氢气的用途(氢能的应用领域及市场前景)

  氢能作为一种清洁高效的新能源,由于其灵活高效、清洁低碳、应用广泛,正在成为全球争相发展的未来能源新星。日美欧多个国家制定氢能发展战略,储氢、运氢、加氢等氢能基础设施建设加快,氢燃料电池在商用车等领域率先开展示范应用。碳中和战略是推动氢能发展的主要动力,随着氢能技术突破和规模化应用,氢能全产业链将迎来发展爆发期。

  一、氢能储能

  目前在储能领域,抽水蓄能系统占据绝对主导,电化学储能、氢能储能、飞轮储能等新的储能技术也在不断发展。氢能能量密度高,运行维护成本低,可同时适用于极短或极长时间供电的能量储备,是少有的能够储存上百GWh以上的储能形式,被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。相对而言,电池只是一个短周期、高频率、分布式的储能装置。

  根据国际氢能委员会预计,到2050年氢能将承担全球18%的能源终端需求。《欧盟氢能战略》提出,在2024年之前可再生能源绿色制造氢达到100万吨,2030年达到1000万吨。中国的氢能和燃料电池发展了20年,现在也正处于向规模产业化发展的阶段,未来5年应该会有大规模的发展,而且国家的补贴政策也即将开始,这将给氢能发展带来很大动力。

  大规模利用可再生能源富余电力制氢,即电转气(P2G)技术已为市场普遍看好。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。

  二、集中发电/分布式发电

  1、分布式发电

  利用燃料电池开展分布式发电,被视为电网削峰填谷的一种解决方案,具备4大优点:一是稳定性好:不受天气、时间和区域影响;二是发电效率高,理论成本低;三是天然气属于低碳清洁能源;四是与现有加气站等基础设施相匹配。

  目前,全球燃料电池分布式发电主要由美国、韩国和日本三个国家推动。其中,美国以BloomEnergy为代表,主要发展SOFC大型商用分布式发电;韩国以斗山集团为代表,主要发展PAFC大型商用分布式发电;日本以松下和东芝为代表,主要发展PEMFC小型家用分布式发电。

  氢燃料电池在大型数据中心等领域辅助供能方面有较大的应用前景。众多知名数据中心开始追求100%可再生能源供电目标,光伏等新能源加上储能系统供电成为数据中心的新型解决方案,氢燃料电池与UPS系统结合,可以帮助数据中心实现节能管理。

  2、冷热电联供

  相比天然气发电,利用氢燃料发电是替代火力发电的一种更佳的低碳化方案。在技术上,首先可以从氢燃料与天然气混燃发电开始突破,开发利用余热进行甲基环己烷(MCH)、氨等氢载体的脱氢反应技术,高效脱氢工艺可进一步降低成本,与此同时加快脱硝燃烧器和非喷淋脱硝技术的开发。2020年小型纯氢燃料热电联产的发电效率已提高到27%,到2030年有望全面实现商业化应用。

  利用氢燃料电池也可以实现冷热电联供。近期,由东方氢能、东方锅炉与华电集团四川分公司三方联手打造的100kW级商用氢燃料电池冷热电联供系统已正式交付,它打通了制氢、氢气发电、供热制冷等环节,进一步拓宽氢能示范应用领域,开辟可再生能源制氢及氢能综合利用的新路径。

  三、氢动力汽车

  1、氢燃料电池汽车

  氢燃料电池汽车是氢能高效利用的最有效途径,当前全球多个国家都在积极布局氢燃料电池汽车产业链。截至2020年底,我国累计接入燃料电池车超6000量,TOP10企业累计接入5300辆,占比达88.3%。从技术发展看,近年来氢燃料电池汽车功率逐年提升,2018年大多为30KW,2019年集中在40KW-50KW,2020年大多为60-80KW,2021年将以80KW为主。

  氢燃料电池整车市场,以客车、重卡为主的商用车成主流市场。在氢能客车渗透率不断提高的同时,重卡成为新的市场重点。一方面,在当前补贴条件下,燃料电池重卡已经进入平价区域,另一方面,燃料电池因高能量密度、长续航历程,运营阶段零排放的特点,成重载领域电动化的最优方案。

  国内氢燃料电池汽车市场需求旺盛,预计未来主体需求逐步从商用车向乘用车转化。由于不同地区能源结构差异和氢能特性,燃料电池和纯电动车将进入长期共存、互为补充的应用局面。根据中国氢能联盟预计,2050年中国氢燃料电池产量达到520万辆/年。

  2、氢燃料发动机

  近期,中国工信部研究推动将氢气内燃机纳入氢能发展战略,氢气内燃机有望成为新赛道。氢燃料发动机通过使用从汽油发动机使用的燃料供应和喷射系统改进而来的氢气喷射系统产生动力。氢燃料内燃机可以在传统发动机的基础上进行改造,适应性强,更适用于重载、非道路、建筑和专用商用车。

