曹 蕃陳坤洋郭婷婷金緒良王海剛張 麗

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)研究院,北京石景山100043)

0 引言

當(dāng)今世界,化石能源大量使用,帶來(lái)環(huán)境、生態(tài)和全球氣候變化等一系列問題,主動(dòng)破解困局、加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展已經(jīng)成為世界各國(guó)的自覺行動(dòng),能源清潔低碳發(fā)展成為大勢(shì)。氫能是公認(rèn)的清潔能源載體,從開發(fā)到利用全過程可實(shí)現(xiàn)零排放、零污染。同時(shí),氫能具有能量密度大、轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn),被看做最具應(yīng)用前景的能源之一[1-2]。國(guó)際氫能源委員會(huì)預(yù)測(cè)2050年氫能源需求將達(dá)到目前的10倍,占終端能源消費(fèi)量的比例超過15%[3]。

部分發(fā)達(dá)國(guó)家已將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。美國(guó)是氫能經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)者,也是推動(dòng)氫能發(fā)展的最重要國(guó)家之一。2002年11月美國(guó)能源部頒布了《國(guó)家氫能路線圖》,對(duì)氫的制備、儲(chǔ)運(yùn)、轉(zhuǎn)換以及應(yīng)用等氫能技術(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的闡述。迄今,美國(guó)政府已經(jīng)頒布了一系列政策并啟動(dòng)了大型科研計(jì)劃,以積極引導(dǎo)并努力實(shí)現(xiàn)化石能源經(jīng)濟(jì)逐漸向氫能經(jīng)濟(jì)過渡。德國(guó)在氫能方面的推廣應(yīng)用走在歐洲前列。2011年德國(guó)Greenpeace Energy等能源公司在德國(guó)建立6 MW風(fēng)-氫示范項(xiàng)目[4]。此外,Audi公司于2013年在德國(guó)建成6 MW光伏-氫-甲烷項(xiàng)目(E-Gas項(xiàng)目),通過光伏發(fā)電制取氫氣,再與二氧化碳重整制成甲烷,年產(chǎn)甲烷能力達(dá)到1 000 t。日本在氫能發(fā)展和利用方面同樣走在世界前列[5-6]。2014年發(fā)布《氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖》,明確了2025、2030和2040年三階段發(fā)展目標(biāo)。2017年,日本發(fā)布《氫能基本戰(zhàn)略》,從氫能供應(yīng)、氫能利用等方面提出了具體發(fā)展目標(biāo),計(jì)劃2050年燃料電池汽車全面普及。

作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,我國(guó)將加快推動(dòng)氫能開發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。氫能已被列入《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》等重大規(guī)劃,并寫入國(guó)務(wù)院《政府工作報(bào)告》。目前,我國(guó)氫能研究發(fā)展仍處于初步階段,氫能產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)仍存在不少問題有待解決。例如制氫環(huán)節(jié)的電解槽,儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)的車載氫罐,加氫站環(huán)節(jié)的氫氣壓縮機(jī)、加氫機(jī),燃料電池環(huán)節(jié)的雙極板表面處理、膜電極噴涂設(shè)備等,均與國(guó)外有不少差距[7]。另外,適合我國(guó)能源狀況的氫能發(fā)展道路仍有待探索。從我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)型趨勢(shì)上看,風(fēng)電、光伏等可再生能源的發(fā)展十分迅速并將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,可再生能源與氫能的耦合發(fā)展將成為重要方向。另外,綜合能源服務(wù)已經(jīng)成為能源電力行業(yè)的熱點(diǎn)。綜合能源服務(wù)較之傳統(tǒng)能源服務(wù),更加注重用能的清潔低碳化和用戶的能效提升。氫能具有清潔低碳的天然屬性,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與熱網(wǎng)、氣網(wǎng)、交通網(wǎng)等多類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),在未來(lái)綜合能源服務(wù)園區(qū)的應(yīng)用前景非常廣闊。

本文首先分析制氫、儲(chǔ)氫和用氫等領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景,在此基礎(chǔ)上提出適合我國(guó)國(guó)情的氫能發(fā)展技術(shù)路徑,以期為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 制氫技術(shù)

