氢储能系统关键技术及发展前景

氢储能系统关键技术及发展前景


相比传统能源,氢能源环保且可持续发展,化学反应后只产生水,具有零污染、高效率、适合远距离输送的特点。氢能源可以实现气、液、固三态存储,存储过程自耗少、能量密度高、生产方式多样。

为实现“碳达峰、碳中和”的目标,我国电力行业的减碳压力不容小觑,同时也孕育着新的机遇和挑战。在“十四五”乃至更长一段时间内,氢能源将会迎来新的发展机会,在减碳进程中扮演重要角色。

随着我国可再生能源发电量逐年增多、装机容量占比不断增大,氢储能系统可参与并网消纳,有效减少弃风弃光率,提高可再生能源综合收益。

氢储能系统关键技术及发展前景


本文结合国内外氢能源发展现状,分析当前氢储能系统关键技术及制约因素,研究其在电力行业中的应用模式;结合相关政策研究,提出未来氢储能系统发展建议。

1. 氢能源发展概述



目前广泛推广的氢能源主要指氢气的化学能,即氢气通过氧化反应所释放的能量。氢能源可替代传统化石能源作为交通工具的动力燃料,也可替代煤炭、天然气成为电力系统发电侧的能源燃料,氢能源的完整产业链示意图如图1所示。

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氢气的热值是汽油的3倍、焦炭的4.5倍,化学反应后仅产生对环境无污染的水。氢能源是二次能源,需要消耗一次能源来制取,氢气的获取途径主要有化石能源制氢和可再生能源制氢。

1.1 国外氢能源发展现状

日本在燃料电池关键技术和商业化应用方面处于世界领先地位,其2017年发布的《氢能源基本战略》明确了到2050年建成氢能社会的目标。日本氢能与燃料电池领域技术全面,专利数量居全球第一。

美国将10月8日定为“氢能与燃料电池日”,其对氢能产业的重视可见一斑。美国规划制定了从研发到产业化的完整发展路线,时间从2000年一直持续到 2040 年。此外,美国对运行的氢能基础设施实行 30%~50%的税收抵免。

欧盟规划 2050 年氢燃料电池汽车占家用车比重达 35%。2014 年,欧盟启动Horizon计划,在氢能和燃料电池领域的总预算达到 220 亿欧元。目前,欧洲正在运行的加氢站数量居全球第一,氢能技术和产业发展政策效果显著。

1.2 国内氢能源发展现状方法论很重要

近年来,我国高度重视氢能源产业发展,在科技专项、创新工程等方面进行了重点布局,取得了一定成效。

当前国内制氢主要还是依靠化石能源,电解水制氢占比非常有限。随着氢储能相关技术的发展和建造成本的下降,未来风、光等可再生能源制氢的规模会越来越大,我国氢能源结构会越来越清洁。

总体来说,制约我国氢能源发展的还是燃料电池电堆和关键材料。国产电堆在功率密度、系统功率、寿命等方面与先进水平相比还有差距;质子交换膜、催化剂、膜电极等关键材料和高压比空压机、氢气循环泵等关键设备依赖进口,产品价格较高,国内外燃料电池关键技术参数对比如表1所示。

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因此,我国需注重核心材料和关键技术的突破,补足短板。

2. 氢储能系统关键技术



在可再生能源高占比的电力系统中,弃风弃光问题随着风电、光伏装机总容量的不断增加而日益突出。由于风电、光伏出力的预测准确程度有限,其出力随机性会对电网造成一定冲击。

氢储能系统可利用新能源出力富余的电能进行制氢,储存起来或供下游产业使用;当电力系统负荷增大时,储存起来的氢能可利用燃料电池进行发电回馈电网,且此过程清洁高效、生产灵活。当前氢储能系统的关键技术主要包含制氢、储运氢和燃料电池技术3个方面。

2.1 制氢

利用可再生能源发电制氢是氢能制备的重要途径,制氢成本约为 1.1~2.2元/m3,对比煤制氢 0.69~1.18元/m3和天然气制氢 0.8~1.7元/m3,优势并不明显,但因其为“绿氢”,综合价值较高。

目前电解水制氢主要分为碱水电解、固体氧化物电解和PEM纯水电解技术3种。其中,碱水电解制氢发展成熟、商业化程度高、成本较低,是可再生能源制氢项目的首选方式。

河北沽源风电制氢项目(200MW风电、10MW制氢)的建成、吉林舍力风光制氢储能示范项目(50MW风电、1MW制氢和1MW/(MW·h)储能)的核准批复均对提高可再生能源消纳、促进氢储能系统发展起到引领促进作用。未来随着可再生能源规模化装机及电解水能源转换效率的提高,“绿氢”制造成本会呈现持续下降趋势。

