)國際氫能委員會預計, 到2050年氫能可以滿足全球一次能源總需求的12％,氫能及氫能技術相關市場規(guī)模將超過2.5萬億美元.
２２ 當前氫能在我國的主要應用
氫氣的利用由來已久,但并非是當前備受關注的交通和電力領域,而主要作為生產原料應用于工業(yè)領域.
圖３ 2017年我國氫氣終端消費結構
由圖３可以看出,據(jù)莫尼塔研究分析[３],2017年我國氫氣消費量超過2500萬t,基本全部用于工業(yè).其中, 生產合成氨用氫占比為37％、甲醇用氫占比為19％、煉油用氫占比為10％、直接燃燒占比為15％. 在合成氨和甲醇生產過程中, 需要使用氫氣與氮氣或一氧化碳發(fā)生反應,而氫氣則由煤炭、天然氣等化石能源制成.在煉油過程中,需要使用氫氣對油品進行加氫裂化、加氫精制等處理,以獲得更多高附加值產品.此外在發(fā)電行業(yè)、食品加工行業(yè)、電子器械制造業(yè)等行業(yè),也會使用氫氣作為生產原料或保護氣.總之,工業(yè)領域主要將氫氣作為原料來使用,而并非能源,氫氣扮演的依舊是工業(yè)原料的角色.
２３ 氫能未來將扮演的新角色
為了實現(xiàn)我國能源系統(tǒng)的多元化、清潔化和低碳化轉型,氫能的發(fā)展可以從 “二次能源、能源載體、低碳原料” 這３個角度切入, 助推能源轉型進程.
(１)氫氣可作為高效低碳的二次能源.氫氣本身是一種高能源密度的二次能源 (單位質量), 同時也具有較強的電化學活性、可通過燃料電池進行發(fā)電.因此氫氣可應用于燃料電池汽車從而替代傳統(tǒng)燃油汽車,節(jié)約石油消費;也可以用于家用熱電聯(lián)產,減少電力和熱力需求;還可以直接將氫氣摻入到天然氣管網直接燃燒.此外,氫燃料電池還可被用作備用應急電源,在維護公共安全領域發(fā)揮影響力,未來隨著５G 基站和大數(shù)據(jù)中心的建設,氫能備用應急電源的應用場景將進一步擴展.
(２) 氫氣可作為靈活智慧的能源載體.通過電解水制氫技術及氫氣與其他能源品種之間的轉化, 可提高可再生能源的消納、提供長時間儲能、優(yōu)化 區(qū)域物質流和能量流,進而建立多能互補的能源發(fā)展新模式.
圖４ 圍繞氫能的多能互補模式示意
由圖４可以看出,在區(qū)域電力冗余時,可通過電解水制氫將多余電力轉化為氫氣并儲存起來；在電力和熱力供應不足時,氫氣可以通過電化學反應發(fā)電、熱電聯(lián)供、直接燃燒等方式來實現(xiàn)電網和熱網供需平衡.氫氣可以以５％ ~２０％ 的比例摻入天然氣管網,成為天然氣的替代能源,還可與二氧化碳發(fā)生烷基化反應制成甲烷.除此之外,電解水制氫可以協(xié)同生產氫氣和氧氣,后者是很好的化工原料和燃燒介質。
(３)氫氣可作為綠色清潔的工業(yè)原料.國際能源署、麥肯錫等機構都認為氫能將實現(xiàn)工業(yè)部門的深度脫碳,主要方式為應用氫能革新型工藝,可以大規(guī)模使用 “綠氫” 替代 “灰氫”(即由焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產氣制取的氫). 氫氣直接還原
鐵是氫能革新型工藝的典型代表,該工藝使用氫氣作為還原劑,將鐵礦石直接還原為海綿鐵,之后進入電爐煉鋼,從而節(jié)省了焦炭的使用、減少了因原料帶來的二氧化碳排放. “綠氫” 替代 “灰氫” 是使用來自可再生能源的氫氣,來替代合成氨、甲醇生產過程中的化石能源制氫,進而實現(xiàn)深度脫碳.
