綠色氫基能源是各行業(yè)深度脫碳的利器，據(jù)預(yù)測(cè)我國綠氫需求在2030年、2040年、2050年和2060年將分別達(dá)到2300萬噸、6900萬噸、9100萬噸和1.2億噸，其應(yīng)用主要分布在工業(yè)、交通、電力和建筑四大領(lǐng)域。
工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用
工業(yè)目前是我國氫基能源最大的應(yīng)用領(lǐng)域。氫氣是重要的工業(yè)原料，已經(jīng)被廣泛用于合成氨、合成甲醇、石油化工和冶金等工業(yè)領(lǐng)域，在雙碳目標(biāo)的約束下，預(yù)計(jì)氫基能源在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模將快速增長。
(1)合成氨
合成氨是目前規(guī)模最大的氫氣消費(fèi)途徑，目前全球超過37%的氫氣用于生產(chǎn)合成氨。氨是化肥的主要原料，也是重要的工業(yè)原料和中間產(chǎn)品，在工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的用途。在化肥工業(yè)中，氨是生產(chǎn)氮素化肥的主要原料;在化學(xué)工業(yè)中，氨可以用于生產(chǎn)胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹脂等有機(jī)或無機(jī)化工產(chǎn)品;在電子工業(yè)中，高純氨可用于大規(guī)模集成電路減壓或等離子體化學(xué)氣相沉積;在食品工業(yè)中，氨可以作為堿性劑、酵母養(yǎng)料、食用色素稀釋劑等。
合成氨的主要原料是氮?dú)夂蜌錃?，理論上合?噸氨需要0.18噸氫氣和0.82噸氮?dú)狻：铣砂彼璧牡獨(dú)鈦碓聪鄬?duì)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(chǎn)生的綠氫具備碳排放低、純度高的特點(diǎn)，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(yīng)用的另一大途徑。甲醇是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料，可以用來生產(chǎn)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(duì)苯二甲酸二甲脂、甲基丙烯酸甲脂、合成橡膠等一系列有機(jī)化工產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、紡織、農(nóng)藥、醫(yī)藥、電子、食品上?，F(xiàn)代工業(yè)利用甲醇制烯烴，相對(duì)于傳統(tǒng)石腦油制烯烴具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為甲醇的主力消費(fèi)市場，當(dāng)前占據(jù)甲醇總需求量的55%左右。
長遠(yuǎn)來看，通過以綠色甲醇為原料生產(chǎn)有機(jī)化工產(chǎn)品，是化工領(lǐng)域降低碳排放的重要手段。綠色甲醇，是指在生產(chǎn)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(chǎn)途徑：一種是生物質(zhì)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(yīng)合成甲醇技術(shù)路線可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳大規(guī)模利用，是未來合成綠色甲醇的重要技術(shù)路線。
(3)石油化工
氫氣是石油化工領(lǐng)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(zhì)，將重油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油品，有效提高石油的精煉效率，獲得更多高附加值的產(chǎn)品。目前，石油化工用氫主要依賴化石能源制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫，未來通過綠氫替代的潛力巨大。
(4)冶金行業(yè)
氫氣可以取代碳作為還原劑用于冶金行業(yè)。目前主流的氫冶金技術(shù)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(guān)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)的高爐，氫氣噴吹量存在極限值，一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排幅度可達(dá)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(yè)是碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，根據(jù)《2023雙碳鋼鐵年度發(fā)展報(bào)告》，2023年我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放占全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放總量的60%以上，是全球鋼鐵行業(yè)最大的碳排放源，從行業(yè)門類來看，鋼鐵行業(yè)碳排放占全國碳排放總量的15%左右，碳排放量位居制造業(yè)31個(gè)門類首位。
綠氫被視為冶金行業(yè)碳減排的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的高爐煉鐵是以煤炭為基礎(chǔ)的冶煉方式，碳排放占整個(gè)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(yè)擺脫對(duì)煤炭的依賴，在源頭實(shí)現(xiàn)降碳。
交通領(lǐng)域應(yīng)用
