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在過(guò)去的一周里，氫板又回到了風(fēng)中。
受北京宣布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案的影響，氫能概念在A股市場(chǎng)迎來(lái)了一波價(jià)格上漲，許多上市公司“跟著氫能走高”。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，今年以來(lái)，國(guó)內(nèi)a股上市公司就氫能產(chǎn)業(yè)布局發(fā)布公告多達(dá)1.71萬(wàn)份，宣布進(jìn)入局的上市公司多達(dá)183家。
為了實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，迫切需要開(kāi)發(fā)新的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深度減排，實(shí)現(xiàn)“脫碳”、“固碳”甚至“碳負(fù)”。
氫是一種良好的還原劑，是大多數(shù)化學(xué)和石化產(chǎn)品的組成部分。無(wú)論是通過(guò)清潔的氫和低烴替代化石能源，實(shí)現(xiàn)交通、工業(yè)、建筑、發(fā)電等領(lǐng)域的“脫碳”，還是通過(guò)“氫化固碳”的碳捕集、封存和資源利用，實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)，或?qū)⑸镔|(zhì)制氫與碳捕集技術(shù)等結(jié)合生產(chǎn)“負(fù)烴氣”。氫在這些途徑中起著關(guān)鍵作用。
與煤、石油和天然氣相比，氫能并非自然存在于自然界，需要通過(guò)一次能源的化學(xué)加工或轉(zhuǎn)化來(lái)生產(chǎn)。與化石燃料生產(chǎn)的灰色氫氣和碳捕集存儲(chǔ)技術(shù)脫碳尾氣生產(chǎn)的藍(lán)色氫氣相比，可再生能源水電解生產(chǎn)的綠色氫氣可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，是符合碳中和發(fā)展方向的選擇。
在鋼鐵工業(yè)中，氫冶金是目前重點(diǎn)探索的方向。2020年11月，賀鋼集團(tuán)與全球礦冶巨頭意大利特諾恩集團(tuán)簽訂合同，建設(shè)全球首個(gè)利用富氫氣工業(yè)直接還原鐵生產(chǎn)工廠，推動(dòng)傳統(tǒng)“碳冶金”向“氫冶金”轉(zhuǎn)型。
在能源和化工領(lǐng)域，基于綠色氫反應(yīng)制備甲醇是高效轉(zhuǎn)化利用二氧化碳和“氫固碳”的重要途徑之一。據(jù)估計(jì)，如果按我國(guó)目前的8000萬(wàn)噸甲醇產(chǎn)能計(jì)算，液態(tài)陽(yáng)光甲醇相對(duì)于煤化工甲醇生產(chǎn)將減少數(shù)億噸二氧化碳。合成氨也是化工行業(yè)最大的氫消耗場(chǎng)景之一。挪威、美國(guó)、巴西等國(guó)家正在建設(shè)綠色氫氨工廠。在未來(lái)，使用綠色氫氣生產(chǎn)甲苯和乙烯也可以顯著減少溫室氣體的排放。
在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，氫燃料電池系統(tǒng)具有清潔環(huán)保、航程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。在未來(lái)，氫燃料電池系統(tǒng)可以作為重型卡車、難以電氣化的軌道交通、大型船舶、大型飛機(jī)等的動(dòng)力，降低長(zhǎng)途高負(fù)荷運(yùn)輸對(duì)石油和天然氣的依賴。
在建筑能耗方面，利用氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)和燃料電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)民用住宅和商用建筑的熱電聯(lián)供，這也是德國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)企業(yè)競(jìng)相投資的研發(fā)方向。
關(guān)乎能源安全的儲(chǔ)能介質(zhì)
氫能被廣泛認(rèn)為是未來(lái)最有前途的二次能源，因?yàn)樗墙ㄔO(shè)低碳高效的現(xiàn)代能源體系的重要儲(chǔ)能介質(zhì)。
可再生能源(如水、風(fēng)、太陽(yáng)能)是間歇性的，導(dǎo)致長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定的電力輸出。受電網(wǎng)吸收能力的影響，“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。據(jù)國(guó)家新能源消費(fèi)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心發(fā)布的《2021年第二季度全國(guó)新能源電力消費(fèi)評(píng)估與分析》顯示，今年上半年，全國(guó)風(fēng)電棄電126.4億千瓦時(shí)，風(fēng)電利用率96.4%;光伏發(fā)電33.2億千瓦時(shí)，光伏發(fā)電利用率為97.9%。其中，青海、陜西、寧夏、河南、貴州都經(jīng)歷了棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象。今年2月，美國(guó)中南部大片地區(qū)出現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的低溫，導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)葉片凍結(jié)，造成了本世紀(jì)的電力中斷。日益頻繁的極端天氣也對(duì)可再生能源供電的可靠性提出了更高的要求。
儲(chǔ)能是解決問(wèn)題的唯一途徑——將可再生能源發(fā)電儲(chǔ)存起來(lái)，并在需要時(shí)釋放出來(lái)，從而確保可再生能源發(fā)電輸出電量持續(xù)穩(wěn)定，提高電網(wǎng)接受間歇性可再生能源的能力。氫是一種重要的二次能源，通過(guò)電解水可獲得氫，由于其自身突出的特性，被認(rèn)為是一種理想的儲(chǔ)能介質(zhì)。