２４ 未來氫能將有望在工業(yè)、交通、建筑等領域“多點開花”
在加速推進能源轉型過程中,氫能將有望全面融入能源需求側的各個領域.在工業(yè)領域,氫能將從原料和能源 “雙管齊下”. 原料方面, 氫能將廣泛應用于鋼鐵、化工、石化等行業(yè),替代煤炭、石油等化石能源;能源方面,氫能將通過燃料電池技術進行熱電聯(lián)產, 滿足分布式工業(yè)電力和熱力需求,預計2050年工業(yè)領域氫能需求將超過3500萬t；在交通領域,氫燃料電池汽車將與鋰電池汽車 “各司其職、各盡所長”, 共同推動新能源汽車對傳統(tǒng)燃油汽車的替代作用,在交通領域掀起新能源變革浪潮;由于氫燃料電池汽車具有行駛里程長、燃料加注時間短、能量密度高、耐低溫等優(yōu)勢,在寒冷地區(qū)的載重貨運、長距離運輸、公共交通甚至航空航天等領域更具有推廣潛力; 預計2050年交通領域氫氣需求將接近4000萬t; 在建筑和其他領域,家用氫燃料電池、燃料電池應急電源等技術設備也有望實現(xiàn)規(guī)?；瘧? 預計2050年氫氣需求將接近2000萬t.
綜上所述,2050年全社會氫氣需求或將接近１億t (折合約3.8億t標準煤). 若實現(xiàn) “２℃” 的碳減排情景,氫能需求還將進一步增加至1.5億t水平甚至更高,增幅接近60％.
為了實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應用, 近期 (2050年)應聚焦于工業(yè)領域,圍繞石化、化工等行業(yè)的原料氫氣需求, 在供需匹配、價格合理的前提下開展“綠氫” 替代 “灰氫”,同時探索氫燃料電池推廣模式和管理體制,推進加氫站等基礎設施建設;中期(2035年)應采用工業(yè)與交通并重策略,在工業(yè)領域推廣氫能冶煉、氫能化工等先進技術,交通領域可大規(guī)模普及氫燃料電池重型卡車、物流車等;遠期 (2050年) 氫能將以全方位實現(xiàn)氫能社會為目標,在工業(yè)領域實現(xiàn)原料、燃料 “雙替代”, 交通領域氫燃料電池汽車高比例應用,建筑領域推廣家用氫燃料電池和分布式電源.
３ 氫能生產格局需面向綠色低碳變革
３１ 我國氫氣主要來自化石能源,氫源需要優(yōu)化
我國目前所使用的氫氣主要來自化石能源、尤其是煤炭,氫源結構遠遠落后于發(fā)達國家、甚至低于全球平均水平.
圖５ 全球、日本和中國氫源結構對比
由圖５可以看出 從全球平均水平看 氫氣48％來自天然氣、30％來自醇類重整、18％來自焦爐煤氣.在氫能強國日本,本國氫氣產能中電解水制氫占63％、天 然氣重整占8％、 焦爐煤氣占6％,值得一提的是,日本在本國大力發(fā)展氫能應用技術的同時, 也在積極尋求海外氫能供應合作商,目前已與澳大利亞、文萊等國簽署了氫能供應的合作協(xié)議.而我國2016年全國氫氣產量約2100萬t,其中來自煤制氫的氫氣占62％、天然氣制氫占19％,電解水制氫僅占１％.可見,我國的氫源結構目前仍是以煤為主,清潔度不夠.
３２ 能源轉型視角下,氫源選擇的 “四要素”
為了滿足未來全社會對于氫能的需求,需要從能源轉型的視角出發(fā),從 “資源供應、成本效益、能源效率、環(huán)境效益” 這４個要素入手, 綜合評價、統(tǒng)籌考慮后,對氫源進行合理選擇.
