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            氫能十解”之五:氫基能源應用拼圖

            能源發展與政策發布時間:2024-02-29 15:56:36

              綠色氫基能源是各行業深度脫碳的利器,據預測我國綠氫需求在2030年、2040年、2050年和2060年將分別達到2300萬噸、6900萬噸、9100萬噸和1.2億噸,其應用主要分布在工業、交通、電力和建筑四大領域。

              工業領域應用

              工業目前是我國氫基能源最大的應用領域。氫氣是重要的工業原料,已經被廣泛用于合成氨、合成甲醇、石油化工和冶金等工業領域,在雙碳目標的約束下,預計氫基能源在工業領域應用規模將快速增長。

              (1)合成氨

              合成氨是目前規模最大的氫氣消費途徑,目前全球超過37%的氫氣用于生產合成氨。氨是化肥的主要原料,也是重要的工業原料和中間產品,在工業領域中具有廣泛的用途。在化肥工業中,氨是生產氮素化肥的主要原料;在化學工業中,氨可以用于生產胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂等有機或無機化工產品;在電子工業中,高純氨可用于大規模集成電路減壓或等離子體化學氣相沉積;在食品工業中,氨可以作為堿性劑、酵母養料、食用色素稀釋劑等。

              合成氨的主要原料是氮氣和氫氣,理論上合成1噸氨需要0.18噸氫氣和0.82噸氮氣。合成氨所需的氮氣來源相對簡單,一般可以通過空氣分離獲得。合成氨所需的氫氣來源較為多樣,目前主要來源于由煤炭和天然氣制備的灰氫,鑒于可再生能源電解水產生的綠氫具備碳排放低、純度高的特點,未來綠電制綠氫將成為氫氣的主要來源。

              (2)制備甲醇

              甲醇是氫應用的另一大途徑。甲醇是基礎的有機化工原料,可以用來生產烯烴、甲醛、二甲醚、醋酸、甲基叔丁基醚、二甲基甲酰胺、甲胺、氯甲烷、對苯二甲酸二甲脂、甲基丙烯酸甲脂、合成橡膠等一系列有機化工產品,被廣泛應用于化工、輕工、紡織、農藥、醫藥、電子、食品上?,F代工業利用甲醇制烯烴,相對于傳統石腦油制烯烴具有較強的成本優勢,已逐漸成為甲醇的主力消費市場,當前占據甲醇總需求量的55%左右。

              長遠來看,通過以綠色甲醇為原料生產有機化工產品,是化工領域降低碳排放的重要手段。綠色甲醇,是指在生產過程中零碳排放合成的甲醇,目前綠色甲醇主要有兩種生產途徑:一種是生物質制備綠色甲醇,另一種是綠電制綠色甲醇,其中通過綠電制氫與二氧化碳反應合成甲醇技術路線可以實現二氧化碳大規模利用,是未來合成綠色甲醇的重要技術路線。

              (3)石油化工

              氫氣是石油化工領域不可或缺的原料之一,加氫裂化、加氫精制等工藝可以改善、改變重油性質,將重油轉化為輕質油品,有效提高石油的精煉效率,獲得更多高附加值的產品。目前,石油化工用氫主要依賴化石能源制氫或工業副產氫,未來通過綠氫替代的潛力巨大。

              (4)冶金行業

              氫氣可以取代碳作為還原劑用于冶金行業。目前主流的氫冶金技術路線分為高爐富氫冶金與氣基直接還原豎爐冶金兩種方式:高爐氫冶金是指通過在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體參與冶金過程,相關實驗表明,高爐富氫還原冶金在一定程度上能夠通過加快爐料還原,減少碳排放,但由于該工藝是基于傳統的高爐,氫氣噴吹量存在極限值,一般認為高爐富氫還原的碳減排幅度可達10%-20%,效果不夠顯著;氣基直接還原豎爐冶金是指通過使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑參與冶金過程,氣基直接還原豎爐冶金二氧化碳排放量可減少50%以上,更適合用于氫冶金。

              冶金行業是碳排放的重點行業,根據《2023雙碳鋼鐵年度發展報告》,2023年我國鋼鐵產業碳排放占全球鋼鐵產業碳排放總量的60%以上,是全球鋼鐵行業最大的碳排放源,從行業門類來看,鋼鐵行業碳排放占全國碳排放總量的15%左右,碳排放量位居制造業31個門類首位。