化石能源清潔綠色替代是交通領(lǐng)域碳減排的路徑之一，綠色氫基能源作為交通燃料，可以應(yīng)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(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的有效途徑。
(1)公路交通
公路交通是交通運(yùn)輸領(lǐng)域碳排放的絕對(duì)主體和減排重點(diǎn)。氫基能源在公路交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括氫基能源燃料電池及氫基能源內(nèi)燃機(jī)兩種方式。
氫燃料電池是目前在公路交通中應(yīng)用較為成熟的綠色解決方案。我國氫燃料電池汽車的發(fā)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(lǐng)域。相對(duì)于發(fā)展趨于成熟的純電動(dòng)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(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)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(yù)計(jì)隨著氫能源產(chǎn)業(yè)政策、氫燃料電池技術(shù)、加氫站等配套設(shè)施的發(fā)展，氫燃料電池汽車規(guī)模將迎來加速發(fā)展的契機(jī)。
氫基能源中甲醇是公路交通領(lǐng)域的最佳替代燃料選項(xiàng)，甲醇可用作內(nèi)燃機(jī)中的汽油添加劑或替代品，也可應(yīng)用于改裝的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛，應(yīng)用場景豐富。
甲醇具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是常溫常壓下呈液態(tài)，便于儲(chǔ)運(yùn);二是成分單一，燃燒相對(duì)清潔;三是甲醇作為含氧燃料，可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒反應(yīng)，提高能源轉(zhuǎn)換效率，相比按汽油等熱值計(jì)算平均能量轉(zhuǎn)換效率可提高20%以上。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》明確提出“促進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)許可、市場準(zhǔn)入許可和運(yùn)行保障許可等相關(guān)許可，建成了完整的產(chǎn)品技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈，構(gòu)建了甲醇乘用車、甲醇混合動(dòng)力乘用車、甲醇商用車、甲醇自卸車、甲醇?；愤\(yùn)輸車、甲醇增程電動(dòng)車等組成的多元化產(chǎn)品體系，甲醇汽車產(chǎn)業(yè)即將迎來快速發(fā)展的歷史機(jī)遇。
(2)鐵路交通
氫基能源在鐵路交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要是氫基能源燃料電池替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為火車提供新的動(dòng)力來源，氫基動(dòng)力火車的優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)現(xiàn)有鐵路軌道進(jìn)行電氣化改造即可以實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的減排。法國、德國和英國等歐洲國家均已出臺(tái)國家鐵路網(wǎng)絡(luò)清潔改造升級(jí)計(jì)劃，但在我國鐵路高電氣化率的背景下，氫基動(dòng)力火車需求相對(duì)有限。
從技術(shù)來看，氫動(dòng)力火車仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段。2022年，世界上第一列純氫動(dòng)力客運(yùn)火車在德國正式運(yùn)營，續(xù)航里程達(dá)1000公里，最高時(shí)速達(dá)140公里;2021年，中國試運(yùn)行國內(nèi)首臺(tái)氫燃料電池混合動(dòng)力火車，滿載氫氣可連續(xù)運(yùn)行24.5小時(shí)，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(gè)重載鐵路加氫科研示范站，為氫動(dòng)力火車供應(yīng)氫能燃料。
(3)航空
航空業(yè)的碳減排很難通過電氣化實(shí)現(xiàn)，氫基能源為航空業(yè)提供了可能的減碳方案。目前氫能飛機(jī)的動(dòng)力主要包括氫燃料電池、燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)等，相較于氫燃料電池，燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)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(guān)系，航空發(fā)動(dòng)機(jī)從燃油到燃?xì)?，?duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是燃燒室的設(shè)計(jì)帶來了較大的挑戰(zhàn)。
