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近日，以“碳路中國氫進萬家氫能世界綠色未來”為主題的2022山東氫博會系列活動：第二屆中日韓氫能產(chǎn)業(yè)高峰論壇，第二屆世界綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會，首屆中國（山東）氫產(chǎn)業(yè)大會成功舉辦。國家燃料電池技術(shù)創(chuàng)新中心（簡稱“國創(chuàng)中心”）副主任、首席專家、正高級工程師潘鳳文作了主題為“氫燃料電池發(fā)電應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢”的演講。他從發(fā)展氫能的重大意義、氫發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀、國創(chuàng)中心概況及發(fā)電成果應(yīng)用、主要問題與挑戰(zhàn)、發(fā)展展望與未來趨勢等幾個方面進行了分享。
發(fā)展氫能是我國能源結(jié)構(gòu)變化的大趨勢
縱觀人類文明的進步，發(fā)展背后的推動力量就是能源的變革，能源的開發(fā)和利用推動了社會的快速發(fā)展。過去的工業(yè)革命和科技革命的本質(zhì)就是整個能源的革命，從木材到煤炭，從煤炭到油氣，再到光伏、風電等可再生能源電解水制氫，脫碳加氫的趨勢越來越明顯，能源的發(fā)展與交通裝備發(fā)展相互作用，相互促進，推動了社會發(fā)展的一次又一次的工業(yè)革命和科技革命，再到現(xiàn)在能源革命，而且每次之間的間隔越來越短。
近年來，全球范圍內(nèi)的惡性天氣發(fā)生的頻次越來越多，溫室氣體排放對氣候變化的影響成為了共識，減少溫室氣體排放，有利于減緩全球的變暖，有利于降低各種自然災(zāi)害。
日前，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布了《2022年排放差距報告》，概述了2030年溫室氣體排放的預測值，警告地球正走向“氣候災(zāi)難”。從2021年在英國格拉斯哥舉行的第26次締約方大會來看，各個國家最新承諾對2030年排放的貢獻非常小，甚至微乎其微，整個世界沒有走上實現(xiàn)巴黎協(xié)定目標的軌道，距離低于2℃，理想情況下接近1.5℃度的目標還差得很遠。到本世紀末，全球溫度可能會升高2.8℃。這個報告指出，全世界只有盡快減少45%的碳排放，才能避免全球性的巨大災(zāi)難的發(fā)生。
解決方案是存在的，能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型刻不容緩，而可再生能源氫能在這里面扮演了一個關(guān)鍵的角色，同時我們國家能源結(jié)構(gòu)的變化是逐漸朝著降低煤炭的消費占比，發(fā)展氫能是中國能源結(jié)構(gòu)變化的大趨勢。
我們要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源的總量，著力提高利用效能，實施可再生能源的替代行動，深化電力體制的改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。實施以碳強度控制為主、碳排放控制總量為輔的制度。
發(fā)展氫能的重大意義
從過去20年能源歷史變遷，能源消費總量的構(gòu)成來看，雖然各種能源的消耗量都在增加，但是電力、天然氣等能源也在逐漸增加。從煤炭消費的角度來看，煤炭在能源消費中的占比正在逐年下降，發(fā)展氫能具有重大意義，也是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的迫切需要。
非化石能源占比從2020年的15%，到2025年的20%，2030年提高到25%，2050年預計會提得更高。未來將主要以光伏、風電、核電等可再生能源和清潔能源為主。按照中國氫能聯(lián)盟白皮書，預計到2050年，氫能在我國整個能源消費體系中的占比將達到10%，2060年預計到15%，在交通、化工、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域都會得到規(guī)模化的應(yīng)用。其中在交通、建筑等領(lǐng)域是以氫燃料電池的發(fā)電應(yīng)用為主，在化工行業(yè)和工業(yè)行業(yè)，氫扮演的角色是原料。
作為燃料屬性的氫氣，以能源的方式參與到這兩個領(lǐng)域，是關(guān)注的重點。氫能是傳統(tǒng)能源與可再生能源轉(zhuǎn)化的一個非常好的媒介，不管是從電到氫再到電，還是從氫到電，可以實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的作用。