2.2 储运氢

储运氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁,至关重要。可通过氢化物的生成与分解储氢,或者基于物理吸附过程储氢。储氢方式比较如表2所示

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氢能源具有质量能量密度大但体积能量密度小的特点,制约其储运技术发展的关键在于兼顾安全、经济的前提下,提高氢气的能量密度。

综合表 2 及当前行业情况分析,高压气态储氢技术成熟、成本较低、应用最多,但并非最佳方案。有机液态储氢凭借其安全性、便利性及高密度的特点,具有较大发展潜力,是当前研究的重要方向。

此外,基于我国现有的天然气管道进行氢气的传输是否可行,也是值得探讨的课题。

2.3 燃料电池

燃料电池通过电化学反应将氢气的化学能直接转化为电能,清洁无污染,能量转化效率高,是氢能源的最佳利用方式,在全球范围内具有广阔的应用前景。

2009—2018 年全球燃料电池出货量统计如图 2 所示,由图可见出货量统计数据增势明显。燃料电池类型主要包括碱性电解质、质子交换膜、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池,区别在于电解质和工作环境温度不同,适合的应用场景也有差异。

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各类型燃料电池相比较,质子交换膜燃料电池发电效率为 40%~50%,启动快,比功率高,结构简单,处于商业化前沿,在可再生能源领域的氢储能系统中应用较多。

固体氧化物燃料电池发电效率为 55%~65%,余热利用价值高,热电联供效率高,但运行温度高,启动速度较慢,适用于热电联供模式。

近年来我国氢能燃料电池技术整体上取得了长足发展,但存在主要部件依赖进口、电堆和系统可靠性需提高、标准体系需健全完善等问题,仍是制约氢储能系统发展的关键因素。

3. 氢储能系统在电力行业中的应用



风电、光伏等可再生能源已成为我国新增电力的主力,新增装机容量及累计装机容量均排名世界第一,清洁能源替代作用日益显现。

氢储能系统在电力系统中与能源供给侧配合、与分布式能源发电和电网发展相结合,可减少新能源出力不稳定等问题,其应用价值愈加突出。

3.1 可再生能源高占比电力系统应用模式

如截至 2019 年底,张家口市可再生能源发电总装机容量达 1 500 万 kW,占区域内全部发电装机容量的 70% 以上,预计 2030 年实现零碳排放,形成以可再生能源为主的能源供应体系。

在此种可再生能源高占比的电力系统中,风电、光伏的出力不确定性对电网安全稳定运行造成一定影响,将氢储能系统作为消纳高比例可再生能源的重要载体是可行的。

风电、光伏出力受限时,利用富余的可再生能源进行制氢,并作为备用能源储存下来;在负荷高峰期发电并网,提高新能源的消纳能力,减少弃风、弃光,增强电网可调度能力并确保电网安全。未来随着规模化的氢储能系统的应用,可利用储氢实现跨季调峰等应用。

此外,利用大规模不可控的可再生能源来制氢是完全清洁无污染的,是真正意义的“绿氢”,同时可为煤化工和石油化工提供洁净的原料氢,减少二氧化碳的排放,对于我国实现碳中和的目标是有利的。

3.2 区域综合能源系统应用模式

氢储能系统具有可长期存储、能量密度高等优势,将其作为一种电能存储方案进行推广利用,进而解决区域电源和负荷的匹配问题,可一定程度上延缓较为偏远地区微电网的电力设备投资。

例如英国的柯克沃尔小镇氢能生态社区,因其位置相对偏远,小镇利用弃风和潮汐发电进行制氢,再通过燃料电池为汽车、船舶提供动力,并实现热电联供。

3.3 热电联供应用模式

利用氢燃料电池为建筑、社区等供热,并作为备用电源,与电力、热力等能源品种实现互联互补,提高能源利用效率。

虽然与应用较多的供热锅炉相比,此模式优势不够明显,但能够将供热方式从热电厂集中供热向分布式供热转变,可以解决热力管网、电网等基础设施建设的高额投资问题,是一种值得研究的发展思路。

此外,在满足供热需求的同时,也可承担部分负荷进行供电。如日本自2009年开始推广家用燃料电池热电联供系统,普通家庭 40%~60% 的能源消耗可由此系统供给,商业化应用推广较为成功。