氫動(dòng)力飛機(jī)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(lǐng)域，仍須依賴航空燃油，因此發(fā)展綠色航油將是實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)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(jù)美國環(huán)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(duì)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(zhì)素等生物質(zhì)氣化生成合成氣，經(jīng)費(fèi)托合成工藝后，再加氫裂化、加氫異構(gòu)改質(zhì)生成。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)指向含芳環(huán)航煤餾分為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線，從熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)一步生產(chǎn)航空煤油，目前已完成100噸/年的小型生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。目前，全球綠色航油主要從生物油脂的加綠氫精制生產(chǎn)，售價(jià)在2700～3100美元/噸，價(jià)格是石油基航煤的4倍左右。
美國、英國、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)綠色航空發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計(jì)綠氫將在未來航空業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。
(4)航運(yùn)
《2023年國際海事組織船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略》明確提出到2030年國際航運(yùn)業(yè)二氧化碳排放量比2008年減少30%以上，并在2050年前后實(shí)現(xiàn)凈零排放，氫基燃料作為航運(yùn)領(lǐng)域的重要碳減排方案，迎來重要發(fā)展機(jī)遇。目前氫基燃料在航運(yùn)中的應(yīng)用主要包括燃料電池和甲醇燃料兩種解決方案。
我國企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國產(chǎn)化氫能燃料電池已經(jīng)啟動(dòng)了氫動(dòng)力船舶研制，目前的氫動(dòng)力船舶主要用于湖泊、內(nèi)河、近海場景，作為小型船舶的主動(dòng)力或大型船舶的輔助動(dòng)力。2023年10月，我國首艘氫燃料電池動(dòng)力示范船“三峽氫舟1”號(hào)首航，標(biāo)志著氫燃料電池技術(shù)在我國內(nèi)河船舶應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破。
綠色甲醇作為國際上公認(rèn)的清潔燃料，甲醇可以實(shí)現(xiàn)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(yùn)輸?shù)娜剂?，根?jù)船舶經(jīng)紀(jì)公司Braemar估算，到2030年，僅國際航運(yùn)巨頭馬士基一家對(duì)于綠色甲醇的全球需求量即將達(dá)到600萬噸，綠色甲醇在船舶航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用市場空間巨大。
我國船舶和船舶動(dòng)力制造行業(yè)也在積極推進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)、江海直達(dá)、近海運(yùn)輸甲醇燃料動(dòng)力船舶的制造。2017年中國船級(jí)社發(fā)布《船舶應(yīng)替代燃料指南》，為甲醇作為船舶動(dòng)力提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用指南;以中船重工為主的研究機(jī)構(gòu)也在積極研發(fā)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)、甲醇燃料加注單元等甲醇船舶的核心裝置。
電力領(lǐng)域應(yīng)用
氫基能源可以運(yùn)用在電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的各環(huán)節(jié)。在源端，可通過氣電摻氫和煤電摻氨的方式降低發(fā)電端的碳排放;在網(wǎng)端，氫基能源可以通過管道長距離運(yùn)輸作為特高壓電力輸送的一種有效補(bǔ)充;在負(fù)荷端，電解水制氫是一種柔性負(fù)荷，可為電力系統(tǒng)提供需求側(cè)靈活響應(yīng);在儲(chǔ)端，氫基能源可以通過燃料電池回流到電力系統(tǒng)中，氫基能源可作為一種具備長時(shí)儲(chǔ)存能力的“過程性能源”，可以實(shí)現(xiàn)跨日、月、季節(jié)的長時(shí)儲(chǔ)能，對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)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?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)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(fèi)量，是未來天然氣發(fā)電實(shí)現(xiàn)碳減排的主要路徑之一。
近年來，中國持續(xù)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(dòng)電廠成功實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)15%摻氫燃燒運(yùn)行，其燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)最高摻氫比例達(dá)到30%;同年12月，廣東省能源集團(tuán)旗下的廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司宣布將建設(shè)2臺(tái)600兆瓦9H型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，燃機(jī)機(jī)組將采用10%的氫氣摻混天然氣燃燒，該項(xiàng)目于2022年正式開工，2024年1月成功實(shí)現(xiàn)1號(hào)燃機(jī)首次點(diǎn)火;2022年3月，浙江石化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目采用的三臺(tái)西門子SGT5-2000E機(jī)組先后點(diǎn)火成功，此項(xiàng)目是世界首套采用天然氣、氫氣、一氧化碳作為混合燃?xì)獾臍怆婍?xiàng)目。