電網(wǎng)、道路管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)是我國在全球范圍內(nèi)具有重要影響力的三網(wǎng)。電網(wǎng)不能消納的部分需要各種儲能的方式，但是在長周期大容量儲能方面，電解水制氫作為儲能方式進入了新的領(lǐng)域，通過燃料電池就可以轉(zhuǎn)化為電，繼續(xù)反饋到用電側(cè)。同時氫還可以作為原料進入工業(yè)，通過管網(wǎng)進入化工行業(yè)，所以說，氫在其中起到了一個傳統(tǒng)能源與可再生能源轉(zhuǎn)化媒介的作用。
氫能發(fā)電的應(yīng)用現(xiàn)狀
首先，氫在移動交通領(lǐng)域的應(yīng)用。我國以商用車為主，國外以乘用車為主，車輛的保有量逐年都在攀升，從2017年的1000多臺，到今年底會突破1萬臺，甚至到12000臺。國內(nèi)加氫站以氣態(tài)為主，從2017年的11座到現(xiàn)在的300多座，建設(shè)成本大幅下降，建設(shè)的速度超過了燃料電池車輛的增速，這也是我國的一個優(yōu)勢。車輛保有量逐年攀升，已經(jīng)遠遠超過了國家中長期規(guī)劃的2025年5萬臺的要求。
第二，氫在固定綜合供能領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是發(fā)電和熱電聯(lián)供領(lǐng)域。主要有兩種應(yīng)用方式，一種是以日本和歐洲為典型代表，以PEMFC和SOFC小型和微型的燃料電池綜合供能系統(tǒng)為主，目前發(fā)展最好的是日本。日本政府先后出臺了很多的補貼政策，支持相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)和裝機，目前累計裝機超過50萬臺，在他們的路線圖規(guī)劃中，到2030年的目標是530萬臺。而歐洲在最近10年也逐漸推出了多項針對小型氫能燃料電池發(fā)電的一些項目，裝機量也接近1萬臺，其路線圖規(guī)劃是到2040年超過250萬臺。
第三，大型燃料電池分布式發(fā)電領(lǐng)域，以美國和韓國為代表，近年來示范項目在逐漸增多。它們大多采用多模組組合應(yīng)用方案，集中式熱管理，呈現(xiàn)標準化、模塊化、定制化趨勢，正處于示范項目的驗證階段。如韓國現(xiàn)代、美國微軟、日本豐田等。
近年來，我國在燃料電池發(fā)電領(lǐng)域正在加大力度，國家層面陸續(xù)出臺了多項政策，支持燃料電池發(fā)電領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)用和推廣，但是總體技術(shù)成熟度和運營驗證仍處于起步階段，大功率、集中式氫發(fā)電，更適合我們的國家。目前，我國的示范應(yīng)用主要集中在兩種場景，典型的有前一段時間國家電網(wǎng)在浙江臺州大陳島氫能綜合利用示范工程正式投運，功率雖然不大，但已經(jīng)實現(xiàn)了從制氫、儲氫到燃料電池發(fā)電綜合供能的一個模式。第二個還是國家電網(wǎng)，安徽六安兆瓦級PEM電解水制氫，清潔、零碳，一年制氫70余萬標立方，氫發(fā)電73萬千瓦時。在小型的氫燃料電池發(fā)電方面，有一些企業(yè)也在開展研究，比較典型的是江蘇鏵德，其采用的是天然氣重整分布式氫燃料電池熱電聯(lián)供，總效率可以達到93.5%。
國創(chuàng)中心概況及發(fā)電成果應(yīng)用
2021年3月21日，國家燃料電池技術(shù)創(chuàng)新中心獲得科技部正式批復，以濰柴動力為主體，聯(lián)合有關(guān)高校、科研院所、行業(yè)骨干與產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)共同建立。國創(chuàng)中心是行業(yè)首家同時可以開展氫燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池檢測的CNAS最大的實驗室，建成了現(xiàn)有的行業(yè)領(lǐng)先的燃料電池實驗測試設(shè)備，可以進行從關(guān)鍵的材料—單體—電堆—系統(tǒng)—動力總成—整車全技術(shù)鏈的測評能力。研究的領(lǐng)域方面，國創(chuàng)中心圍繞著行業(yè)的需求，進一步向氫制、儲等產(chǎn)業(yè)鏈進行技術(shù)的探索。圍繞以燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)為核心，拓展上下游的應(yīng)用，以場景應(yīng)用為牽引，同時為氫的安全做好準備和研發(fā)。
過去幾年，國創(chuàng)中心在發(fā)電領(lǐng)域做了一些探索和嘗試，開發(fā)了幾款產(chǎn)品，比較典型的有兩款產(chǎn)品：
第一款是15千瓦的發(fā)電綜合供能裝置，圍繞著備用電源、冷鏈運輸?shù)睦洳叵涞墓╇姡捎玫氖莾洹㈦姵睾蜕嵯到y(tǒng)一體化集成設(shè)計，可以滿足72小時以上的用電需求。集成度和緊湊度比較好，這可以是一個標準的模塊化。
第二款產(chǎn)品是100千瓦的一個模塊化的綜合供能裝置，應(yīng)用場景圍繞數(shù)據(jù)中心、商業(yè)樓宇、社區(qū)住宅等，采用的是1+N+1的模式，可以進行多模組的組合應(yīng)用，最大可實現(xiàn)兆瓦級供能需求。集成度和標準化比較高。