氫氣的制備方法種類繁多,常見的工業(yè)制氫方法主要包含以下幾類。

(1)化石燃料制氫。主要包括石油、天然氣蒸汽重整制氫和水煤氣法制氫等[8]?；剂现茪涫且环N成本低廉的制氫方法,制氫成本可控制在0.6～1.5元/m3[9-10]。目前我國(guó)超過95%的氫氣是由煤、天然氣、石油等化石燃料制取而來(lái)[11]?；剂显谥茪溥^程中產(chǎn)生大量碳排放,因此未來(lái)必須結(jié)合碳捕集封存(carbon capture and storage,CCS)技術(shù)才能得到更廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

(2)工業(yè)副產(chǎn)物制氫。主要包括煉油廠回收富氫氣體制氫、氯堿廠回收副產(chǎn)氫制氫、焦?fàn)t煤氣中氫的回收利用等[12]。這些技術(shù)充分利用了工業(yè)副產(chǎn)物,工藝成熟,制氫成本低,成本在1.3～1.5元/m3。

(3)電解水制氫。電解水制氫也是傳統(tǒng)的制氫方法之一,過程簡(jiǎn)單,無(wú)污染。由于電費(fèi)占到運(yùn)行費(fèi)用的70%左右,單純的電解水制氫工藝的經(jīng)濟(jì)性不高。不過,目前我國(guó)大力推進(jìn)可再生能源發(fā)展,其消納過程中產(chǎn)生的棄風(fēng)、棄光等剩余電力為電解水制氫的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。電解水制氫已成為我國(guó)電力行業(yè)削峰填谷及棄電消納問題的重要技術(shù)選擇[13]。

常見的電解水制氫技術(shù)主要分為：堿性水電解、固體聚合物電解質(zhì)(solid polymer electrolyte,SPE)以及固態(tài)氧化物電解質(zhì)(solid oxide electrolyser cell,SOEC)電解水,三種技術(shù)對(duì)比見表1[14-16]。其中,堿性水電解技術(shù)已發(fā)展較為成熟;SPE電解水技術(shù)在國(guó)外開始商業(yè)應(yīng)用,但在我國(guó)基本處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段;SOEC電解技術(shù)目前國(guó)內(nèi)外均處于研發(fā)階段。相對(duì)于堿性水電解,SPE電解水制氫設(shè)備具有更寬泛的運(yùn)行功率范圍及更短的啟動(dòng)時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)高電流密度電解,功耗低,體積小,生成氣體純度高,容易實(shí)現(xiàn)高壓化,更適用于可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性輸入。因此,SPE電解水技術(shù)將是未來(lái)制氫技術(shù)的重要發(fā)展方向。

另外,近年來(lái)還出現(xiàn)了一些新型制氫技術(shù),包括光催化制氫、核能熱利用制氫和生物質(zhì)制氫等。但目前這些技術(shù)均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,距離工業(yè)應(yīng)用比較遙遠(yuǎn)。

1.2 儲(chǔ)氫技術(shù)

儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固體材料儲(chǔ)氫以及有機(jī)液體儲(chǔ)氫,其技術(shù)對(duì)比見表2。

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有成本較低,工藝成熟的優(yōu)點(diǎn),比較適合在燃料電池汽車上應(yīng)用,仍將是未來(lái)幾年內(nèi)主流的儲(chǔ)氫技術(shù)。其中,日本豐田汽車公司在高壓車用儲(chǔ)氫容器方面走在世界前列,開發(fā)的塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶(Ⅳ型),可以實(shí)現(xiàn)70 MPa的高壓密封儲(chǔ)氫,儲(chǔ)氫的質(zhì)量密度達(dá)到5.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。我國(guó)商用的高壓車用儲(chǔ)氫容器采用鍛壓鋁合金為內(nèi)膽,外面包覆碳纖維氣瓶(Ⅲ型),35 MPa的儲(chǔ)氫瓶已廣泛應(yīng)用于車載系統(tǒng),但70 MPa高壓氣瓶尚無(wú)商業(yè)應(yīng)用[17]。

表1 電解水技術(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of water electrolysis technologies

