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到2030年可再生能源制氢用户侧成本可以降至2美元/千克

2020-03-31 12:39:43 55
氢气本身是一种清洁的燃料,可在众多应用环节中替代煤、石油和天然气。但是,为了实现整体环境的正效益,氢气的生产必须源自清洁的途径,而非通过当前主流的制氢方法,即未采取减排手段的化石燃料制氢。

可再生氢气可以通过电解水来获得,而电解过程所需的电能则来自成本低廉的风电和太阳能发电。过去五年中,电解槽的成本下降了40%。如果电解槽的部署规模进一步扩大,成本还将继续下降。报告指出,如能采用碳捕获和封存技术,通过化石燃料也可制得清洁氢气,但成本可能会更高。
报告指出,到2050年,若碳价达到50美元/吨二氧化碳时,足以让钢铁企业放弃煤炭,转用清洁氢气;碳价达到60美元/吨二氧化碳时,水泥行业将转用氢能供热;碳价达到78美元/吨二氧化碳时,制氨的化工企业也会转用氢气供能;碳价达到145美元/吨二氧化碳且氢气成本降至1美元/千克,则船只也可通过清洁氢气提供动力。到2031年,以氢气为燃料的重型卡车成本可能比柴油更低。但对于乘用车、公共汽车和轻型卡车而言,纯电驱动的成本更低。
可再生能源制氢的必要性及存在的问题
可再生能源制氢有它的优势,采用了可再生能源,以风光水等等可再生能源为载体,以氢气作为一个二次能源的载体,在能源转型中可以和电力互为补充,以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。
目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外,生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究,还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢,化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。
现在成熟的水电解制氢主要有两种,一是碱性水电解制氢,二是纯水电解制氢,如今固体氧化物电解水制氢技术现在也在研发的如火如荼,但是还没有达到工业化应用的水平。碱性电解水制氢技术相对比较成熟,可以大规模应用,工艺比较简单,成本比较低廉。纯水电解制氢比碱性制氢有更高的电流密度,结构更紧凑,更加安全可靠,更适用于小规模的制氢场合。
风、光发电有很大不确定性,包括水电有枯水期和丰水期,主要的特点是间歇性、波动性、随机性,尤其是风力发电随机性、波动性更加厉害。很难为负载提供一个持续稳定的电力供应,我国风光资源非常丰富,但是由于电网难以承受,风光资源的开发还受到一定影响。尽管我国风、光发电是全世界发展最快的,可能规模也是最大的,但是还有很多资源有待于开发。
要用可再生能源制氢来去解决这样的问题,主要还是要解决几方面的问题:一是宽功率的调整范围,根据它的波动性和不确定性,整个制氢系统需要有一个比较宽的功率调整范围;二是从电力上来讲,电力耦合,想办法把波动降到最小,适应制氢系统的需要。整个系统需要有一个大的控制系统,如果大规模制氢的话,大规模制氢工厂有一个大的控制系统来进行实时检测与测量、数据通讯和传输,还有控制策略的实现等等。最主要的是制氢设备,制氢设备需要能够适应宽功率波动的高效低成本的制氢系统,才能有可能实现大规模的制氢。
如何解决可再生能源储运难题、成本难题?
另外,可再生能源制氢的技术瓶颈,储运和大规模的储存运输也存在一定的问题。大部分的风光电往往建设在远离氢能应用终端比较偏远的地区,像我国的三北地区、东北地区、西北地区,离经济发达地区有一定的距离,离终端的用户可能比较远。
今后的发展方向,一是要发展低温液氢的储运技术,二是如果要实现大规模的使用的话,天然气掺氢的技术也是下一步应该做的一个方向。另外,在将来有很大规模的氢能应用的时候,氢能能够代替天然气来做居民的燃气的时候,也需要做长距离的氢气管道的输送技术。这些技术可能现在更多的还没有相关的标准法规体系,标准法规体系也需要完善。
在整个大规模制氢的成本方面,现在可再生能源制氢的成本主要有三个比较大的瓶颈:一是整体来说,各个地方的电价还不够低,因为要用水电解的设备,水电解制氢的设备主要成本就是电,电价不够低是它的瓶颈之一;二是应用的场景还不够多;三是使用的规模还不够大,规模小,也一定程度上导致了电价很难下降。
张家口市政府给可再生能源制氢制定了一些特殊的政策,也有了比较低的电价。但这只是示范,在整个国家层面上,电价还是相对比较高。应该从以下这几个方面来解决这些问题,主要解决场景和规模的问题。要鼓励发展氢能基础设施,同时通过研发和技术进步,降低绿色氢气的供应成本,这个主要是通过大规模的风电光伏资源的开发,带动发电成本进一步降低。
二是应该将氢能用于低碳密集型行业,可再生能源制氢的应用,现在大部分还限于燃料电池的应用场景。在其他的工业领域,包括石化领域,包括以前的传统用氢的领域,也应该想办法用可再生能源氢气来替代原来用化石能源制取的氢气,来实现减排,这能够使氢气的规模能够得到有效的扩大。另外就是开发一些用氢气和二氧化碳合成的产品,包括一些化工产品,也能扩大氢气的使用场合。同时在建设的时候要尽量考虑将生产氢气的场合和使用氢气的场合缩短距离,以降低它的运输成本。
可再生能源制氢有很好的发展前景。随着我国可再生能源发电量的提高,还有可再生能源制氢成本竞争力的提升,可再生能源制氢一定会在以后的能源结构中占有一席之地,能够起到越来越的作用,也能逐步从灰氢过渡到绿氢,实现碳的减排和改善国家能源体系这么一个重任。


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