寫稿
投稿
2022年3月，我國出臺《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》，明確氫能戰(zhàn)略定位，強調(diào)發(fā)展氫能，必須堅持清潔低碳的原則，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫，綠氫已然成為我國氫能發(fā)展的必由之路。
發(fā)展綠氫，我們經(jīng)常聽到關(guān)于其能效與成本兩方面的質(zhì)疑。目前綠氫主要來自于綠電，由于電-氫轉(zhuǎn)化能效降低，因此從能效的角度出發(fā)，應(yīng)該堅持宜電先電、電氫融合、減少轉(zhuǎn)化、經(jīng)濟安全的原則，通過氫電互補支撐長周期的穩(wěn)定供能，解決電能難以解決的降碳問題，在處理好電-氫關(guān)系的基礎(chǔ)上，必須進一步解決好氫能自身的問題，例如成本、安全、提效等。
去年，我國在綠氫應(yīng)用上已經(jīng)進行了一些探索，主要應(yīng)用在化工、分布式發(fā)電和加氫站等場景，總體而言，尚處于起步階段。從技術(shù)角度來看：短時示范，關(guān)鍵裝備、元器件和系統(tǒng)集成技術(shù)還缺乏長期考核。從技術(shù)經(jīng)濟分析的角度來看：運行時間短，數(shù)據(jù)積累少、技術(shù)經(jīng)濟性分析還缺乏實際數(shù)據(jù)的支撐。
綠氫應(yīng)用發(fā)展仍需爬坡過坎
在2022山東氫博會綠氫大會上，有研科技集團首席專家、中國可再生能源學(xué)會副理事長、中國可再生能源學(xué)會氫能專委會主任委員、中國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任委員蔣利軍先生認(rèn)為當(dāng)前綠氫應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)有以下三方面：
第一、高成本和低效率；
第二、高安全風(fēng)險；
第三、核心技術(shù)和裝備仍然存在卡脖子問題。
值得一提的是，為了加快綠氫的發(fā)展，各國也分別提出了各自的綠氫成本目標(biāo)，比如美國希望在10年內(nèi)將綠氫生產(chǎn)成本降到1美元/kg，澳大利亞希望將綠氫生產(chǎn)成本控制在2美元/kg，而我國則希望在2030年將綠氫生產(chǎn)成本控制在13元/kg。
蔣利軍指出降低綠氫成本要采取4個方面的措施：政策支持、場景選擇、規(guī)模應(yīng)用、技術(shù)進步。在氫能發(fā)展初期這4方面的措施必須同時并舉、互相配合，才能有效的降低綠氫成本。
在發(fā)展初期，政策的支持尤其重要。
首先是低電價，廣東省就率先提出了站內(nèi)制氫，可以按照蓄冷電價來進行計算，最低可以達到0.17元/度。去年深圳也出臺了相關(guān)實施方案，進一步提出了除按蓄冷電價之外，當(dāng)電解制氫谷電占比超過50%可以免收基本電費。簡而言之，低電價可以為綠氫的競爭力提供重要支撐。有測算，當(dāng)電價為0.26元/度時，電解水制氫就可以與天然氣制氫相競爭，當(dāng)電價為0.13元/度時，電解水制氫就能與煤制氫相競爭。
其次是稅收抵扣，美國在《降低通貨膨脹法案》中提出：對綠氫實行3美元/kg的稅收抵扣，經(jīng)過抵扣之后，美國的綠氫價格可以降至0.73美元/kg（大約人民幣5元/kg）。值得一提的是，這可能是現(xiàn)階段世界上最便宜的綠氫。所以需要碳稅結(jié)合，便于進一步提高綠氫的競爭力。
應(yīng)用場景選擇“重中之重”
我國氫能規(guī)劃明確提出，在2025年前要堅持”就近利用為主“的原則，經(jīng)過綜合考慮，初期應(yīng)該以源端電氫協(xié)同就地利用模式和受端電氫協(xié)同模式來發(fā)展氫能。因為這樣可以充分利用源端的低電價及受端低價的谷電進行制氫，便于減少預(yù)期成本，從而有效降低綠氫成本。
蔣利軍表示，電解水制氫成本主要取決于電價、裝備折舊和運行時間這三大因素。
（圖1，數(shù)據(jù)來源：中國氫能聯(lián)盟研究院）