具體而言,資源供應可理解為適用性,包括制氫原料的可獲得性, 以及氫氣供應與需求在數(shù)量、質量上的匹配程度,發(fā)展氫能不應以犧牲能源安全為代價,同時在選擇氫源時也要考慮氫氣的供應量和純度等因素,因此適用性是氫源選擇的第一考慮因素;經濟性是指氫氣的生產成本,成本低廉是需求側使用氫能替代傳統(tǒng)能源時最現(xiàn)實考慮因素,一般情況下成本高的氫源將被排除在市場之外;能源效率是指能源投入和產出效率,這里需要使用全生命周期評價方法,如果氫氣生產環(huán)節(jié)使用了二次能源,則需要將二次能源生產過程的能源效率考慮在內,例如焦爐煤氣副產氫的能效評估,就需要考慮由煤炭到煉焦和焦爐煤氣環(huán)節(jié)的能源損失;環(huán)境效益是指氫氣生產所造成的環(huán)境污染物和二氧化碳排放,同樣需要使用全生命周期評價方法,例如電解
氫能在我國能源轉型中的地位和作用
水制氫雖然可以實現(xiàn)無污染無排放,但如果電力來自于煤電,則需要將燃煤發(fā)電環(huán)節(jié)的污染和排放算在內.
３３ 不同制氫工藝綜合評估結果
注:綠色為較好,黃色為一般,紅色為較差.評價結果因能源、原料價格和樣本選取等原因存在差異
圖６ 基于四要素對不同氫源綜合評價結果
由圖６可以看出,從當前情況來看,煤制氫在 資源供應方面比較有保障 (我國煤炭資源相對豐富)、具有明顯的成本優(yōu)勢 (10~15 元/kg 氫氣)、能源效率一般 (58~66％)、碳排放問題比較大 (20~25kg二氧化碳/kg 氫氣);天然氣制氫在資源供應上存在明顯短板 (天然氣對外依存度高、采暖季天然氣供應短缺等)、成本效益一般 (20~30元/kg氫氣)、能源效率一般 (70~75％)、存在碳排放問題 (７~10kg 二氧化碳/kg 氫氣); 可再生能源制氫的資源供應一般 (可再生能源生產主要集中在東北、西北、西南等地區(qū),與氫氣需求端存在空間分離)、 成本效益較差(電價為0.5元/kWh時,制氫成本高達40元/kg 氫氣以上)、能源效率較高 (可達７５％ ~８０％)、無碳排放 (采用先進技術工藝). 值得一提的是, 使用煤電來電解水制氫,除了在資源供應方面具有一定優(yōu)勢 (煤電機組閑置情況嚴重),制氫成本超過40元/kg氫氣、全生命周期能源效率低于30%、碳排放量超過70kg二氧化碳/kg氫氣, 是最不宜發(fā)展的制氫工藝.
３４ 近期、中期和中長期各制氫路線的發(fā)展重點
(１)煤制氫.考慮到巨大的煤制氫產能存量和煤制氫低成本特點,近期、中期煤制氫仍然將是我國氫氣的最主要來源,應立足存量,滿足工業(yè)領域中化工、石化等行業(yè)規(guī)?；瘹錃庑枨?同時應注重碳捕捉、封存和利用技術 (CCUS) 與煤制氫的整合應用,降低項目總體成本、提高煤炭利用效率. 中長期可將 “煤制氫＋CCUS” 作為我國氫源的重要組成部分之一.
(２)天然氣制氫.考慮到資源供應約束和成本問題,近期和中期不宜大規(guī)模發(fā)展天然氣制氫,已有產能應注重發(fā)揮設備的靈活性和清潔性,在環(huán)境污染嚴重地區(qū)提供氫氣供應.中長期則可通過固體氧化物燃料電池 (SOFC) 等技術, 在終端需求側通過天然氣重整 “制氫＋SOFC” 模式, 構建分布式熱電聯(lián)產系統(tǒng).