全球主要燃?xì)廨啓C(jī)廠商均在積極提高燃機(jī)的摻氫燃燒能力，目前GE在全球已有超過100臺(tái)采用低熱值含氫燃料機(jī)組在運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)超過800萬小時(shí)，其中部分機(jī)組的燃料含氫量超過50%，積累大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從不同機(jī)型看，GE旗下E/B級(jí)燃機(jī)已具備100%燃?xì)淠芰?，其功率最大、最高效?HA級(jí)燃機(jī)燃?xì)淠芰?0%，GE的目標(biāo)是在2030年前實(shí)現(xiàn)9HA級(jí)燃機(jī)100%燒氫能力。摻氫從50%到100%依然有許多技術(shù)難題處于研發(fā)過程中，總體上包括燃燒技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)、氮氧化物的控制技術(shù)四大類。
(2)煤電摻氨燃燒
在“雙碳”目標(biāo)下，煤電的低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，煤電摻氨被視為煤電低碳轉(zhuǎn)型的有效路徑，受到越來越多的關(guān)注。液氨體積能量密度高、大規(guī)模存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)成熟;氨的辛烷值較高，更抗爆震，應(yīng)用場景廣泛，且燃燒后的產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)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(fā)布的國家戰(zhàn)略性創(chuàng)新創(chuàng)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(shù)研究;2021年，日本政公布的第六版能源發(fā)展規(guī)劃，提到日本計(jì)劃首先采用混燒技術(shù)，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(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)100%的氨、氫燃燒發(fā)電。
在技術(shù)方面，NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu))委托東京電力公司全資子公司JERA、IHI、丸紅株式會(huì)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(jìn)行了綠氨摻燒的全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉稇?yīng)用。JERA負(fù)責(zé)碧南火力發(fā)電廠100萬千瓦機(jī)組的運(yùn)行，IHI負(fù)責(zé)研究氨在鍋爐中的混燒技術(shù)，丸紅株式會(huì)社負(fù)責(zé)運(yùn)輸氨燃料，Woodside Energy負(fù)責(zé)氨制備。目前JERA正規(guī)劃在碧南火電廠100萬千瓦燃煤機(jī)組上開展氨-煤混燃試驗(yàn)，計(jì)劃2024年在碧南火力發(fā)電廠4號(hào)機(jī)上實(shí)現(xiàn)20%氨混燒。
中國在煤電摻氨方面起步較晚，但是研發(fā)進(jìn)展迅速。2022年1月24日，由國家能源集團(tuán)開發(fā)的“燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)”應(yīng)用項(xiàng)目在山東煙臺(tái)成功投運(yùn)，該技術(shù)是我國首次實(shí)現(xiàn)40兆瓦燃煤鍋爐氨混燃比例為35%的中試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)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(tuán)正對(duì)廣東臺(tái)山電廠一臺(tái)60萬千瓦機(jī)組開展摻氨改造，完成后可在多種工況下達(dá)到最高20%的摻燒比例。除了國家能源集團(tuán)，安徽省能源集團(tuán)和合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院聯(lián)合開展了火電廠摻氨技術(shù)的研發(fā)，2022年4月至2023年6月在銅陵電廠32萬千瓦亞臨界發(fā)電機(jī)組上開展多次工程驗(yàn)證，在國內(nèi)首次驗(yàn)證了大型火電機(jī)組摻氨燃燒技術(shù)的可行性，該工程最大耗氨量21噸/小時(shí)，30萬千瓦出力下?lián)綗壤笥?0%、10萬千瓦出力下?lián)綗壤_(dá)到35%，不同工況下氨燃盡率均達(dá)99.99%，氮氧化物排放水平與改造前相當(dāng)。
國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)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(jí)燃燒等方式顯著降低氮氧化物排放。
