作者:赵利利 来源:中国科学报 发布时间:2018/1/11 10:16:25
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氢能源发展正当时

氢能源燃料电池    图片来源:百度图片

■本报见习记者 赵利利

每一次能源利用方式的转变都会带来社会生产、生活方式的深刻变革。从木材、煤炭、石油、天然气到氢气,人类历史上的能源变革有着清晰的主线逻辑,那就是减碳加氢,不断提升能量密度。

中国工程院院士干勇在近期召开的第二届中国矿业全产业链大会上表示,资源和环境可持续发展的约束性压力倒逼能源结构转型,从而实现两个转变:能源利用方式要从化石能源消耗型向绿色能源再生型转变;碳氢燃料的利用方式要从高碳燃料向低碳燃料转变,这一转变方式本质是燃料的加氢减碳过程。

具有多重优势

数据显示,2012年至2015年,全球可再生能源方面的投资为10500亿美元,其中,美国1570亿美元,占比15%;欧洲2600亿美元,占比25%;中国3150亿美元,占比30%。干勇说,中国在可再生能源的能力方面比世界其他地方发展更快,中国正在变成世界可再生能源的动力站,未来5年,中国将在可再生能源领域成为领导。

这其中,氢是高效的能量载体,易于存储和转换,在宇宙中的含量最为丰富,且无污染、零排放。氢能在能源结构调整中发挥重要作用。

“氢能源符合新工业革命所倡导的分布式能源生产与利用方式的各项特征,其在未来全球能源结构变革中的重要地位和作用已逐步为日本、美国、德国等发达国家所重视。”干勇表示,我国在转变能源结构和开展节能减排过程中,需要充分发挥氢能源的作用。

在干勇看来,发展氢能产业是能源结构调整和产业结构转型的必由之路,氢能是支撑可再生能源大规模发展和充分利用的重要途径。

氢作为一种绿色的二次能源具有多重优势:比电更容易分散储存,可像天然气一样利用管网进行规模化配送;获取方式多元,既可从煤、石油、天然气等化石能源制取,也可从工业副产品中获得,更可通过可再生能源制取;制取成本较低。

2011年10月,国家发展改革委能源研究所曾发布研究报告:到2020年、2030年和2050年,我国风电装机容量将分别达到200GW、400GW和1000GW,2050年满足全国17%的电力需求。干勇表示,按储能比20%计算,2050年需要200GW储能设施,而传统储能方式已不能满足可再生能源发展需要。

干勇阐释了氢能在可再生能源存储方面的独特优势,“电解水装置可将难以并网的间歇性电能转变为氢能源。与抽水蓄能、压缩空气、二次电池等储能方式相比,氢储能具有地理环境制约少、规模适应性宽、投资成本低、环境友好等显著特征”。

推动相关产业发展

燃料电池是氢能利用的典型代表。与相同用途的其他热机相比,燃料电池的能效可高出30%~50%。如果利用来自于化石能源制取的氢,燃料电池可减排二氧化碳40%以上;如果利用来自于可再生能源制取的氢,则可实现真正的高效零二氧化碳排放。另外,通过单元堆叠方式还可实现燃料电池规模放大,同时适用于移动动力源和分布式发电。

氢能与燃料电池技术推动了汽车、分布式发电等新兴产业的发展。“氢燃料加注3~5分钟即可完成,一次加注续驶里程可达500公里以上,被认为是汽车工业可持续发展的主要解决方案。”干勇说。

分布式热电联供方面,燃料电池分布式发电系统效率与燃气轮机或内燃机分布式发电系统相比,具有更高的电效率,热电综合能效最高可达90%以上,易于制造千瓦—兆瓦的中小型热电联供系统。

干勇表示,分布式热电联供能够提高能源系统利用效率、缓解电网长距离输配的压力,对我国电力输配系统的战略安全性具有重要意义。

“燃料电池的持续供电时间长、可适应大潜深、运行安静、红外辐射少等特点,在深海潜器和无人机等领域也有重要应用价值。”干勇介绍道,“可用于资源探测、应急救灾、军事侦察等,对国家安全有重要意义。”

各国发力抢占先机

当前,氢能利用产业正加速发展,受到世界发达国家政府和企业的高度重视,已成为世界经济新的增长点。欧洲率先开始了可再生能源制氢、掺入天然气管网的商业示范运营。德国意昂集团2011年始建第一个MW级“Power-to-Gas”示范项目,使用风力发电的剩余电力,通过电解水制氢。美国能源部也高度重视该项目,有评估结果表明美国管网注氢容量可达15%~20%。干勇认为,这说明氢能发展利用进入了关键时期。

迄今,欧、美、日、韩的汽车企业在大规模制氢技术、70Mpa高压储氢技术以及燃料电池技术等方面均取得突破,燃料电池性能与寿命已达到实用化目标。干勇表示,“各大企业正在努力创新商业模式、扩大批量规模、迅速降低成本,以期在下一轮产业结构转变中占领先机”。

我国发展氢能与燃料电池产业具有一定基础。从“十五”开始,科技部通过“973”计划、“863”计划和“科技支撑计划”三大计划持续对氢能与燃料电池领域进行支持,形成了以大学研究院所为主,涵盖制氢、储氢、输氢、氢安全以及燃料电池技术的初步的技术研发体系。

干勇表示,我国风电2030年装机容量将达到400GW,光伏产业2030年预计达到270GW,年产氢量可高达2680亿立方米,能满足驱动1.2亿辆燃料电池车需要。“我国风光资源与天然气管网地理匹配性好,容量大,可再生能源制氢和输氢均有保证。”

此外,我国煤制氢、变压吸附纯化电解水制氢技术与国外先进水平相当,制氢规模居世界首位。2012年氢产量达到1600万吨;稀土储氢材料连续3年产量保持1万吨/年、居世界第一,20MPa以下高压气态储氢钢质气瓶产量占到世界的70%以上。这些产业基础为我国发展氢能源利用创造了条件。

《中国科学报》 (2018-01-11 第5版 技术经济周刊)
 
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