低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有儲(chǔ)氫密度高,輸送氫效率高的優(yōu)點(diǎn),但儲(chǔ)運(yùn)成本較高。主要體現(xiàn)在：一是氣態(tài)氫氣液化壓縮時(shí)需要消耗大量的能量,約是氫氣本身能量的30%,能耗很高;二是液氫儲(chǔ)存容器需要保證絕熱并且耐高壓,制作成本較高。目前,液態(tài)儲(chǔ)氫已經(jīng)在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,但我國(guó)對(duì)液態(tài)儲(chǔ)氫的規(guī)定比較嚴(yán)格,主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域,還不允許民用,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)難以預(yù)測(cè)。

固態(tài)材料儲(chǔ)氫技術(shù)雖然仍處于試驗(yàn)研究到商業(yè)應(yīng)用的過渡階段,儲(chǔ)氫成本較高,但其體積儲(chǔ)氫密度高,操作安全方便等優(yōu)點(diǎn)將推動(dòng)技術(shù)的研發(fā)和推廣,該技術(shù)將來(lái)在儲(chǔ)氫安全要求較高的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間,是未來(lái)儲(chǔ)氫技術(shù)重要的發(fā)展方向[18-19]。有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)均比較明顯,目前國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,將在未來(lái)成為儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用的重要補(bǔ)充[20]。

1.3 氫能利用

氫氣兼具儲(chǔ)能、燃料和工業(yè)原料等多種屬性,使得其在多種行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間[21]。氫能利用模式可以抽象為以下幾個(gè)方面。

表2 儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of hydrogen storage technologies

(1)電能到電能的轉(zhuǎn)換(power to power)。電解制氫實(shí)現(xiàn)電能向氫能的轉(zhuǎn)化,必要時(shí)氫能可通過燃料電池再次轉(zhuǎn)化為電能[22]。這種模式可以充分利用風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電制氫,是一種應(yīng)用前景廣闊的儲(chǔ)能及發(fā)電形式,可以解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問題,提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性,并明顯降低碳排放,推進(jìn)智能電網(wǎng)和節(jié)能減排、資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[23]。然而,該模式下,氫氣制備價(jià)格仍然偏高,氫氣大規(guī)模儲(chǔ)存的安全性及投資收益都是制約該技術(shù)推廣的影響因素,前期需要國(guó)家制定相關(guān)電力市場(chǎng)的法規(guī)政策引導(dǎo)推動(dòng)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

(2)電能到燃?xì)獾霓D(zhuǎn)換(power to gas)。電解制氫后,將氫氣直接混入天然氣管道,或者合成甲烷后混入天然氣管道;混合天然氣在終端作為燃料提供熱能。這種模式打破傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)之間的壁壘,能夠擴(kuò)大可再生能源的利用和普及[24]。利用風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等剩余電力電解水生成氫,然后提供給現(xiàn)有的燃?xì)夤艿谰W(wǎng)絡(luò),或者利用電力、水及大氣中的二氧化碳,通過甲烷化反應(yīng)制造甲烷提供燃?xì)?從而促進(jìn)了“氣網(wǎng)-電網(wǎng)”的深度融合[25-27]。

(3)電能到燃料的轉(zhuǎn)換(power to fuel)。電解制氫后,氫氣以燃料電池的形式儲(chǔ)存起來(lái)。在用戶側(cè)實(shí)施燃料電池車加氫和基于氫燃料電池的熱電氣綜合系統(tǒng),可促進(jìn)電網(wǎng)削峰填谷,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與熱網(wǎng)、氣網(wǎng)、交通網(wǎng)等多類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),推進(jìn)能源綜合高效利用和“清潔替代”,提高電力在終端能源消費(fèi)中占比,在新一代電力系統(tǒng)建設(shè)與全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中發(fā)揮關(guān)鍵性作用[28]。其中,氫燃料電池汽車是氫能發(fā)展的先鋒方向。與鋰離子電池電動(dòng)汽車相比,氫燃料電池汽車具有功率密度高、續(xù)航里程長(zhǎng)和燃料加注快三方面優(yōu)勢(shì),未來(lái)面向的市場(chǎng)是超大功率的重型車輛,有800 km以上續(xù)駛里程需求的長(zhǎng)途車輛,以及可以24 h運(yùn)營(yíng)提升效益的商用車輛等。