              綠氫被視為冶金行業碳減排的關鍵,傳統的高爐煉鐵是以煤炭為基礎的冶煉方式,碳排放占整個工藝流程總排放量的70%左右,氫氣可以代替碳在冶金過程中的還原作用,從而使冶金行業擺脫對煤炭的依賴,在源頭實現降碳。

              交通領域應用

              化石能源清潔綠色替代是交通領域碳減排的路徑之一,綠色氫基能源作為交通燃料,可以應用于公路交通、鐵路交通、航空、航海等多種場景,是未來交通運輸行業實現低碳轉型的有效途徑。

              (1)公路交通

              公路交通是交通運輸領域碳排放的絕對主體和減排重點。氫基能源在公路交通運輸領域的應用,主要包括氫基能源燃料電池及氫基能源內燃機兩種方式。

              氫燃料電池是目前在公路交通中應用較為成熟的綠色解決方案。我國氫燃料電池汽車的發展采取先商用車后乘用車路線,氫燃料電池汽車主要以客車、重型卡車、牽引車、城市物流車為切入,逐步過渡到乘用車領域。相對于發展趨于成熟的純電動汽車,氫燃料電池汽車適合固定路線、中長途干線和高載重場景。據中國汽車工業協會數據顯示,2022年我國重型卡車銷售量為67.19萬輛,其中氫燃料重型卡車銷售量為2382輛,滲透率為0.35%,預計隨著氫能源產業政策、氫燃料電池技術、加氫站等配套設施的發展,氫燃料電池汽車規模將迎來加速發展的契機。

              氫基能源中甲醇是公路交通領域的最佳替代燃料選項,甲醇可用作內燃機中的汽油添加劑或替代品,也可應用于改裝的柴油發動機車輛,應用場景豐富。

              甲醇具有以下優點:一是常溫常壓下呈液態,便于儲運;二是成分單一,燃燒相對清潔;三是甲醇作為含氧燃料,可以有效改善發動機燃燒反應,提高能源轉換效率,相比按汽油等熱值計算平均能量轉換效率可提高20%以上。工業和信息化部發布的《“十四五”工業綠色發展規劃》明確提出“促進甲醇汽車等替代燃料汽車推廣”。目前我國甲醇汽車已具備完整的政策許可、行政管理許可、技術標準許可、市場準入許可和運行保障許可等相關許可,建成了完整的產品技術鏈、產業鏈和供應鏈,構建了甲醇乘用車、甲醇混合動力乘用車、甲醇商用車、甲醇自卸車、甲醇?;愤\輸車、甲醇增程電動車等組成的多元化產品體系,甲醇汽車產業即將迎來快速發展的歷史機遇。

              (2)鐵路交通

              氫基能源在鐵路交通領域的應用主要是氫基能源燃料電池替代傳統內燃機為火車提供新的動力來源,氫基動力火車的優點在于不需要對現有鐵路軌道進行電氣化改造即可以實現鐵路運輸行業的減排。法國、德國和英國等歐洲國家均已出臺國家鐵路網絡清潔改造升級計劃,但在我國鐵路高電氣化率的背景下,氫基動力火車需求相對有限。

              從技術來看,氫動力火車仍處于研發試驗階段。2022年,世界上第一列純氫動力客運火車在德國正式運營,續航里程達1000公里,最高時速達140公里;2021年,中國試運行國內首臺氫燃料電池混合動力火車,滿載氫氣可連續運行24.5小時,平直道最大可牽引載重可超過5000噸;2022年,中國建成了世界首個重載鐵路加氫科研示范站,為氫動力火車供應氫能燃料。

              (3)航空

              航空業的碳減排很難通過電氣化實現,氫基能源為航空業提供了可能的減碳方案。目前氫能飛機的動力主要包括氫燃料電池、燃氫發動機等,相較于氫燃料電池,燃氫發動機的發展較為緩慢,這跟氫燃料與航空煤油的許多特性的不同有密切關系,航空發動機從燃油到燃氫,對結構設計尤其是燃燒室的設計帶來了較大的挑戰。