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的電解水成本預(yù)測數(shù)據(jù)顯示（圖1），可以發(fā)現(xiàn)成本趨于平穩(wěn)的拐點大約是在1500小時，這與光伏發(fā)電的年利用小時數(shù)基本相當(dāng)，意味著我國光伏發(fā)電直接制氫，中間就可以省去一些不必要的直流電與交流電互換、高低壓調(diào)壓和過網(wǎng)費，將在提供綜合能效和降低制氫成本方面獲得較大收益。因此，離網(wǎng)規(guī)模制氫技術(shù)值得去研究。
《氫能平價之路》研究報告曾指出，在眾多應(yīng)用中，有預(yù)測到2030年有22個應(yīng)用場景，氫能應(yīng)用成本可以與其它低碳的替代品相持平，然而這22個應(yīng)用場景中，約占全球能耗15%，其中長途的重型運輸和區(qū)域列車等9項應(yīng)用最具競爭力，隨后是化工原料、氫冶金和高品質(zhì)熱源等，但這些還需要與碳稅結(jié)合才具備競爭力。
在這些應(yīng)用中，目前已經(jīng)有兩個成功的商業(yè)化推廣案例，一個是日本的戶用熱電聯(lián)供，數(shù)據(jù)顯示已有40多萬戶，售價也從最初的接近300萬日元下降至100萬日元以下；另外一個案例是美國的燃料電池叉車，目前已經(jīng)推廣了3萬多臺，實現(xiàn)了盈虧平衡。
規(guī)模應(yīng)用也是降低綠氫成本的重要途徑，以制氫為例，制氫裝備的規(guī)模越大，綜合成本也就越低，例如之前的幾個規(guī)模制氫示范當(dāng)中，均采用單槽1000m3/h的制氫設(shè)備，同時已開發(fā)出2000m3/h的制氫裝備，而3000m3/h制氫裝備也在開發(fā)中。某些企業(yè)還采用了多對一的技術(shù)方案，如采用多臺電解槽對應(yīng)1套后處理設(shè)備和1套純化設(shè)備，通過這樣一些規(guī)模應(yīng)用措施的實施，有效降低了制氫成本和建設(shè)成本。
制氫僅僅是氫能供應(yīng)鏈的第一環(huán)，其成本占整個氫能供應(yīng)鏈當(dāng)中的35%-40%。氫能的配送和加氫成本占比更高，可以達到終端用戶的60%，其中配送占成本的15%-20%，而加氫站的成本占?xì)湓闯杀镜?2%-49%。
綠氫低壓供氫鏈：4*4工程
為了解決上述問題，蔣利軍所在團隊提出了構(gòu)建綠氫低壓供氫鏈的設(shè)想，開展了4*4的工程，即4度電制取1立方氫，制取的4MPa綠氫直接通入4MPa的純氫輸氫管道，送到低壓加氫站中，無需加壓，就可以直接沖入燃料電池汽車車載儲氫系統(tǒng)中，實現(xiàn)4wt%的儲氫。
至于供應(yīng)鏈將具有低成本、高安全的特性，在這個供氫鏈中，技術(shù)難度最大的是4wt%的車載儲氫技術(shù)，如果這一技術(shù)得到突破，這條供應(yīng)鏈將完全打通。為了實現(xiàn)這一設(shè)想進行了相關(guān)技術(shù)研發(fā)，開發(fā)的自支撐析氫電極材料以鎳合金纖維為基體，采用酸化刻蝕、原位硫化工藝，在多孔表面得到了原位生長的（MoNi）S2，研制出硫化鉬自支撐多孔電極材料。這種電極材料在電流密度1000 mA/cm2下可以穩(wěn)定工作，電解550小時后，其析氫過電位衰減率為1.5%。
大電流密度的工作為縮小電解槽的體積、減少設(shè)備投資和土地投資提供了可能性。
此外，蔣利軍團隊在管道表面也制備了防氫滲透涂層，在500℃的條件下，防氫滲透能力提高了1300倍，為輸氫管道防氫滲透奠定了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。
蔣利軍認(rèn)為采用固態(tài)儲氫是降低用氫成本，提高用氫安全性的最佳方式之一。
1.因為固態(tài)儲氫具有最高的儲氫密度，氫原子儲存于晶體間隙中，儲氫密度高于液氫。
2.提高了儲氫的安全性，儲氫材料可以在較低的恒定壓力下大量吸放氫，因此低壓儲氫就容易密封，即便泄露儲罐也可以自控式地降低氫氣泄漏速度，可為采取安全措施贏得寶貴時間。