(4)電能到原料的轉(zhuǎn)換(power to feed)。氫及其衍生物已經(jīng)成為許多行業(yè)的關(guān)鍵原料,特別是在化工生產(chǎn)和煉化方面[29]。在我國(guó),氫氣除用作合成氨、甲醇等化工原料氣外,大約90%或更多純度99%左右的氫氣用于煉化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的加氫。還有2%～4%的氫氣作為工業(yè)氣體用于冶金、鋼鐵、電子、建材、精細(xì)化工等行業(yè)的還原氣、保護(hù)氣、反應(yīng)氣等。目前,全球每年在工業(yè)領(lǐng)域消耗的氫氣量超過了500億m3。世界上約有70%的氫氣用于合成氨,而我國(guó)合成氨的耗氫量更是達(dá)到80%以上。采用可再生能源制得的氫取代碳基氫,將對(duì)全球碳減排做出巨大貢獻(xiàn)[30]。

總體來(lái)說(shuō),氫燃料電池汽車是當(dāng)前我國(guó)氫能利用最受關(guān)注的方向,也是建設(shè)氫能社會(huì)和提高公眾對(duì)氫能接受度的著手點(diǎn)[31]。然而,關(guān)于氫能在其他領(lǐng)域的利用也應(yīng)同步開展研究和發(fā)展,例如天然氣摻氫、氫在工業(yè)領(lǐng)域的清潔替代等,這對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和我國(guó)低碳化、清潔化進(jìn)程的加速推進(jìn)具有重要意義。

2 氫能發(fā)展技術(shù)路徑

針對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和能源轉(zhuǎn)型趨勢(shì),結(jié)合氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的成熟度,本文提出了兩條氫能制備和利用的技術(shù)路徑。

2.1 可再生能源耦合氫能發(fā)展技術(shù)路徑

風(fēng)電/光伏等可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫,不僅可以減少化石能源消耗,降低污染物排放,提升電網(wǎng)消納能力,也可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電光伏與煤化工、石油化工的多聯(lián)產(chǎn),是當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱門研究方向[32-34]。風(fēng)電/光伏制氫目前面臨兩大難題：成本和運(yùn)輸。針對(duì)成本的問題,本文推薦以下兩種技術(shù)路徑(如圖1)。

(1)棄風(fēng)/棄光電解水制氫。電解水制氫的成本遠(yuǎn)高于煤氣化和天然氣裂解制氫等技術(shù),用電成本占電解水制氫運(yùn)行成本70%左右,若利用棄風(fēng)/棄光電力制氫,制氫成本可控制在1.5元/m3左右(棄風(fēng)/棄光電力協(xié)議價(jià)控制0.2元/(kW·h)以內(nèi)[30]),初步具備與化石燃料制氫競(jìng)爭(zhēng)的條件。雖然近幾年我國(guó)風(fēng)電/光伏平均棄電率呈明顯下降趨勢(shì),但西北地區(qū)的棄風(fēng)/棄光問題仍然比較嚴(yán)重,2018年新疆地區(qū)棄風(fēng)率高達(dá)23%,甘肅地區(qū)的棄風(fēng)率達(dá)到19%。另外,2020年后的風(fēng)電/光伏平價(jià)上網(wǎng)政策也刺激了一大批風(fēng)電/光伏項(xiàng)目的開工建設(shè),電網(wǎng)建設(shè)跟不上風(fēng)電/光伏的發(fā)展速度,未來(lái)風(fēng)電/光伏發(fā)電的消納難度不容忽視。因此,棄風(fēng)/棄光電解水制氫不失為解決新能源消納和高效利用的重要手段之一[35-36]。

圖1 可再生能源耦合氫能發(fā)展技術(shù)路徑圖Fig.1 Development roadmap of renewable energy coupling hydrogen energy

(2)風(fēng)電/光伏離網(wǎng)制氫。在風(fēng)/光資源豐富但受困于新能源并網(wǎng)困難而無(wú)法大規(guī)模開發(fā)的地區(qū),例如長(zhǎng)期處于新能源消納紅色預(yù)警的“三北”地區(qū),可采用風(fēng)電/光伏發(fā)電離網(wǎng)運(yùn)行制氫的技術(shù)路線,這樣可節(jié)省風(fēng)電/光伏并網(wǎng)成本,同時(shí)風(fēng)電/光伏離網(wǎng)規(guī)?；茪淇山档椭茪溲b置的設(shè)備成本[37-38]。這種情況下,可將制氫成本控制在2元/m3以內(nèi),在未來(lái)我國(guó)低碳化、清潔化的發(fā)展進(jìn)程中應(yīng)用空間廣闊。