氫發(fā)電行業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)
首先，標準和法規(guī)不完善。氫發(fā)電相關(guān)頂層設(shè)計不健全，技術(shù)標準和法律法規(guī)仍不完善，標準不統(tǒng)一，運營不規(guī)范。車用標準大約有100項，而發(fā)電領(lǐng)域相對較少。據(jù)統(tǒng)計，氫發(fā)電標準分布占比，安全性和性能試驗方法只有13項，占比65%，安全維護性和技術(shù)條件只有4項，各占10%，系統(tǒng)只有3項，占15%。可以說在發(fā)電領(lǐng)域標準法規(guī)的不完善程度，比車用在交通領(lǐng)域的應(yīng)用還要欠缺，這是行業(yè)面臨的非常大的一個問題。
第二，發(fā)電的經(jīng)濟性。與傳統(tǒng)的發(fā)電效率相比，氫的制、儲、運各個環(huán)節(jié)成本非常高，終端用戶一次性投資和使用的成本也比較高，投資大、回報周期長，性價比較低，挑戰(zhàn)非常大。
第三，關(guān)鍵技術(shù)還有待提升。我國和國外還有一定的差距，我們的產(chǎn)品和工程樣機都屬于示范驗證階段，沒有實現(xiàn)商業(yè)化運營，穩(wěn)定性、可靠性、耐久壽命都需要進一步驗證。未來，交通領(lǐng)域的規(guī)模化推廣將大幅提升燃料電池的技術(shù)成熟度，氫能發(fā)電會圍繞不同場景的差異化需求進入終端應(yīng)用。
中國、日本和美國對比來看，日本聚焦微型家用，美國是大型分布式為主。技術(shù)路線，我國是以PEMFC為主，日本是PEMFC/SOFC為主，美國是SOFC/MCFC為主；功率上，我國是從15千瓦—1兆瓦，日本從700瓦—5千瓦，美國是200千瓦—1兆瓦。我國仍處于示范應(yīng)用階段，而日美已經(jīng)走上商業(yè)化道路。
總的來說，我國和國外的發(fā)展還有一定差距，由于國情不同，決定了我們的技術(shù)路線不同。最近，十四五國家氫能技術(shù)專項在多個領(lǐng)域圍繞氫能發(fā)電出臺了技術(shù)研究支持，山東省的“氫進萬家”二期項目就是典型的工程示范項目。它圍繞著社區(qū)住宅、商業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)園區(qū)等場景，開發(fā)4款大功率的燃料電池的綜合供能裝置，目標是突破500臺套以上，要求累計運行不少于100萬小時。相信通過類似項目的實施，可以進一步推動產(chǎn)品技術(shù)的提升和整個示范項目的推廣。雖然氫發(fā)電還存在很多的問題，但未來的前景非常光明。
氫能發(fā)電展望與未來趨勢
商業(yè)模式的創(chuàng)新和突破是下一步發(fā)展的重點。通過集成可再生能源的發(fā)電、氫儲能和氫發(fā)電的耦合微網(wǎng)，將成為未來氫能規(guī)模化發(fā)展與應(yīng)用的重點方向。“電-氫-電”深度融合，可以助力提前實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標。通過多途徑的制、儲、輸、用開展全局式規(guī)模化的示范應(yīng)用，能夠帶來和探索一些新的商業(yè)模式。只有商業(yè)模式的創(chuàng)新才能帶動產(chǎn)業(yè)破局，實現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用。
氫發(fā)電在我國應(yīng)用場景非常豐富。首先，在各種各樣的海島和孤島，偏遠和孤立的地方，都可以考慮充分利用光伏風電資源，通過電-氫-電的方式實現(xiàn)離網(wǎng)的供能需求。
第二個場景是富氫和富電區(qū)域，可以通過電-氫-電的方式來實現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換，提高綜合經(jīng)濟效益。
第三個應(yīng)用場景，可再生能源電解制氫具有非常高的競爭力，管道輸氫實現(xiàn)規(guī)模化。預計到2050年，基于電網(wǎng)的電解成本將大幅下降，可再生能源電解氫將會具備充分的競爭力。同時，管道輸氫也會實現(xiàn)規(guī)模化的應(yīng)用，全球超50%的天然氣管網(wǎng)可以用來輸運氫氣，大幅降低氫氣輸運成本，給終端應(yīng)用帶來收益，這也是未來實現(xiàn)氫能社會很關(guān)鍵的解決方案。
綜合來看，氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入一個新的發(fā)展時期，窗口期已經(jīng)到來，氫發(fā)電將會扮演至關(guān)重要的角色，只要產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)共同努力，就會加速這個產(chǎn)業(yè)的突破和跨越式大發(fā)展。
