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    高頂云:“雙碳”目標下我國氫能的利用與發展

    發布日期:2022-11-16 21:22   瀏覽次數:3846

    2022年11月8日-10日,由中國汽車工業協會主辦的第12屆中國汽車論壇在上海嘉定舉辦。作為黨的“二十大”召開后的汽車行業首場盛會,本屆論壇以“聚力行穩 蓄勢新程”為主題,共設置“1場閉門峰會+1個大會論壇+16個主題論壇”,以汽車產業的高質量發展為主線,與行業精英一起貫徹新精神,研判新形勢,共商新舉措。其中,在11月10日下午舉辦的“主題論壇15:求索氫能與汽車產業高質量發展”上,上海舜華新能源系統有限公司董事長高頂云發表精彩致辭。以下內容為現場演講實錄:
    圖片1
    各位領導、各位專家、各位同行,下午好。前天上海舜華購置了一輛上汽大通的燃料電池MPV,價格不到40萬。新車給我的整體印象是完全可以比美某豪華品牌MPV即“保姆車”,售價也可定在100萬上下,而且是完全零排放的。但目前讓大眾來接受購買還是有問題的,因為加注氫燃料還很不方便。今天利用這個機會,站在能源和基礎設施的角度,跟大家做一下交流感想。

    我的題目是“雙碳目標下我國氫能的利用和發展”。“碳中和”這個概念大家一直在提,在這里我們共同回顧一下,“碳中和”就是人為排放量(化石能源利用和土地利用)被人為作用和自然過程所吸收,實現凈零排放?! ?br />
    目前來講,全球每年碳排放量約401億噸,其中約有46%滯留在大氣中。中國每年碳排放量約100億噸,也就是每年約46億噸滯留在大氣當中,我國的碳中和就是要把46億噸的碳中和掉?! ?br />
    碳中和主要從三端發力,一個是能源供應端,一個是消費端,一個是人為固碳端,可以通俗的理解為“三綠”,即綠電(可再生電力)生產、綠電消費、綠化造林,這就是幫助我們實現“碳中和”的關鍵三步?! ?br />
    “碳中和”過程下,能源結構轉型將產生5個趨勢。第一,綠色能源將成為我們的主體能源;第二,化石能源將成為保障能源;第三,再電氣化,即電氣化更加徹底,除交通領域的電動汽車普及外,零碳的電力大規模利用;第四,儲能成為重要環節,即通過氫或者合成燃料等進行大規模長周期性儲能,以P to X的方式實現非電的領域的去碳;第五,技術的驅動成為關鍵?;茉吹娜〉猛耆蕾囎匀环A賦,如中東有石油、天然氣,中國有煤炭。而要實現去碳的過程主要要靠技術進步,比如,如果沒有光伏材料、工藝等方面技術進步,就沒有光伏的成本的大幅度下降,就不會像現在這樣發展迅速。

    要實現“碳中和”,大規模利用可再生能源是核心。對于可再生能源是否夠用,比亞迪王總有一個1%的理論,也就是用我國沙漠面積的1%做光伏,可以滿足全國的用電需求,這個經過有關專家的論證,應該是沒問題的。我國2021年的總電力消費約為8.1萬億度電,當然其中65%煤電。我國沙漠面積約70萬平方公里,若加上戈壁灘、不可利用的土地及荒漠化的土地,約有260萬平方公里。拿出1%的沙漠面積為7000平方公里用來做光伏,一年可以發電14萬億度,是我國電力需求量的1.7倍。完全滿足我國的電力需求。這還不包括風電、水電等無碳能源。所以,我國的可再生能源資源在理論上完全可以滿足用能需求。

    但實際上是我們的電網及整個能源系統是很難承載這些被電網公司稱為“垃圾電”的可再生能源電力,因為這些電力受環境影響,隨機性很大,而且這些電力資源主要發布在西北部,同時,我們的負荷中心主要在沿海一帶的經濟發達地區,從而造成了這些綠電或零碳電力很難被充分利用。因此我們需要一個調節器,這就是我今天所說的氫通過儲存轉換的形式來實現調節的作用實現可再生能源的最大利用率?! ?br />
    氫首先具有零碳的特點,其利用實現能量轉換,最終產物只有水。同時其能夠實現高效,這主要得益于技術進步,即燃料電池的利用,實現氫電的轉換,其轉化效率可以達到50%甚至60%以上。相比于受制于卡諾循環的熱機其熱效率要達到40%已是相當困難?! ?br />
    氫具有與電網、天然氣網、熱網等能源網實現互通特點,當然最主要的是氫具有儲存的特點,相較于鋰電池或者其他儲能方式具有儲存量大、可分散性、適應性強等特點,特別適合可再生能源儲能。

