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近日，以“碳路中國(guó)氫進(jìn)萬(wàn)家氫能世界綠色未來(lái)”為主題的2022山東氫博會(huì)系列活動(dòng)：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(huì)，首屆中國(guó)（山東）氫產(chǎn)業(yè)大會(huì)成功舉辦。國(guó)家燃料電池技術(shù)創(chuàng)新中心（簡(jiǎn)稱“國(guó)創(chuàng)中心”）副主任、首席專家、正高級(jí)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(shì)”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(guó)創(chuàng)中心概況及發(fā)電成果應(yīng)用、主要問(wèn)題與挑戰(zhàn)、發(fā)展展望與未來(lái)趨勢(shì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了分享。
發(fā)展氫能是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)變化的大趨勢(shì)
縱觀人類文明的進(jìn)步，發(fā)展背后的推動(dòng)力量就是能源的變革，能源的開(kāi)發(fā)和利用推動(dòng)了社會(huì)的快速發(fā)展。過(guò)去的工業(yè)革命和科技革命的本質(zhì)就是整個(gè)能源的革命，從木材到煤炭，從煤炭到油氣，再到光伏、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫，脫碳加氫的趨勢(shì)越來(lái)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(jìn)，推動(dòng)了社會(huì)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(lái)越短。
近年來(lái)，全球范圍內(nèi)的惡性天氣發(fā)生的頻次越來(lái)越多，溫室氣體排放對(duì)氣候變化的影響成為了共識(shí)，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(guó)環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布了《2022年排放差距報(bào)告》，概述了2030年溫室氣體排放的預(yù)測(cè)值，警告地球正走向“氣候?yàn)?zāi)難”。從2021年在英國(guó)格拉斯哥舉行的第26次締約方大會(huì)來(lái)看，各個(gè)國(guó)家最新承諾對(duì)2030年排放的貢獻(xiàn)非常小，甚至微乎其微，整個(gè)世界沒(méi)有走上實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)定目標(biāo)的軌道，距離低于2℃，理想情況下接近1.5℃度的目標(biāo)還差得很遠(yuǎn)。到本世紀(jì)末，全球溫度可能會(huì)升高2.8℃。這個(gè)報(bào)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(gè)關(guān)鍵的角色，同時(shí)我們國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的變化是逐漸朝著降低煤炭的消費(fèi)占比，發(fā)展氫能是中國(guó)能源結(jié)構(gòu)變化的大趨勢(shì)。
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(shí)施可再生能源的替代行動(dòng)，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(shí)施以碳強(qiáng)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(guò)去20年能源歷史變遷，能源消費(fèi)總量的構(gòu)成來(lái)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(fèi)的角度來(lái)看，煤炭在能源消費(fèi)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(guó)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(yù)計(jì)會(huì)提得更高。未來(lái)將主要以光伏、風(fēng)電、核電等可再生能源和清潔能源為主。按照中國(guó)氫能聯(lián)盟白皮書(shū)，預(yù)計(jì)到2050年，氫能在我國(guó)整個(gè)能源消費(fèi)體系中的占比將達(dá)到10%，2060年預(yù)計(jì)到15%，在交通、化工、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域都會(huì)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(gè)領(lǐng)域，是關(guān)注的重點(diǎn)。氫能是傳統(tǒng)能源與可再生能源轉(zhuǎn)化的一個(gè)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(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的作用。
電網(wǎng)、道路管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)是我國(guó)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(chǔ)能的方式，但是在長(zhǎng)周期大容量?jī)?chǔ)能方面，電解水制氫作為儲(chǔ)能方式進(jìn)入了新的領(lǐng)域，通過(guò)燃料電池就可以轉(zhuǎn)化為電，繼續(xù)反饋到用電側(cè)。同時(shí)氫還可以作為原料進(jìn)入工業(yè)，通過(guò)管網(wǎng)進(jìn)入化工行業(yè)，所以說(shuō)，氫在其中起到了一個(gè)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(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用。我國(guó)以商用車為主，國(guó)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(tái)，到今年底會(huì)突破1萬(wàn)臺(tái)，甚至到12000臺(tái)。國(guó)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(guò)了燃料電池車輛的增速，這也是我國(guó)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。車輛保有量逐年攀升，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)家中長(zhǎng)期規(guī)劃的2025年5萬(wàn)臺(tái)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(tái)了很多的補(bǔ)貼政策，支持相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和裝機(jī)，目前累計(jì)裝機(jī)超過(guò)50萬(wàn)臺(tái)，在他們的路線圖規(guī)劃中，到2030年的目標(biāo)是530萬(wàn)臺(tái)。而歐洲在最近10年也逐漸推出了多項(xiàng)針對(duì)小型氫能燃料電池發(fā)電的一些項(xiàng)目，裝機(jī)量也接近1萬(wàn)臺(tái)，其路線圖規(guī)劃是到2040年超過(guò)250萬(wàn)臺(tái)。