風(fēng)電/光伏等可再生能源電解水制氫技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)難題是運(yùn)輸和應(yīng)用問題。本文提出了四種可行的路徑：

(1)燃料電池發(fā)電。采用氣態(tài)儲(chǔ)氫的形式暫時(shí)將氫氣緩沖存儲(chǔ)起來(lái),然后利用燃料電池進(jìn)行發(fā)電,可大幅度提高風(fēng)/光電跟蹤計(jì)劃的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)-氫儲(chǔ)能綜合最優(yōu)利用,提升供電品質(zhì)。

(2)補(bǔ)給加氫站。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)附近有加氫站時(shí),同樣可以將氫氣出售給加氫站,用于附近燃料電池汽車的補(bǔ)給。

(3)二氧化碳加氫制甲醇。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)/光伏電站位于偏遠(yuǎn)地區(qū)不利于氫氣外運(yùn)時(shí),可以考慮在風(fēng)電場(chǎng)附近建設(shè)二氧化碳加氫制甲醇裝置,將危險(xiǎn)性較高的氫氣運(yùn)輸問題轉(zhuǎn)化為安全易行的二氧化碳和甲醇運(yùn)輸,同時(shí)可以減少或維持大氣中二氧化碳濃度,又能得到重要的能源載體甲醇,是一條“一舉兩得、變廢為寶”的技術(shù)路線[39]。目前,該技術(shù)在冰島已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用,在我國(guó)尚處于商業(yè)應(yīng)用的探索期,未來(lái)在西北偏遠(yuǎn)地區(qū)將具有良好的應(yīng)用前景[40]。

(4)天然氣摻氫。對(duì)于風(fēng)電/光伏制備的氫氣不利于外運(yùn)但距離天然氣輸送管線較近的地區(qū),采用天然氣摻氫運(yùn)輸?shù)姆绞绞潜容^有前景的方向[41]。天然氣摻氫不僅可以提高天然氣的燃燒效率和減少污染物與碳排放,而且可降低我國(guó)天然氣的進(jìn)口量和對(duì)外依存度,對(duì)我國(guó)能源安全戰(zhàn)略具有重大意義。研究表明,天然氣摻氫比例控制在23%以內(nèi),不會(huì)對(duì)天然氣管道結(jié)構(gòu)和燃燒性能造成不利影響[42-43]。目前,天然氣摻氫技術(shù)在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用,但在國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)研究階段。

2.2 綜合能源服務(wù)園區(qū)耦合氫能發(fā)展技術(shù)路徑

隨著新一輪能源技術(shù)革命興起、互聯(lián)網(wǎng)理念加速向能源領(lǐng)域滲透,能源體制改革不斷加深、客戶需求更加多元化,建設(shè)綜合能源系統(tǒng)并為用戶提供多類型能源生產(chǎn)、存儲(chǔ)、傳輸、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)交易深度融合的綜合能源服務(wù),已經(jīng)成為能源電力行業(yè)的熱點(diǎn)[44-45]。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)具備綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的自然資源、空間資源、電網(wǎng)基礎(chǔ)和用戶資源,成為綜合能源服務(wù)、業(yè)務(wù)創(chuàng)新和效益增長(zhǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)[46-47]。綜合能源服務(wù)較之傳統(tǒng)能源服務(wù),更加注重用能的清潔低碳化和用戶的能效提升。氫能具有清潔低碳的天然屬性,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與熱網(wǎng)、氣網(wǎng)、交通網(wǎng)等多類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),在未來(lái)綜合能源服務(wù)園區(qū)內(nèi)的應(yīng)用前景非常廣闊[48]。