3.固態(tài)儲氫可以降低用氫成本，因為低壓儲氫降低了加氫站的建站及運行成本，從而降低了氫價。
上圖為低壓加氫和高壓加氫流程對比圖，最大的區(qū)別就在于低壓加氫省去了高壓加氫站中的高壓壓縮機和高壓儲罐，簡化的流程、降低了配置，讓建站成本從1000萬可以降到300萬元以下，同時低壓設(shè)備的運營、維護成本也大大降低，氫氣的成本從60元/每公斤降到40元/每公斤。
因此，采用固態(tài)儲氫與綠氫結(jié)合具有以下優(yōu)勢：
首先，儲氫時不需要另配壓縮機，可以直接低壓儲氫，從而節(jié)省了裝備的投資、降低了能耗；
其次，安全性好，即使槍擊也不會爆炸，僅僅只有一個小火苗緩慢燃燒；
最后，儲氫密度高、占地面積小，一個儲罐可以頂三個同體積的高壓儲罐。
助力固態(tài)儲氫發(fā)展
為了加快固態(tài)儲氫在我國的應(yīng)用，蔣利軍團隊重點突破了三項關(guān)鍵技術(shù)：
一.高儲氫容量材料開發(fā)及其工程化制備技術(shù)
二.基于儲氫熱/動力學(xué)特性的傳熱傳質(zhì)模擬仿真技術(shù)
三.安全評價和測試技術(shù)
值得一提的是，為了保證使用的安全，蔣利軍團隊對儲氫材料進行了特殊處理，經(jīng)特殊成型后形成儲氫元件，在空氣中不自燃、遇水不分解放氫、且點火不燃燒。這種儲氫元件已經(jīng)通過了應(yīng)急管理部化學(xué)品等級中心的鑒定，鑒定結(jié)果稱其不屬于危險貨物，為今后的應(yīng)用提供了很大的便利。
此外，為了保證在極端情況下的安全性，如儲罐充氫飽和后，在65℃環(huán)境下長期放置不過壓，通過適當(dāng)?shù)牟牧显O(shè)計保證了儲罐最高溫升壓力仍可控制在13.5MPa以下，并且這個時候有97%的氫氣仍然儲存于儲氫材料當(dāng)中，只有3%的氫氣作為高壓氫存在。
為了避免發(fā)生儲氫材料吸放氫膨脹導(dǎo)致罐體炸裂的問題，采取特殊成型技術(shù)將吸放氫過程中的儲氫合金晶格膨脹應(yīng)力部分吸收，使得固態(tài)儲氫罐即使在70%高裝填率下吸氫最大應(yīng)變值可以控制在1000με以下，這樣確保了罐體不發(fā)生塑性變形。
采用這樣安全的儲氫元件，面向不同應(yīng)用開發(fā)了一系列的儲氫裝置，有便攜式應(yīng)用、固定式應(yīng)用、加氫站站用及車載應(yīng)用。
另外在大規(guī)模的氫儲能方面，蔣利軍團隊也與相關(guān)單位合作進行了探索，例如已通過論證的張家口200MW/800MWh氫儲能調(diào)峰電站，這也是全球最大的氫儲能發(fā)電項目，每天制儲氫58噸、發(fā)電80萬度。
那么,例如這樣的氫儲能燃料電池分布式發(fā)電是不是具有競爭力呢？
蔣利軍做了一個簡單的測算，以5千瓦燃料電池連續(xù)供能1周，每天供能20小時場景為例：
如果按照燃料電池系統(tǒng)1萬元/kW、制氫系統(tǒng)2萬元/kW、固態(tài)儲氫裝置0.8萬元/kg.H2來進行計算，單位儲能成本=1.02元/Wh，這與2010年我國公開招標(biāo)的鋰電池1.2-1.68元/Wh相比。這個氫儲能分布式發(fā)電在長周期的儲能應(yīng)用場景下已經(jīng)具備了成本競爭力，尤其適用于工業(yè)園區(qū)風(fēng)光氫儲分布式發(fā)電系統(tǒng)或獨立微網(wǎng)當(dāng)中。
蔣利軍團隊開發(fā)的儲氫裝置已經(jīng)分別應(yīng)用于商用車、助力車和游艇，最大的好處就是便于加氫，安全性提高。同時也開發(fā)出適用于1.5噸叉車的固態(tài)儲氫裝置樣機，首批次15臺套的固態(tài)儲氫燃電池叉車即將示范運行。
總結(jié)
蔣利軍強調(diào)降低綠氫應(yīng)用成本需要因地制宜、多措并舉、政策支持、場景選擇、規(guī)模應(yīng)用和技術(shù)進步缺一不可。
并指出綠氫低壓供氫鏈可能是降低綠氫應(yīng)用成本的系統(tǒng)性解決方案，采用這一方案可以充分發(fā)揮我國的資源優(yōu)勢，走出一條具有中國特色的氫能發(fā)展之路，但是還有賴于技術(shù)突破，合需理的選擇場景，能用盡用以加快技術(shù)的成熟。
