碳中和視野下的氫電與氫能“遠(yuǎn)望”
來源： 高工氫電 2021-01-21
毫無疑問，中國提出的2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)，將深度影響未來幾年的新能源汽車和能源產(chǎn)業(yè)的變革。
這其中，氫燃料電池和氫能將會扮演關(guān)鍵角色。
全國政協(xié)副主席萬鋼在近日舉行的2021中國電動汽車百人會上表示，從能源的角度來看，要實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)，需要更多地發(fā)展可再生能源。其中，氫氣具有來源多樣化、驅(qū)動高效率、運(yùn)行零排放等特征。
而燃料電池則可以廣泛地應(yīng)用于交通、建筑、工業(yè)和更高效的儲能領(lǐng)域，可推動汽車產(chǎn)業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)的如期達(dá)成。
中國科學(xué)院院士歐陽明高認(rèn)為，新一代車用動力電池和氫燃料電池等電化學(xué)能源系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化是汽車動力百年來的歷史性突破。只有實(shí)現(xiàn)新能源汽車大規(guī)模發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)新能源革命，只有實(shí)現(xiàn)新能源革命才能實(shí)現(xiàn)中國碳中和目標(biāo)。
針對國內(nèi)氫燃料電池汽車的發(fā)展趨勢、能源低碳化下的氫能制備、儲能視野下的氫能機(jī)會，歐陽明高做了具體的闡釋和介紹。
1 中國燃料電池產(chǎn)業(yè)走向：十年內(nèi)成本下降80%以上
經(jīng)過長期的艱苦努力，中國車用燃料電池技術(shù)近年來取得產(chǎn)業(yè)化突破。氫燃料電池技術(shù)比鋰離子電池技術(shù)研究的還要早，經(jīng)過20年的研究，經(jīng)歷了一些曲折，但近年來取得重大突破。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，現(xiàn)在的性能跟五年前相比，所有主要的性能指標(biāo)都有大幅的提升，比如核心指標(biāo)燃料電池壽命提升了300%。國產(chǎn)燃料電池零部件的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)建立，系統(tǒng)集成能力大幅增強(qiáng)，頭部企業(yè)正在形成。
下一步的重點(diǎn)是要使燃料電池系統(tǒng)成本十年內(nèi)下降80%以上。
過去十年鋰電池就是如此，燃料電池滯后了十年。系統(tǒng)成本要從2020年的5000元/千瓦下降到2030年的600元/千瓦。
2020年下半年以來，行業(yè)價格戰(zhàn)已經(jīng)開打，但目前看存在非理性因素，而從長期看，燃料電池價格下降應(yīng)該是完全可以達(dá)到預(yù)期。
燃料電池汽車不僅需要燃料電池系統(tǒng)成本降低，還有很重要的是車載儲氫的成本，這個成本預(yù)計(jì)會比燃料電池下降速度而言會相對慢一些。
現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)塑料內(nèi)膽碳纖維纏繞的700大氣壓車載高壓儲氫瓶。由于剛開始生產(chǎn)，目前成本很高。預(yù)計(jì)到2025年儲一公斤氫的氫瓶成本3000元。主要材料成本來自碳纖維，現(xiàn)在中石化已經(jīng)建立了大型的高強(qiáng)度碳纖維工廠來解決這個問題。
往前看氫能燃料電池的技術(shù)路線圖，2025年目標(biāo)是推廣5-10萬氫燃料電池車；2030-2035年實(shí)現(xiàn)80-100萬輛應(yīng)用規(guī)模，這都是以商用車為主體。
在這個情況下，氫需求量到2030年大概三百萬噸左右，這個可能比預(yù)期的低。這還是按商用車為主體預(yù)測的，如果主要是轎車，只需要幾十萬噸就能滿足。
在加氫站環(huán)節(jié)，數(shù)量可能比想象的要多。因?yàn)榧託湫时燃犹烊粴庖停瑲涫亲钶p的一種氣體，只是天然氣密度的1/8。
當(dāng)前氫燃料電池汽車發(fā)展還面臨一些挑戰(zhàn)，比如說氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈自主化程度與技術(shù)水平和燃料電池還有差距，電解綠氫技術(shù)、氫儲運(yùn)技術(shù)、氫安全技術(shù)還需要改進(jìn)提升，氫燃料的成本總體偏高，這是今后5-10年必須努力解決的。
2 能源低碳化視野下的氫能制備與應(yīng)用
可再生能源只有兩個載體，電和氫能。
面向碳中和前景，氫能汽車只是氫能利用的一部分，或者說是先導(dǎo)部分，氫能不僅僅是為了汽車，發(fā)展氫能汽車使命之一就是為了帶動氫能全面發(fā)展。
因?yàn)榻煌ㄐ袠I(yè)對氫價格的容忍度最好，以后還有煉鋼、化工，發(fā)電，大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組也是要用氫。