    說到氫,一定會想到安全問題。在上海有100多年人工煤氣使用的歷史,從2016年才完全改用天然氣。人工煤氣含有50%左右的氫氣,目前香港的城市燃氣中的含氫量約49%,甲烷含量約28.5%,剩下的是二氧化碳和一氧化碳,所以氫是很親民的,很早就與我們普通老百姓的日常生活密切相關。氫是一種我們既熟悉又陌生的物質,氫氣在空氣當中的擴散系數是天然氣的2.75倍,所以它從安全性來講是完全可以通過成熟的技術得到保障。

    氫的應用領域非常多,包括能源領域如直接燃燒、天然氣摻氫燃燒、分布式能源,再如工業領域的煉化、冶金、糧油、半導體等都會大量用到氫氣。當然氫最引人關注的還是燃料電池的大規模使用,特別適合重載長距離的商用車的燃料,當然也可轉化為氨、甲醇等用于交通、工業等領域。按照中國氫能聯盟的預測,到2060年用于交通的氫能只占約25%,大量的應用是在能源、電力、建筑、工業等領域。

    確切的說,氫還沒能成為能源,只具有工業氣體屬性,主要有兩方面的原因:一是從法律層面上講,在我國《能源法》里,氫還沒有被納入能源的范疇;二是按照實際的應用場景來講,目前氫的存量市場是3300多萬噸,主要是在工業領域。比如,我們正在運營的金山化工區加氫站,一年運出的氫達1000多噸, 90%是用于工業領域作為原料,而不是燃料,即能源?! ?br />
    目前氫的來源主要還是以化石能源為主,超60%是以煤制氫,15%左右來自天然氣制氫,剩下一部分是工業副產氫,還有一小部分是電解水制氫,當然電解水制氫的電也是來自于網電,換句話說,還不是完全來自于綠電制的氫。所以整體要實現灰氫到綠氫(可再生電力制的氫),各環節還沒有打通,只不僅僅是上游需要建立規模的綠氫生產基地,還要打通運輸和儲存環節,只有這樣下游才能真正用上綠氫?! ?br />
    先立后破,灰氫的充分利用為氫能技術示范帶來了便利之處,也一定會為綠氫全面替代灰氫打下基礎。近一年多來,內蒙、新疆等三北地區已有大量的光伏電場正在多點開花啟動電解水制氫項目,綠氫大規模發展的序幕已經打開。

    按中國氫能聯盟的預測,2060年氫的年產量將達13000萬噸,其中綠氫占比可達80%,減排貢獻達18億噸。電解槽裝機容量有望達到500GW。

    氫能發展首先是技術和裝備的發展,按產業鏈“制、儲、運、用”上下游看,技術和裝備的成熟度還參差不齊。在制氫環節,我國有全球最好的或者規模最大的電解槽開發和制造能力,但像一些技術比較先進的制氫技術,如PEM、SOEC、AEM等,我國有一定基礎,與國際水平也比較接近;在儲運環節,因為以工業副產氫為氫源,就地用氫為主,運輸半徑一般不超過200km,所以,運輸方式都是高壓管束車輛。從發展角度看,各種儲運技術及方式在不同場景的適應性都有研究的必要。在使用端,燃料電池汽車在我國經過了二十多年的發展,加氫站相關的技術和裝備也得到了很大的發展。35MPa加氫站裝備完全實現了我國的自主生產,70MPa加氫站技術得到了全面的研究,具備國產化的條件。上海安亭加氫站已連續運行15年有余,我國的加氫站技術、裝備、標準、法規等得到全面發展,并形成較完整的體系。