3.4 能源互联网应用模式

能源互联网是充分将互联网思想和能源产、输、储、用各环节以及能源市场深度融合的发展新形态。氢能源低碳、环保,能促进可再生能源利用,无额外环境负担,可作为能源互联媒介实现跨能源网络的协同优化。

3.5 氢燃料电池汽车应用模式

到 2030 年,我国燃料电池汽车保有量预计将达到 200 万辆。

利用可再生能源发电制造“绿氢”,可将富余氢能源供给氢燃料电池汽车使用,既促进了可再生能源与氢储能系统协同发展,又实现了汽车绿色环保零排放。

通过氢能源交通的布局发展,推动燃料电池关键材料、核心零部件国产化,促进氢能源产业链快速发展。

4. 氢储能展望及建议



4.1 政策支持

在低碳发展和能源转型的背景下,氢能产业迎来了新的发展机遇。国家层面,国内氢能产业加速规划布局,《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等文件均鼓励氢能产业发展。

2020 年 12 月,国家发布的《新时代的中国能源发展》白皮书明确提出:加速发展“绿氢”制取、储运和应用等氢能产业链技术装备,促进氢能燃料电池技术链发展;支持能源各环节各场景储能应用,着力推进储能与可再生能源互补发展。

在国家政策的引领下,氢能源的应用会被愈加重视,“十四五”期间将迎来新的发展机遇。地方层面,我国多个地方政府纷纷出台了支持氢能产业发展的中长期规划。

其中,就山东地区而言,政策支持力度愈来愈大,氢能产业发展形势乐观。2020年6月山东发布《山东省氢能产业中长期发展规划(2020—2030年)》,助力新旧动能转换、经济转型升级。

2020 年 12 月青岛发布山东省内第一个市级规划,推动氢能产业高质量发展。山东省光伏发电装机规模全国第一、风电装机规模全国第四、在运在建核电装机容量 570 万 kW,具备新能源制氢的良好条件,是氢储能系统发展的关键基础。

济南打造的“中国氢谷”建设工程、青岛提出的“东方氢岛”都将充分发挥带头引领作用,助力氢能源产业快速发展。

4.2 发展中存在的问题及建议

当前制约氢储能系统发展的主要因素:我国在燃料电池关键材料、工艺、核心零部件、耐久性等方面和发达国家相比还有很大的差距;加氢站基础设施建设滞后,其相关技术标准和法规尚不完善,管理机制处在探索研究阶段;燃料电池高成本现状制约商业化发展。针对上述问题,提出如下建议:

加大政策扶持。建议根据各省市情况加大政策支持,其中可研究制定氢燃料电池汽车补贴政策,促进氢燃料电池汽车产业快速发展,带动相关技术研发应用,间接推动氢储能系统等规模化氢能源应用模式试点示范。鼓励投资建设加氢站,建议省市研究制定统一规划、审批、运营指导意见,制定标准化加氢站建设流程,推动各省市加氢网络构建。

加强先试先行。各省市先行建设氢能源综合应用示范园区,通过示范引领,探索可持续的建设运营模式并推广,为全国氢能源综合利用提供可借鉴、可推广、可复制的成熟经验。同时建立健全示范区氢能基础设施建设和氢能应用领域的检测认证、质量认证、安全监测、环境评价等体系工作,形成示范区域优势氢能产业规模集群。

完善关键环节,贯通氢能产业链条。鼓励多元化制氢模式以保障氢源供应,近中期以工业副产氢为主,远期逐步实现绿色能源制氢。开展可再生能源制氢、低谷电力制氢示范,研究核能等新能源制氢技术路径。持续推进加氢站建设,大力发展氢能源制造业,建设国内燃料电池规模化生产研发基地。

重视研发创新。确定重大关键技术,依托高校、科研机构,深化产学研合作,吸引国内外高端专家团队,提升技术创新和科技成果产业化水平,研究基于可再生能源及先进核能的制氢、纯化、储运技术,燃料电池电堆及整车技术,开发燃料电池及氢能源相关装备,探索大容量、长周期的氢储能技术路径。

5. 结语



“碳达峰、碳中和”目标的确定,彰显了我国走绿色低碳发展道路的雄心和决心,从长远来看也预示着可再生能源的发展势头将持续强劲,氢能产业的发展也将迎来新的机遇。

充分借鉴国外发达国家的经验,结合我国基本情况,探索氢能源产业链和氢储能系统应用发展道路,实现高质量稳健发展,进而助力清洁低碳、安全高效能源体系的构建。
来源:国际能源研究中心

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