氫能目前主要通過電解水制得。電解水制氫和氫燃料電池恰巧是一個逆過程。氫和氧結(jié)合生成水，發(fā)出電，但是有電和水就可以產(chǎn)生氫氣和氧氣，所以把燃料電池成本降下來也可以帶動把制氫成本降下來，這是一個問題的兩個方面。
現(xiàn)在主要有三種燃料電池，也就有三種主要制氫方式。堿性燃料電池對應(yīng)堿性電解、質(zhì)子交換膜燃料電池對應(yīng)質(zhì)子膜電解，固體氧化燃料電池對應(yīng)固體氧化物電解，它們技術(shù)成熟度各不相同。
現(xiàn)在成熟的、中國有價格優(yōu)勢的是堿性電解技術(shù)，正在進(jìn)行商業(yè)化的是質(zhì)子交換膜電解技術(shù)，5-10年后質(zhì)子交換膜電解技術(shù)會大規(guī)模發(fā)展起來。
正在發(fā)展的未來一代是固體氧化物電解技術(shù)，因?yàn)樗男蕵O高。可再生能源制氫成本和可再生能源電價密切相關(guān)。目前在張家口風(fēng)電制氫電價0.15元/度，氫的電耗成本為7元/kg。
此外還有很多氫的載體，比如說液氨，做尿素的氨，它的質(zhì)量儲氫比可以達(dá)到17.8%，體積儲氫密度更高，100升可以做到12公斤，比液氫要高一倍以上，液氫大概100升能夠到6公斤。
所以國際上也有所謂的氨經(jīng)濟(jì)、氮循環(huán)等很多新的概念。氨可直接用于化肥和塑料橡膠等產(chǎn)品和發(fā)電，分解出氫后又可以用于更多方面。制氨的過程是先電制氫，然后再捕捉空氣中的氮，氮和氫結(jié)合生成氨，可以用傳統(tǒng)的工業(yè)催化合成氨，現(xiàn)在正在發(fā)展電催化合成氨新技術(shù)。
3 儲能視角下的氫能機(jī)會
從儲能的功率和存儲的時間看，電池是中小功率短周期存儲。它與分布式光伏匹配還可以，但對有些大規(guī)模風(fēng)電廠就不一定合適了。比如這個月有風(fēng)、下月沒風(fēng)等場景，這時主要要靠氫。
氫是大規(guī)模長周期儲存，所以電池和氫能這兩種儲能必須組合才能構(gòu)成一個總的儲能系統(tǒng)。
氫能是集中式可再生能源大規(guī)模、長周期存儲的最佳途徑。理由是：
第一，能源利用的充分性。氫能大容量、長周期儲能模式對可再生電力的利用更充分。有些電力電池儲不了，比方說四川的季節(jié)性水電，只有氫能儲得了。所以說制氫的電價比充電的電價便宜是有可能的。
第二，規(guī)模儲能的經(jīng)濟(jì)性氫能比電池好，車下固定儲氫大概比儲電成本上大約要低一個數(shù)量級。
第三，與電網(wǎng)基礎(chǔ)發(fā)電電源的互補(bǔ)性。氫能可作為大容量、長周期、高功率靈活能源使用，如用于燃料電池發(fā)電，或者用于大型氫燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電。大電網(wǎng)不可能全是風(fēng)電、光伏。德國能源轉(zhuǎn)型早，可再生能源比例高，由于當(dāng)時儲能技術(shù)不成熟，只能保留大部分傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組作為靈活能源用于調(diào)節(jié)和穩(wěn)定電網(wǎng)，實(shí)施的是雙保險措施，導(dǎo)致電價很貴。現(xiàn)在靠儲能可以把傳統(tǒng)機(jī)組規(guī)模降下來，但是不可能降的很低，必須要有基礎(chǔ)電源，這時氫可以發(fā)揮重大作用。
第四，氫的制、儲、運(yùn)方式靈活。我國的大規(guī)模集中式可再生能源基地在新疆、內(nèi)蒙、寧夏等西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地方的氫能需要千公里以上長途輸運(yùn)。同時綠氫的輸送通道和特高壓電輸送通道是重合的，發(fā)揮超高壓輸電的中國優(yōu)勢，開展長途輸電當(dāng)?shù)刂茪湟彩且环N選擇。
這兩類方式從儲能角度沒什么太大差別，關(guān)鍵是誰的經(jīng)濟(jì)性更好。初步分析比較發(fā)現(xiàn)，長途輸電當(dāng)?shù)刂茪浞桨缚傮w看是有一定優(yōu)勢的。
按電力專家介紹的特高壓千公里輸電成本為8分錢/度電為基準(zhǔn)計(jì)算，當(dāng)可再生能源發(fā)電在0.1元/千瓦時左右時，可以大致實(shí)現(xiàn)加氫槍出口價格30元/kg左右的目標(biāo)，與柴油比具有價格競爭力。
這樣一來就形成一種中國特色的長途輸氫方案，而且利用了我國的能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢。
展望一下未來十年交通智慧能源生態(tài)的建設(shè)，大概有兩個組合。一個黃金組合，就是分布式光伏+電池+電動汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈；還有一個白銀組合，集中式的遠(yuǎn)距離的風(fēng)電與光伏+氫能儲能及發(fā)電+燃料電池汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈。
一個是分布式的智慧能源，一個集中式智慧能源，兩者結(jié)合，共同構(gòu)成面向碳中和的未來智慧能源大系統(tǒng)。