綜合能源服務(wù)園區(qū)耦合氫能發(fā)展技術(shù)路徑如圖2所示。園區(qū)供能主要由分布式風(fēng)電或光伏完成,電網(wǎng)無(wú)法消納的風(fēng)電或光伏發(fā)電用于電解制氫,儲(chǔ)存下來(lái)的氫氣可直接供應(yīng)園區(qū)或附近的加氫站,滿足氫燃料電池汽車的加氫需求。同時(shí),可配置燃料電池系統(tǒng),進(jìn)行熱電聯(lián)供。尤其是高溫燃料電池,例如固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池,熱電聯(lián)供效率更高,對(duì)燃料的適應(yīng)性更好(可采用處理后的天然氣或合成氣)。目前,熔融碳酸鹽燃料電池在美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利、韓國(guó)等國(guó)家已經(jīng)示范運(yùn)行,功率容量達(dá)到兆瓦級(jí)以上[49-51]。日本推行ENE-FARM計(jì)劃,在家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)上面的開發(fā)和市場(chǎng)化應(yīng)用已經(jīng)成熟,2018年固定式燃料電池出貨量超過了300 MW。

圖2 綜合能源服務(wù)園區(qū)耦合氫能發(fā)展技術(shù)路徑圖Fig.2 Development roadmap of integrated energy system coupling hydrogen energy

另外一個(gè)園區(qū)熱電聯(lián)供的技術(shù)路徑是以天然氣摻氫為燃料的微型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供技術(shù)。與常規(guī)的天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)相比,天然氣摻氫混合燃料的燃?xì)廨啓C(jī)可顯著降低氮氧化物和二氧化碳等的排放,是未來(lái)綠色低碳發(fā)展的重點(diǎn)方向。研究結(jié)果表明,氫氣摻混量在20%以下時(shí),無(wú)需對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行較大的改造。2018年3月,三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)有限公司進(jìn)行了使用30%氫燃料混合物的燃?xì)廨啓C(jī)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果證實(shí),通過使用新開發(fā)的專有燃燒器來(lái)燃燒氫氣-天然氣混合氣,可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。與常規(guī)天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)相比,使用30%的氫氣混合物,二氧化碳排放量可減少10%左右。

3 結(jié)論

本文介紹了制氫、儲(chǔ)氫和用氫過程中的各種技術(shù),總結(jié)了各種技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和適用范圍,并在此基礎(chǔ)上,提出了適合我國(guó)國(guó)情的氫能發(fā)展技術(shù)路徑,主要結(jié)論如下：

(1)在制氫環(huán)節(jié),電解水制氫已成為我國(guó)電力行業(yè)削峰填谷及棄電消納問題的重要技術(shù)選擇,其中SPE電解水制氫技術(shù)更適用于可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性輸入,是未來(lái)電解水技術(shù)重要的發(fā)展方向。在儲(chǔ)氫環(huán)節(jié),高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍將是未來(lái)幾年內(nèi)主流的儲(chǔ)氫技術(shù),但固態(tài)材料儲(chǔ)氫技術(shù)憑借體積儲(chǔ)氫密度高,操作安全方便等優(yōu)點(diǎn)將成為未來(lái)儲(chǔ)氫技術(shù)重要的發(fā)展方向。在用氫環(huán)節(jié),氫燃料電池的應(yīng)用是建設(shè)氫能社會(huì)和提高公眾對(duì)氫能接受度的重要著手點(diǎn),但為了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和我國(guó)低碳化、清潔化進(jìn)程的加速推進(jìn),氫能在其他領(lǐng)域的利用也應(yīng)引起重視。

(2)可再生能源耦合氫能發(fā)展的技術(shù)路徑中,棄風(fēng)/棄光電解水制氫和風(fēng)電/光伏離網(wǎng)制氫是最具經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展前景的制氫技術(shù)?？稍偕茉粗苽涞臍錃饪梢酝ㄟ^燃料電池發(fā)電促進(jìn)可再生能源的消納和并網(wǎng),也可以就近供給附近的加氫站。當(dāng)氫氣外運(yùn)不便時(shí),可以就近轉(zhuǎn)化為甲醇或采用天然氣摻氫的方式外運(yùn)。對(duì)于綜合能源服務(wù)園區(qū),電解制氫技術(shù)不僅可以提高園區(qū)風(fēng)電光伏的消納,還可以通過燃料電池或燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與熱網(wǎng)、氣網(wǎng)、交通網(wǎng)等多類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),在未來(lái)綜合能源服務(wù)園區(qū)內(nèi)的應(yīng)用前景非常廣闊。