(３)甲醇制氫.甲醇價格近幾年波動明顯,給甲醇制氫造成了嚴重影響.近中期應謹慎發(fā)展,并注重甲醇重整制氫＋燃料電池一體化應用技術的研
發(fā)和示范.甲醇還有望成為氫氣儲存的介質,可探
索 “氫氣生產－合成甲醇－甲醇運輸－重整制氫” 的模式,為氫能大規(guī)模儲運提供可能.
(４)工業(yè)副產氫.我國氯堿、煉焦以及鋼鐵等行業(yè)有大量工業(yè)副產氫資源,足以滿足近期和中期氫氣的增量需求. 但因渠道、價格、信息等原因, 這些副產氫很大一部分被用來直接燃燒甚至排空.因此,未來應探索將工業(yè)副產氫高值化利用的商業(yè)模式,將副產氫提純并運輸至氫氣需求側,更好的發(fā)揮氫能價值.
(５)可再生能源制氫.作為 “綠氫” 的典型代表 成本高是可再生能源制氫發(fā)展的最大障礙.近期和中期應在 “降成本” 上做足文章,在可再生能源資源豐富地區(qū),探索現(xiàn)場制氫、電力直接交易、 提供電力輔助服務、移峰填谷等模式,爭取獲得相對較低的電價.同時還應加大氫能儲運基礎設施建設,提高氫能的空間調配能力.隨著可再生能源的高比例發(fā)展,可再生能源制氫將有望成為綠色氫氣規(guī)模化供應的最重要來源.
４ 主要結論和建議
(１)在我國能源轉型中,氫能將扮演 “高效低碳的二次能源,靈活智慧的能源載體,綠色清潔的工業(yè)原料” 的角色,在我國交通、工業(yè)、建筑、電力等部門得到廣泛應用.預計2050 年全國氫能需求將接近1億 t, 在積極應對氣候變 化、 實 現(xiàn)“２℃” 目標情景下,需求有望超過1.5億t. 面對如此規(guī)模的氫氣需求,氫源結構也需在現(xiàn)有 “以煤為主” 的格局基礎上進行綠色低碳變革.
(２)可再生能源制氫、 “煤制氫＋CCUS” 等技術將共同構成未來氫能供應體系.在多元化的供應格局中,哪種技術發(fā)展到什么程度,取決于各自的適用性、經濟性、能源效率和環(huán)境效益.對于煤制氫而言, 重點是研發(fā) CCUS 技術來控排放; 對于可再生能源制氫而言,重點是創(chuàng)新商業(yè)模式來降成本; 天然氣制氫和甲醇制氫的發(fā)展將取決于SOFC、甲醇燃料電池等技術的進展; 工業(yè)副產氫應該得到優(yōu)先、高值化的利用.
(３)煤炭企業(yè)應以審慎而樂觀的態(tài)度參與到氫能產業(yè)的發(fā)展浪潮之中.首先,做好氫能供應和需求的研判和對接.煤制氫項目投資強度高、產能規(guī)模大,在儲運環(huán)節(jié)的技術和基礎設施約束沒有打破以及下游市場規(guī)模有限的情況下, 不應 “一窩蜂” 上馬煤制氫項目; 其次, 做好 CCUS 等低碳技術的儲備,降低應用 CCUS 技術的成本和能效損失. 此外,還需探索污染物聯(lián)合處理和利用商業(yè)模式, 處理好煤制氫過程產生的高鹽、酸性廢水和廢渣.
(４)政府層面首先應明確氫能發(fā)展定位,形成清晰的戰(zhàn)略導向,避免產業(yè)低水平、無序發(fā)展.其 次應理清氫能管理體制,明確監(jiān)管部門和管理流程.再次,可以以 “政策紅包”替代 “現(xiàn)金紅包”,通過加強能源、環(huán)境領域的監(jiān)管,倒逼能源轉型,為氫能打開終端應用市場,而非傳統(tǒng)的財政補貼模式.
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本篇內容來源于中國煤炭第45卷第10期2019年10月，本站想讓更多人了解氫能，如有侵權，請聯(lián)系我方刪除。