    其它使用端也有不同程度的發展。燃氫鍋爐、天然氣摻氫燃氣輪機、純氫內燃機等都得到一定的示范和應用。綠氨的應用示范、綠色甲醇的制取,即“液態陽光”等,都不同程度的得到研究和示范?! ?br />
    讓氫走到碳中和的前沿,首先是氫能燃料電池汽車的發展。2021年8月18日國家五部委啟動新一輪的燃料電池汽車示范工作,選擇北上廣、河南、河北5個城市群率先開展商業化示范。目前,全國已有30個省市出臺政策近100項,截止2030年規劃加氫站1139座,發展燃料電池汽車148330輛,到2035年,燃料電汽車的規劃前景達到百萬輛,燃料電汽車用加氫站達到1500座的規模。

    在氫能發展過程中,一個關鍵環節就是成本,而決定成本的很重要環節是運輸。氫是最低密度的氣體,給運輸帶來很大的挑戰。一組數據可以理解氫運輸的難點,即1立方米體積的液氨大概釋放170公斤的氫氣,1立方米體積液氫(﹣253℃)等于70公斤氫,而1立方米體積20MPa壓力只能儲存14.5公斤氫,最高效的運輸氫方式為液氨方式。而真正大規模的綠氫利用時代到來,天然氣的輸配方式應是最有效的氫氣運輸方式。目前天然氣在我國一次能源中占比8.1%,運輸天然氣主要靠管網,少量的通過LNG方式。按照中國氫能聯盟的預測,到2060年,氫在消費端的能源占比達12%,按等量熱值考慮,氫的運輸規模應達到4﹣5倍的現有天然氣輸配規模,按可以預見的技術看,除了管網沒有其它運輸方式可以承載如此大的規模。

    現階段氫的運輸靠什么技術及方式,可以說是百花齊放百家爭鳴。當然,固態、液態、合成燃料等各種方式也一定有其特定的應用場景。而從能源角度來講,是一定要滿足安全、連續(大規模)、低成本的方式,管道運輸一定是我們今后值得重點研究的方向。

    最后,我們來暢想一下上海在實現碳中和時的綠色能源體系愿景。上海是能源凈消費城市,氫作為貫通整個清潔能源供給和需求體系的橋梁,由氫網、電網、氣網和熱網互補融合構建上海市新型能源體系,即,域外綠電通過特高壓電網輸入上海上海市電網成為上海市主體能源一,陸上域外綠氫通過氫氣長輸管網或天然氣摻氫方式輸入上海城市管網成為主體能源二,海上域外綠氨(液氫、“液態陽光”)通過接收站轉換氫氣輸入上海城市管網成為主體能源三,現有化石能源(天然氣及天然氣調峰電力、燃煤電力等)作為保障能源。消費端,如建筑、煉化、冶金、半導體、交通等領域,全面利用綠電、綠氫,或無碳燃料。

    借此我也介紹一下公司的情況,舜華公司成立已經18年了,專注于氫的制取、儲存、加注等方面的研發。業務覆蓋制氫站、加氫站、車載儲氫系統、分布式能源、三代核電及特裝等領域。其中,我們完成71座加氫站建設并提供相關裝備、技術及服務,包括有7座是70MPa加氫站,4座制氫加氫一體站。安全運營上海首座加氫站——安亭加氫站,連續15年,為多項相關標準制定建立基礎。完成車載儲氫系統接近4000套,包括4款上公告乘用車70MPa儲氫系統的正向開發和產品提供。

    對標國際標準,成功研發適應加氫站應用場景的的壓縮機就是滿足最新DOE測試標準開發的,完全可替代進口產品。

    在氫安全方面,我們主要開展三維量化風險分析與安全評估技術研究,應用于加氫站和車載儲氫系統產品的設計。并對35MPa、70 MPa氫氣快速加注技術方面進行研究,確保加氫站的加注性能持續領先。

    持續開展涉氫核心零部件的研發,特別是瓶口閥、加氫口、質量流量計、加氫槍等關鍵零部件,在國內首先獲得國家級型式認證和德國交通部(KBA)EC79/EU406認證,并推向市場。

    還將相關的氫能技術應用到第三代核電站、特種核動力、特種移動電源等場所,還包括天然氣摻氫的燃氣輪機發電、基于燃料電池的分布式能源系統和國內首個21.6MW富氫尾氣的綜合利用項目?!?br />
    舜華公司立志于從能源的角度,圍繞氫氣,為市場提供先進的綠色能源技術、裝備和服務,為國家實現“碳中和”做出貢獻,謝謝各位。 

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