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歐陽明高院士:雙碳目標(biāo)下全球能源轉(zhuǎn)型與儲能、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策展望!

工業(yè)4俱樂部 ? 來源:《前沿材料》 ? 2023-09-21 15:44 ? 次閱讀

01

燃料電池的商業(yè)化

2022年中國氫能汽車的銷量是3000多輛,今年上半年有所增長,銷量最多的省份是陜西省,陜汽控股今年上半年燃料電池卡車銷量是400多輛,全國排名第一。

另外氫車車型也在全方位擴(kuò)展,原先主要是客車,現(xiàn)在各種卡車都有。而且燃料電池發(fā)動機(jī)企業(yè)非常多,市場占有率也在不斷增長,去年億華通市占率超過20%,排名第一。

在清華和億華通燃料電池體系的研發(fā),是從燃料電池汽車開始的。最開始做燃料電池動力系統(tǒng)與控制,發(fā)動機(jī)是外購的,后來自主研發(fā)燃料電池發(fā)動機(jī);電堆是外購的,后來開始研發(fā)電堆;膜電極是外購的,現(xiàn)在膜電極都是國產(chǎn)化。

現(xiàn)在來看,經(jīng)過20年的發(fā)展,氫能已經(jīng)形成全產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系。

成本:現(xiàn)在整個(gè)燃料電池系統(tǒng)成本,已經(jīng)在快速下降。去年降到3000元/kW,今年已經(jīng)降到2500元/kW左右,還會持續(xù)下降。到2025年估計(jì)會降到1000元/kW,2030年會降到500元/kW。

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效率:燃料電池電堆額定效率是60%,氫內(nèi)燃機(jī)的效率大概40%多,加上發(fā)電機(jī)效率一般在35%~40%之間,燃料電池整體效率要進(jìn)一步提升到60%,60%的效率也意味著氫耗會大幅下降也就是成本大幅降低,但這還有一段路需要走。

壽命:氫燃料電池系統(tǒng)壽命方面,現(xiàn)在是20000小時(shí)左右,2025年預(yù)計(jì)能做到25000小時(shí),到2030年我們預(yù)計(jì)達(dá)到30000-35000小時(shí)。

02

綠氫的制備

到2030年,電解水制氫市場估計(jì)能到100GW。中國是全球最大的氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)市場,中國的電解水制氫在全球具有成本優(yōu)勢,將來有可能成為繼光伏、鋰電池、電動汽車這三個(gè)新能源產(chǎn)品之后的第四大出口產(chǎn)品。

我們團(tuán)隊(duì)也進(jìn)入電解制氫環(huán)節(jié),目前有三種技術(shù)路線:固體氧化物電解、質(zhì)子交換膜電解、堿性電解,這三種技術(shù)都有研發(fā),也都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā),目前最具潛力、最現(xiàn)實(shí)、成本最低、壽命最長、最有中國優(yōu)勢的還是堿性電解。現(xiàn)在訂貨量(大規(guī)模)100GW以上都是堿性電解,其他技術(shù)路線雖然在試用,但還有很多問題(成本、壽命等)。

當(dāng)前大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化制氫主要是堿性電解水制氫。目前國內(nèi)堿性制氫缺乏體系和標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在國內(nèi)使用的是以718研究所為代表的,上個(gè)世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的制氫的技術(shù)。氫能行業(yè)以前需求小,所以就一兩家企業(yè)在做,現(xiàn)在行業(yè)起來了,需要急劇的技術(shù)提升和變革。

行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)也面臨很多問題,包括電極的衰減、鍍層脫落、隔膜磨損、密封失效、效率衰減大以及維修不便等等。

堿性電解水額定效率不高,目前效率只有50%多,主要存在兩個(gè)問題:隔膜和催化劑。通過改進(jìn)隔膜和催化劑,可以把額定效率提升到75%以上(低熱值),額定電流可以達(dá)到10000安培。

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最好是可以不用或者少用貴金屬。隔膜是核心材料,決定阻抗大小、效率高低。對于隔膜研發(fā),有兩種選擇路徑,一是陰離子膜,一個(gè)是離子溶劑膜。更看好離子溶劑膜,這是未來的發(fā)展方向,所以堿性電解水路線還有很大的技術(shù)研發(fā)潛力。