              氫動力飛機可能成為中短距離航空飛行的減碳方案,但在長距離航空領域,仍須依賴航空燃油,因此發展綠色航油將是實現減碳目標最重要的措施。綠色航空煤油是指從非化石資源而來的C8~15液體烴類燃料,根據美國環球油品公司的生命周期分析,綠色航油的溫室氣體排放量比石油基航空燃料減少65%~85%。

              綠色航空煤油可以通過對植物油、地溝油或其它高含油生物燃料加氫精制生成;也可以通過將纖維素、木質素等生物質氣化生成合成氣,經費托合成工藝后,再加氫裂化、加氫異構改質生成。清華大學研究團隊通過設計指向含芳環航煤餾分為目標產物的工藝路線,從熱力學上實現一步生產航空煤油,目前已完成100噸/年的小型生產實驗。目前,全球綠色航油主要從生物油脂的加綠氫精制生產,售價在2700~3100美元/噸,價格是石油基航煤的4倍左右。

              美國、英國、歐盟等發達國家和地區已經出臺綠色航空發展的頂層戰略規劃,預計綠氫將在未來航空業低碳轉型中發揮重要作用。

              (4)航運

              《2023年國際海事組織船舶溫室氣體減排戰略》明確提出到2030年國際航運業二氧化碳排放量比2008年減少30%以上,并在2050年前后實現凈零排放,氫基燃料作為航運領域的重要碳減排方案,迎來重要發展機遇。目前氫基燃料在航運中的應用主要包括燃料電池和甲醇燃料兩種解決方案。

              我國企業和機構基于國產化氫能燃料電池已經啟動了氫動力船舶研制,目前的氫動力船舶主要用于湖泊、內河、近海場景,作為小型船舶的主動力或大型船舶的輔助動力。2023年10月,我國首艘氫燃料電池動力示范船“三峽氫舟1”號首航,標志著氫燃料電池技術在我國內河船舶應用實現零的突破。

              綠色甲醇作為國際上公認的清潔燃料,甲醇可以實現船舶低改裝成本下柴油的部分或完全替代。目前日本、新加坡等國家已明確將綠色甲醇作為船舶運輸的燃料,根據船舶經紀公司Braemar估算,到2030年,僅國際航運巨頭馬士基一家對于綠色甲醇的全球需求量即將達到600萬噸,綠色甲醇在船舶航運領域應用市場空間巨大。

              我國船舶和船舶動力制造行業也在積極推進內河航運、江海直達、近海運輸甲醇燃料動力船舶的制造。2017年中國船級社發布《船舶應替代燃料指南》,為甲醇作為船舶動力提供了技術標準和應用指南;以中船重工為主的研究機構也在積極研發直噴甲醇發動機、甲醇燃料加注單元等甲醇船舶的核心裝置。

              電力領域應用

              氫基能源可以運用在電力系統“源-網-荷-儲”的各環節。在源端,可通過氣電摻氫和煤電摻氨的方式降低發電端的碳排放;在網端,氫基能源可以通過管道長距離運輸作為特高壓電力輸送的一種有效補充;在負荷端,電解水制氫是一種柔性負荷,可為電力系統提供需求側靈活響應;在儲端,氫基能源可以通過燃料電池回流到電力系統中,氫基能源可作為一種具備長時儲存能力的“過程性能源”,可以實現跨日、月、季節的長時儲能,對構建新型電力系統意義重大。

              (1)氣電摻氫燃燒

              氣電摻氫燃燒是指在天然氣中摻一定比例的氫氣用于燃氣輪機燃燒發電,氣電摻氫燃燒可以顯著削減氣電溫室氣體的排放總量,并減少作為化石燃料的天然氣的消費量,是未來天然氣發電實現碳減排的主要路徑之一。

              近年來,中國持續在氣電摻氫燃燒方面開展積極的探索,2021年12月國家電投荊門綠動電廠成功實現燃氣輪機15%摻氫燃燒運行,其燃氣輪機設計最高摻氫比例達到30%;同年12月,廣東省能源集團旗下的廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司宣布將建設2臺600兆瓦9H型燃氣-蒸汽聯合循環熱電冷聯產機組,燃機機組將采用10%的氫氣摻混天然氣燃燒,該項目于2022年正式開工,2024年1月成功實現1號燃機首次點火;2022年3月,浙江石化燃氣-蒸汽聯合循環電站項目采用的三臺西門子SGT5-2000E機組先后點火成功,此項目是世界首套采用天然氣、氫氣、一氧化碳作為混合燃氣的氣電項目。