  上世纪70年代后,德国、日本、美国、中国都有氢内燃机的技术投入。2007年,宝马推出迄今为止氢内燃机汽车最接近量产的产品Hydrogen7。近年来,福特、丰田等汽车公司也积极推动氢燃料发动机研发。英国工程机械制造巨头JCB发布了一款氢燃料活塞发动机,在成本、重量上都比传动的电机、电池或燃料电池更有优势。

  四、氢动力船舶

  1、氢燃料电池船舶

  从技术层面看,氢燃料电池在船舶领域应用具有三大优势,相较传统燃油船舶与动力电池船舶均有占优。氢燃料电池船舶基础技术成熟但成本高昂,船舶用氢燃料电池模组实现从200kw扩展至兆瓦级,电能效率突破55%。

  目前氢能船舶领域还没有成熟的商用船只,技术研发正积极实现降低成本和全环节技术链条整合,推动形成围绕氢燃料电池船舶的完整产业链。自2018年以来,中国相继出台多项政策,从技术研发、落地推广等角度推动氢燃料电池船舶发展,预计2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量将分别达到400艘和200艘。

  2、氢燃料发动机船舶

  日本《绿色增长战略》提出,到2050年将现有传统燃料船舶全部转化为氢、氨、液化天然气(LNG)等低碳燃料动力船舶,促进面向近距离、小型船只使用的氢燃料电池系统和电推进系统的研发和普及;推进面向远距离、大型船只使用的氢、氨燃料发动机以及附带的燃料罐、燃料供给系统的开发和实用化进程。

  全球船用发动机领导者瓦锡兰预计,将在2021年内推出氨混合燃料发动机,于2023年推出纯氨燃料发动机,并将于2025年推出纯氢燃料发动机。中国船舶等企业也在积极研发氢氨发动机、氢燃料燃气轮机。

  五、氢动力航空

  航空业每年排放9亿吨以上的二氧化碳,氢能是发展低碳航空的主要途径。氢能在飞机上的应用有以下四种途径:直接在燃气轮机中燃烧,通过燃料电池用于推进或非推进能源系统,燃料电池和燃气轮机的混合动力组合,氢基合成燃料。

  氢气可以与二氧化碳结合,产生一种不需要改变现有飞机基础设施的“过渡”燃料。考虑到航空部门的低资产周转率,氢基燃料是航空业在2050年前实现有意义脱碳的主要途径。目前,全球排名前10大的机场都在探索或已经部署了加氢基础设施,用于辅助交通和物流。

  对于通勤类客机和支线客机,燃料电池推进是最节能、最环保、最经济的选择。针对短程客机,混合动力(氢气燃烧和燃料电池)可能为最佳方案。欧美中短途的小型氢动力飞机项目正在兴起。针对远程客机,合成燃料可能是更具成本效益的脱碳效益的解决方案。

  空客已制定氢能源飞机技术路线图:2021年进行地面演示;2023年氢燃料技术验证机首飞;2024年确定氢燃料飞机选型;2025年氢燃料验证机首飞;2035年氢燃料飞机交付;将氢燃料推广应用到空客全系产品,包括直升机产品;在大型客机上采用氢能源。

  六、氢能冶金

  氢能冶金是金属冶炼行业碳减排的一种重要途径,目前的研发应用主要集中在钢铁领域。短期内以高炉富氢为主,未来逐步推进气基竖炉富氢。国内钢铁行业未来一段时间仍以长流程为主,现阶段应推广灰氢+高炉富氢的氢能炼钢工艺,随着未来条件成熟,更适宜氢气炼钢的富氢气基竖炉直接还原工艺在国内占比将逐步提升。

  目前,国内多个大型钢企在推进氢炼钢生产线改造和建设,就已有高炉富氢工艺对现有高炉进行改造,或者建设气基还原工厂,进行氢能炼钢,在为下游提供钢铁产品的同时实现碳减排。预计2060年,氢冶金粗钢产量将达4.36亿吨,其中采用富氢高炉工艺粗钢产量为2.26亿吨,气基竖炉工艺粗钢产量为2.1亿吨;生铁产量将达3.44亿吨,其中富氢高炉生铁产量为1.97亿吨,气基竖炉工艺生铁产量为1.47亿吨。

  七、建筑供热

  与天然气相比,氢气密度较低,单位质量的燃烧热远大于天然气;氢更容易点燃且其火焰速率要远快于天然气;氢气在空气中扩散系数高,不易造成扩散后的聚集进而危险性降低。

  在现有天然气管道中掺杂氢气,满足建筑领域供热需求,同时减少碳排放量。近中期实施中低比例掺氢,在氢气浓度(体积最高为10-20%)相对较低的情况下,无需对基础设施和终端应用进行重大改变,投资成本较低。若混合比例为5%,每年将减少约20万吨二氧化碳排放。

  我国天然气掺氢尚处于研发试验阶段,主要由资金实力雄厚的国有企业开展实施,实际投产运行天然气掺氢示范项目的企业很少,部分企业发明了相关的研究专利,但未落实到具体的项目实践中。
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