從氫源的角度來(lái)看，風(fēng)能和光伏制氫可以在生產(chǎn)源上實(shí)現(xiàn)不碳化。同時(shí)，與鋰電池相比，氫作為儲(chǔ)能介質(zhì)具有能量密度高且能滿足高速、低溫等優(yōu)點(diǎn)，非常適合長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，解決了風(fēng)電、光伏發(fā)電時(shí)遇到的不平衡問(wèn)題，季度不平衡等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電網(wǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模、跨季節(jié)、跨時(shí)間、跨區(qū)域的儲(chǔ)能，將是促進(jìn)可再生能源消費(fèi)的有力工具。
作為一個(gè)擁有巨大潛力的新的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù),氫能源不僅是適合大規(guī)模能量存儲(chǔ)和長(zhǎng)周期規(guī)定,但也可以發(fā)揮重要作用的輔助服務(wù)峰值頻率調(diào)制,高峰負(fù)荷轉(zhuǎn)移和河谷充填等多類型能源互連,微電網(wǎng)建設(shè)。
正因如此，近年來(lái)光伏、風(fēng)電領(lǐng)域的龍頭企業(yè)加大了氫能的分布，可再生能源與氫能的“聯(lián)姻”為能源綜合發(fā)展提供了新的路徑。
海上風(fēng)電作為新能源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，可就近吸納。對(duì)于青島來(lái)說(shuō)，來(lái)自海洋的“氫”，也將是值得展望的未來(lái)。
產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實(shí)依然“骨感”
據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2050年，中國(guó)的氫能需求將接近6000萬(wàn)噸，可再生能源電解氫產(chǎn)量將占70%，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排約7億噸，氫能在中國(guó)終端能源系統(tǒng)中占10%以上，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達(dá)到12萬(wàn)億元。
在制氫過(guò)程中，目前主流的綠色制氫技術(shù)有堿水電解(AWE)、質(zhì)子交換膜電解(PEM)和固體氧化物電解(SOEC)。由于受到成本、成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈匹配等諸多因素的影響，AWE在中國(guó)是主流。雖然PEM電解槽的操作更加靈活，更適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)，但國(guó)內(nèi)的PEM技術(shù)正經(jīng)歷著從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到市場(chǎng)和大規(guī)模應(yīng)用的階段，與歐洲的先進(jìn)技術(shù)有很大的不同。SOEC技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)換效率高，可實(shí)現(xiàn)電解水制氫80%以上的能量轉(zhuǎn)換效率。然而，它需要高溫的操作環(huán)境，在材料的循環(huán)壽命、成本和工藝上都存在困難。
在可再生能源綠色制氫領(lǐng)域，占制氫能力的比例非常有限，最大的問(wèn)題是成本。電解水制氫的成本的70%到80%來(lái)自電力。據(jù)估計(jì)，當(dāng)可再生能源發(fā)電成本降至0.15元/千瓦時(shí)以下時(shí)，電解水制氫可以與化工行業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)供應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)。預(yù)計(jì)到2030年至2035年，綠色氫氣的生產(chǎn)成本將低于15元/公斤，并有望在加油站與化石燃料持平。
在儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫方式以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為主，成本相對(duì)較低，而加氫站主要采用長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸高壓氣態(tài)氫，運(yùn)輸距離短，運(yùn)輸成本高。在液氫方面，設(shè)備關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口，與國(guó)外技術(shù)差距較大，生產(chǎn)能力嚴(yán)重不足。目前，美日兩國(guó)主要推進(jìn)液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)路線。世界上三分之一的加氫站采用液氫技術(shù)，澳大利亞對(duì)日供氫項(xiàng)目也采用液氫運(yùn)輸船進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸。
在加氫過(guò)程中，燃料電池和加氫站所需的關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口或成熟產(chǎn)品，沒(méi)有批量生產(chǎn)，導(dǎo)致相應(yīng)工藝成本高。以燃料電池為例，根據(jù)中國(guó)國(guó)際經(jīng)濟(jì)交流中心信息部數(shù)據(jù)，我國(guó)膜電極組件的成本在4000元/千瓦左右，與國(guó)際700元/千瓦有很大差距。我國(guó)反應(yīng)器成本為6000元/千瓦，國(guó)際指標(biāo)為1000元/千瓦。
事實(shí)上，在全球范圍內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，但一場(chǎng)關(guān)于氫的全球競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)始。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在占全球GDP約52%的27個(gè)國(guó)家中，有16個(gè)國(guó)家已經(jīng)制定了全面的國(guó)家氫能發(fā)展戰(zhàn)略，11個(gè)國(guó)家正在制定中。
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