              全球主要燃氣輪機廠商均在積極提高燃機的摻氫燃燒能力,目前GE在全球已有超過100臺采用低熱值含氫燃料機組在運行,累計運行小時數超過800萬小時,其中部分機組的燃料含氫量超過50%,積累大量實踐經驗。從不同機型看,GE旗下E/B級燃機已具備100%燃氫能力,其功率最大、最高效的9HA級燃機燃氫能力為50%,GE的目標是在2030年前實現9HA級燃機100%燒氫能力。摻氫從50%到100%依然有許多技術難題處于研發過程中,總體上包括燃燒技術、材料技術、控制技術、氮氧化物的控制技術四大類。

              (2)煤電摻氨燃燒

              在“雙碳”目標下,煤電的低碳轉型勢在必行,煤電摻氨被視為煤電低碳轉型的有效路徑,受到越來越多的關注。液氨體積能量密度高、大規模存儲和運輸技術成熟;氨的辛烷值較高,更抗爆震,應用場景廣泛,且燃燒后的產物可實現零碳排放,因此,氨可作為替代煤炭的理想燃料。

              日本是最早重視煤電摻氨的國家,2014年日本發布的國家戰略性創新創造方案就涵蓋在以蒸汽鍋爐為核心的火電站上開展氨-煤混燃技術研究;2021年,日本政公布的第六版能源發展規劃,提到日本計劃首先采用混燒技術,比如30%的氫加70%的天然氣,或者20%的氨加80%的煤粉,之后逐步提升氨和氫的混燒比例,計劃到2050年實現100%的氨、氫燃燒發電。

              在技術方面,NEDO(日本新能源產業技術綜合開發機構)委托東京電力公司全資子公司JERA、IHI、丸紅株式會社和Woodside Energy(澳大利亞伍德塞德能源公司)4家公司在大容量燃煤火電中進行了綠氨摻燒的全產業鏈示范應用。JERA負責碧南火力發電廠100萬千瓦機組的運行,IHI負責研究氨在鍋爐中的混燒技術,丸紅株式會社負責運輸氨燃料,Woodside Energy負責氨制備。目前JERA正規劃在碧南火電廠100萬千瓦燃煤機組上開展氨-煤混燃試驗,計劃2024年在碧南火力發電廠4號機上實現20%氨混燒。

              中國在煤電摻氨方面起步較晚,但是研發進展迅速。2022年1月24日,由國家能源集團開發的“燃煤鍋爐混氨燃燒技術”應用項目在山東煙臺成功投運,該技術是我國首次實現40兆瓦燃煤鍋爐氨混燃比例為35%的中試驗證,實現氨燃盡率99.99%,氮氧化物排放濃度不增加。

              目前,國家能源集團正對廣東臺山電廠一臺60萬千瓦機組開展摻氨改造,完成后可在多種工況下達到最高20%的摻燒比例。除了國家能源集團,安徽省能源集團和合肥綜合性國家科學中心能源研究院聯合開展了火電廠摻氨技術的研發,2022年4月至2023年6月在銅陵電廠32萬千瓦亞臨界發電機組上開展多次工程驗證,在國內首次驗證了大型火電機組摻氨燃燒技術的可行性,該工程最大耗氨量21噸/小時,30萬千瓦出力下摻燒比例大于10%、10萬千瓦出力下摻燒比例達到35%,不同工況下氨燃盡率均達99.99%,氮氧化物排放水平與改造前相當。

              國內外科研機構的試驗結果表明,燃煤鍋爐混氨燃燒可使得煤粉和氨良好燃盡,燃燒后氮氧化物排放不隨混氨比例增加而等比例升高,且可通過分級燃燒等方式顯著降低氮氧化物排放。