03

綠氫儲運(yùn)和加注

氫氣的儲存有多種技術(shù)路線:氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài),近期比較火的是固態(tài)儲氫,固態(tài)又分很多種,液態(tài)儲氫有液氫、甲醇、甲酸、甲苯等。儲氫的關(guān)鍵是成本,這里指平準(zhǔn)化儲氫成本,也就是全生命周期總投入和儲氫循環(huán)的總量來算成本,但固態(tài)儲氫目前還在自研階段,成本無法計(jì)算。

目前高壓容器儲氫成本最低。液態(tài)儲氫發(fā)展最好的是液氨儲氫,氨的儲氫量大,1立方米能儲120公斤氫氣,液氫液化可以儲存50公斤,液氨儲氫比液氫高出1倍多,而且氨基礎(chǔ)設(shè)施完備,所以大規(guī)模、長距離的儲運(yùn)將來都是氨。

車端儲氫目前都是35MPa氫瓶,這個(gè)仍然是主流技術(shù),中期突破的可能較小。下一步是提高氫瓶壓力,目前70MPa氫瓶較貴,儲氫價(jià)格在6000~7000元/公斤。降低氫瓶成本的核心材料是高強(qiáng)度碳纖維,需要材料國產(chǎn)化才能把價(jià)格降下來。

從運(yùn)氫的角度看,如果氫氣價(jià)格是11元/kg,拖車是20MPa,100km需要10元,加氫站費(fèi)用10元,到最終加到車上大概30元。如果儲運(yùn)壓力提到50MPa,單車運(yùn)氫可接近1噸,運(yùn)輸成本會大幅下降。如果長距離(1000公里)運(yùn)輸,量比較小的時(shí)候,輸電更加劃算,1000公里8分錢/度電,超高壓輸電更有優(yōu)勢,將來如果大規(guī)模、長距離輸氫管道更具優(yōu)勢。

04

氫系統(tǒng)集成和氫儲能

氫能系統(tǒng)集成的技術(shù)挑戰(zhàn)是產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)和多元化,從可再生能源到終端應(yīng)用,包括制氫、轉(zhuǎn)化、儲存、運(yùn)輸、加氫和應(yīng)用,每一個(gè)環(huán)節(jié)都是多元化的。和電動汽車和動力電池不一樣,氫能沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),環(huán)節(jié)又比較多,所以必須要選擇,沒有統(tǒng)一的模式和標(biāo)準(zhǔn)的解決方案,就只能因事制宜、因地制宜,國情決定路線,場景定義產(chǎn)品。

氫系統(tǒng)集成:現(xiàn)在大的制氫公司往往都要50個(gè)、100個(gè)電解槽(1000方),這100個(gè)怎么集成,全世界都沒干過。這里面有控制問題、安全問題、化工問題等一系列問題,這也是我們現(xiàn)在做的工作,比如現(xiàn)在在做仿真平臺,多槽混聯(lián),有實(shí)驗(yàn)的、有構(gòu)型方面、還有控制運(yùn)行策略的等。

氫儲能:就是利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力來大規(guī)模制氫,將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來,然后再在電力輸出不足時(shí)利用氫氣通過燃料電池或其它方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng),發(fā)揮電力調(diào)節(jié)的作用。氫儲能會是今后的主流儲能方式,因?yàn)閮δ艿囊?guī)模和周期都是壓縮空氣和抽水蓄能無法相比的,電化學(xué)儲能就更不行了。

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可以在東部發(fā)展氫儲能,比方分布式氫儲能,就是用燃料電池發(fā)電。氫儲能是除了氫動力和氫原料,用于化工和鋼鐵之外的最大用途,也是未來新型電力系統(tǒng)重要支撐。

氫儲能需要把氫能全產(chǎn)業(yè)鏈集成,一個(gè)環(huán)節(jié)都不能落下,這是最難的。首先瓶頸在制氫系統(tǒng)成本和發(fā)電成本,對于發(fā)電有多種選擇:燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)以及摻燒鍋爐,現(xiàn)在主張?jiān)趪鴥?nèi)光伏風(fēng)電基地旁邊調(diào)峰煤電廠用摻氫燃燒的方式發(fā)電。