鍋爐摻氨改造根據(jù)摻氨比例的不同，鍋爐改造的方式也會(huì)有所不同，通過國內(nèi)目前的摻氨示范項(xiàng)目了解，在摻氨0-30%的范圍內(nèi)，鍋爐的換熱結(jié)構(gòu)幾乎無需改動(dòng)即可滿足要求，對(duì)鍋爐本體的改造主要是集中在燃燒器的加裝，包括主燃區(qū)的煤摻氨燃燒器和還原區(qū)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(yīng)系統(tǒng)，包括有大型氨區(qū)，液氨增壓系統(tǒng)，液氨管道，液氨蒸發(fā)器，緩沖罐;對(duì)于鍋爐摻氨比例超過30%時(shí)，相比于純煤燃燒，氨煤混燒時(shí)產(chǎn)生的輻射換熱降低，而對(duì)流換熱增加，因此部分位置的換熱器容量需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾印?/p>
(3)氫基能源燃料電池
氫基能源可以通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能回流到電力系統(tǒng)中。燃料電池是一種將燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，基本原理是燃料進(jìn)入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下分解成質(zhì)子和電子，形成的質(zhì)子穿過膜達(dá)到燃料電池陰極，電子則通過外部電路到達(dá)燃料電池陰極形成電流。依據(jù)電解質(zhì)的不同，可以將燃料電池分為五類：包括堿性燃料電池、質(zhì)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(jù)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(fā)展較快。據(jù)測(cè)算，目前利用氫基能源的燃料電池純發(fā)電效率約為50%，通過熱電聯(lián)產(chǎn)的方式綜合效率可達(dá)85%以上。
氫基燃料電池可以單獨(dú)也可以與電解水制氫系統(tǒng)聯(lián)合為電力系統(tǒng)提供寶貴的靈活性調(diào)節(jié)資源。此外，氫基燃料電池系統(tǒng)還適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島邊防、通信基站、移動(dòng)電源車等不同規(guī)模的固定式、移動(dòng)式供能場景，具備較廣泛的應(yīng)用前景。
建筑領(lǐng)域應(yīng)用
建筑領(lǐng)域用能需求主要為供暖(空間采暖)和供熱(生活熱水)，傳統(tǒng)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(jìn)建筑領(lǐng)域低碳綠色發(fā)展。氫基能源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要有天然氣管道摻氫和建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
(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(wǎng)，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(jīng)逐步開展天然氣管網(wǎng)摻氫項(xiàng)目示范，其中英國、法國的示范項(xiàng)目最高摻氫比例已達(dá)20%。國內(nèi)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(qū)正式開工，最大輸氣能力可達(dá)12億標(biāo)方/年，可實(shí)現(xiàn)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(tái)，397公里長的天然氣管線摻氫比例已逐步達(dá)到24%，經(jīng)過了100天的測(cè)試運(yùn)行，整體運(yùn)行安全穩(wěn)定，創(chuàng)造了國內(nèi)外天然氣管道摻氫輸送的新紀(jì)錄。
從國內(nèi)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(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)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(lián)供系統(tǒng)
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?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是指通過能量梯級(jí)利用的方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的供電和供熱，將具有較高利用價(jià)值的高品位能量用于發(fā)電，而剩余的溫度較低的低品位能量則用于供熱，其系統(tǒng)綜合能量利用率可達(dá)80~90%。
基于氫基燃料電池搭建的熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用在負(fù)荷中心建立分布式發(fā)電系統(tǒng)的形式，可以為樓宇、小區(qū)等民用用戶以及工業(yè)用戶提供熱，并承擔(dān)部分用電負(fù)荷，結(jié)合天然氣管道摻氫，可以實(shí)現(xiàn)電、熱、氣三聯(lián)供。目前，以日本、韓國、歐洲為代表的國家已實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池微型熱電聯(lián)供商業(yè)化;我國建筑領(lǐng)域熱電聯(lián)供目前仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段，河北省、廣州市、上海市等多地規(guī)劃提出要推廣氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供試點(diǎn)項(xiàng)目，探索家用和商用氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供模式，助力建筑領(lǐng)域節(jié)能減排。
(作者：張益國、姜海、賈浩帥，作者單位：水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院)
評(píng)論