              鍋爐摻氨改造根據摻氨比例的不同,鍋爐改造的方式也會有所不同,通過國內目前的摻氨示范項目了解,在摻氨0-30%的范圍內,鍋爐的換熱結構幾乎無需改動即可滿足要求,對鍋爐本體的改造主要是集中在燃燒器的加裝,包括主燃區的煤摻氨燃燒器和還原區的純氨燃燒器。除了鍋爐本體之外,還需要配套有大型氨氣化及供應系統,包括有大型氨區,液氨增壓系統,液氨管道,液氨蒸發器,緩沖罐;對于鍋爐摻氨比例超過30%時,相比于純煤燃燒,氨煤混燒時產生的輻射換熱降低,而對流換熱增加,因此部分位置的換熱器容量需要進行適當的增加。

              (3)氫基能源燃料電池

              氫基能源可以通過燃料電池轉化為電能回流到電力系統中。燃料電池是一種將燃料所具有的化學能直接轉換成電能的裝置,基本原理是燃料進入燃料電池的陽極,在催化劑的作用下分解成質子和電子,形成的質子穿過膜達到燃料電池陰極,電子則通過外部電路到達燃料電池陰極形成電流。依據電解質的不同,可以將燃料電池分為五類:包括堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池等。依據燃料的不同,氫基燃料電池可以分為氫燃料電池、氨燃料電池和甲醇燃料電池,目前氫燃料電池發展較快。據測算,目前利用氫基能源的燃料電池純發電效率約為50%,通過熱電聯產的方式綜合效率可達85%以上。

              氫基燃料電池可以單獨也可以與電解水制氫系統聯合為電力系統提供寶貴的靈活性調節資源。此外,氫基燃料電池系統還適用于偏遠山區、海島邊防、通信基站、移動電源車等不同規模的固定式、移動式供能場景,具備較廣泛的應用前景。

              建筑領域應用

              建筑領域用能需求主要為供暖(空間采暖)和供熱(生活熱水),傳統的供暖供熱主要依靠煤炭和天然氣等化石能源的燃燒,將氫基能源作為未來建筑用能的主要載體可以有效促進建筑領域低碳綠色發展。氫基能源在建筑領域的應用主要有天然氣管道摻氫和建筑熱電聯供系統。

              (1)天然氣管道摻氫

              氫氣可借助較為完善的家庭天然氣管網,以一定比例摻入天然氣中,用于建筑的能源需求。

              目前世界許多國家已經逐步開展天然氣管網摻氫項目示范,其中英國、法國的示范項目最高摻氫比例已達20%。國內首條摻氫高壓輸氣管道工程包頭—臨河輸氣管道工程于2023年3月在巴彥淖爾市臨河區正式開工,最大輸氣能力可達12億標方/年,可實現最高摻氫比例10%;2023年4月,寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺,397公里長的天然氣管線摻氫比例已逐步達到24%,經過了100天的測試運行,整體運行安全穩定,創造了國內外天然氣管道摻氫輸送的新紀錄。

              從國內外示范工程及研究表明,摻氫比例在10%至20%之間是可行的,據公開數據顯示,預計2050年全球10%的建筑供熱和8%的建筑供能將由氫氣提供,每年可減排7億噸二氧化碳。

              (2)建筑熱電聯供系統

              氫基能源可以通過燃料電池的形式參與建筑供能。氫基燃料電池熱電聯供系統是指通過能量梯級利用的方式,同時實現對建筑的供電和供熱,將具有較高利用價值的高品位能量用于發電,而剩余的溫度較低的低品位能量則用于供熱,其系統綜合能量利用率可達80~90%。

              基于氫基燃料電池搭建的熱電聯供系統采用在負荷中心建立分布式發電系統的形式,可以為樓宇、小區等民用用戶以及工業用戶提供熱,并承擔部分用電負荷,結合天然氣管道摻氫,可以實現電、熱、氣三聯供。目前,以日本、韓國、歐洲為代表的國家已實現了氫燃料電池微型熱電聯供商業化;我國建筑領域熱電聯供目前仍處于研發試驗階段,河北省、廣州市、上海市等多地規劃提出要推廣氫燃料電池熱電聯供試點項目,探索家用和商用氫燃料電池熱電聯供模式,助力建筑領域節能減排。

              (作者:張益國、姜海、賈浩帥,作者單位:水電水利規劃設計總院)


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