現(xiàn)在煤電廠都在發(fā)展靈活改造,在低負(fù)荷的時(shí)候,煤燃燒是不穩(wěn)定的,通過摻氫的方式可以解決這個(gè)問題。

這是我們做的一個(gè)計(jì)算分析。在風(fēng)光富足的時(shí)候制氫,圖中紅色的鍋爐還沒發(fā)電,摻入20%氫,二氧化碳會降低40%。

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氫儲能可以實(shí)現(xiàn)能量季節(jié)性轉(zhuǎn)移,未來10%的可再生能源要通過長時(shí)儲能解決,主體就要?dú)鋬δ堋?0%是多少呢?到2060年,中國需要1.5萬億度電的長時(shí)儲能,2060年中國全社會用電量大概是17萬億度,占比9%。

05

總結(jié)

中國氫能源技術(shù)發(fā)展的階段性特征是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)建立,燃料電池系統(tǒng)的成本在快速下降。

燃料電池汽車的問題是儲氫系統(tǒng)較貴。60kg氫35MPa的儲氫系統(tǒng),大概30-40萬元。燃料電池成本下降的快,儲氫系統(tǒng)成本降的偏慢,是制約氫車發(fā)展的一大障礙。

氫能交通逐步發(fā)展到氫燃料、氫化工、氫冶金、氫發(fā)電、氫儲能,氫能交通是氫能的先導(dǎo),不是主體。氫能交通占整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)的20%,80%應(yīng)用是在其他領(lǐng)域。

制氫將成為中國氫能的優(yōu)勢,氫儲運(yùn)仍是薄弱環(huán)節(jié),但是有很多選擇。實(shí)際上,儲氫是氫能相比電池最大的優(yōu)勢。當(dāng)下,電池儲電至少需要1000元/度,1kg氫需要33度電,這些電用電池儲存需要3.3萬元。1kg氫如果用一個(gè)10MPa的高壓容器儲存,最多需要100多塊錢,差1~3個(gè)數(shù)量級。儲氫貴是指車端,車下儲氫跟電池儲電相比要便宜幾個(gè)數(shù)量級。

氫的一切都是成本問題,也就是經(jīng)濟(jì)性問題。為了解決氫的成本問題,比方說加氫站,未來加氫站站內(nèi)制氫就是低成本的方案之一,現(xiàn)在已經(jīng)有很多氫氣制取沒有在化工園區(qū)進(jìn)行。當(dāng)電價(jià)是0.15元/度時(shí),綠氫具備經(jīng)濟(jì)性,但是加上過網(wǎng)費(fèi)后(0.35元/度)就不具備經(jīng)濟(jì)性,總的來說電價(jià)要低于0.2元/度。

氫儲能可以通過去掉過網(wǎng)費(fèi)或者離網(wǎng)制氫,不去網(wǎng)上取電,直接光伏發(fā)電離網(wǎng)制氫。氫儲能對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié),所以制氫的時(shí)候電價(jià)低,放電的時(shí)候有容量電價(jià)、調(diào)峰電價(jià),因此電價(jià)很高,可以賺取差價(jià)。

車載儲氫瓶很貴怎么辦?70MPa的氫瓶大概需要50萬元,而一輛柴油車總共不到50萬元。學(xué)習(xí)換電卡車的方式,換氫瓶不賣氫瓶,氫瓶壽命可達(dá)1000萬公里,我們也在探索換氫瓶模式。所以需要通過技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新來解決綠氫的經(jīng)濟(jì)性問題。

從氫能全產(chǎn)業(yè)鏈看,已經(jīng)基本具備產(chǎn)業(yè)化的條件。氫能有戰(zhàn)略價(jià)值,但是現(xiàn)在要發(fā)揮它的商業(yè)價(jià)值,沒有商業(yè)價(jià)值,技術(shù)會很難進(jìn)行下去,而商業(yè)價(jià)值的核心就是性價(jià)比,關(guān)鍵是綠氫的成本。要以富余綠電資源低成本制氫為源頭推動,以多元化場景應(yīng)用為龍頭拉動,這樣來帶動綠色氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

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原文標(biāo)題:歐陽明高院士:雙碳目標(biāo)下全球能源轉(zhuǎn)型與儲能、氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策展望!

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