第三，大型燃料電池分布式發(fā)電領(lǐng)域，以美國(guó)和韓國(guó)為代表，近年來(lái)示范項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、定制化趨勢(shì)，正處于示范項(xiàng)目的驗(yàn)證階段。如韓國(guó)現(xiàn)代、美國(guó)微軟、日本豐田等。
近年來(lái)，我國(guó)在燃料電池發(fā)電領(lǐng)域正在加大力度，國(guó)家層面陸續(xù)出臺(tái)了多項(xiàng)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(yùn)營(yíng)驗(yàn)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(guó)家。目前，我國(guó)的示范應(yīng)用主要集中在兩種場(chǎng)景，典型的有前一段時(shí)間國(guó)家電網(wǎng)在浙江臺(tái)州大陳島氫能綜合利用示范工程正式投運(yùn)，功率雖然不大，但已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從制氫、儲(chǔ)氫到燃料電池發(fā)電綜合供能的一個(gè)模式。第二個(gè)還是國(guó)家電網(wǎng)，安徽六安兆瓦級(jí)PEM電解水制氫，清潔、零碳，一年制氫70余萬(wàn)標(biāo)立方，氫發(fā)電73萬(wàn)千瓦時(shí)。在小型的氫燃料電池發(fā)電方面，有一些企業(yè)也在開(kāi)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?zé)犭娐?lián)供，總效率可以達(dá)到93.5%。
國(guó)創(chuàng)中心概況及發(fā)電成果應(yīng)用
2021年3月21日，國(guó)家燃料電池技術(shù)創(chuàng)新中心獲得科技部正式批復(fù)，以濰柴動(dòng)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(guó)創(chuàng)中心是行業(yè)首家同時(shí)可以開(kāi)展氫燃料電池和固態(tài)氧化物燃料電池檢測(cè)的CNAS最大的實(shí)驗(yàn)室，建成了現(xiàn)有的行業(yè)領(lǐng)先的燃料電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，可以進(jìn)行從關(guān)鍵的材料—單體—電堆—系統(tǒng)—?jiǎng)恿偝伞嚾夹g(shù)鏈的測(cè)評(píng)能力。研究的領(lǐng)域方面，國(guó)創(chuàng)中心圍繞著行業(yè)的需求，進(jìn)一步向氫制、儲(chǔ)等產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)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(chǎng)景應(yīng)用為牽引，同時(shí)為氫的安全做好準(zhǔn)備和研發(fā)。
過(guò)去幾年，國(guó)創(chuàng)中心在發(fā)電領(lǐng)域做了一些探索和嘗試，開(kāi)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(yùn)輸?shù)睦洳叵涞墓╇?，采用的是?chǔ)氫、電池和散熱系統(tǒng)一體化集成設(shè)計(jì)，可以滿足72小時(shí)以上的用電需求。集成度和緊湊度比較好，這可以是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模塊化。
第二款產(chǎn)品是100千瓦的一個(gè)模塊化的綜合供能裝置，應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行多模組的組合應(yīng)用，最大可實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)供能需求。集成度和標(biāo)準(zhǔn)化比較高。
氫發(fā)電行業(yè)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)
首先，標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)不完善。氫發(fā)電相關(guān)頂層設(shè)計(jì)不健全，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)仍不完善，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，運(yùn)營(yíng)不規(guī)范。車用標(biāo)準(zhǔn)大約有100項(xiàng)，而發(fā)電領(lǐng)域相對(duì)較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氫發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)分布占比，安全性和性能試驗(yàn)方法只有13項(xiàng)，占比65%，安全維護(hù)性和技術(shù)條件只有4項(xiàng)，各占10%，系統(tǒng)只有3項(xiàng)，占15%。可以說(shuō)在發(fā)電領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)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(gè)問(wèn)題。
第二，發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)的發(fā)電效率相比，氫的制、儲(chǔ)、運(yùn)各個(gè)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(bào)周期長(zhǎng)，性價(jià)比較低，挑戰(zhàn)非常大。
第三，關(guān)鍵技術(shù)還有待提升。我國(guó)和國(guó)外還有一定的差距，我們的產(chǎn)品和工程樣機(jī)都屬于示范驗(yàn)證階段，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，穩(wěn)定性、可靠性、耐久壽命都需要進(jìn)一步驗(yàn)證。未來(lái)，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(huì)圍繞不同場(chǎng)景的差異化需求進(jìn)入終端應(yīng)用。
中國(guó)、日本和美國(guó)對(duì)比來(lái)看，日本聚焦微型家用，美國(guó)是大型分布式為主。技術(shù)路線，我國(guó)是以PEMFC為主，日本是PEMFC/SOFC為主，美國(guó)是SOFC/MCFC為主；功率上，我國(guó)是從15千瓦—1兆瓦，日本從700瓦—5千瓦，美國(guó)是200千瓦—1兆瓦。我國(guó)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(lái)說(shuō)，我國(guó)和國(guó)外的發(fā)展還有一定差距，由于國(guó)情不同，決定了我們的技術(shù)路線不同。最近，十四五國(guó)家氫能技術(shù)專項(xiàng)在多個(gè)領(lǐng)域圍繞氫能發(fā)電出臺(tái)了技術(shù)研究支持，山東省的“氫進(jìn)萬(wàn)家”二期項(xiàng)目就是典型的工程示范項(xiàng)目。它圍繞著社區(qū)住宅、商業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)園區(qū)等場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)4款大功率的燃料電池的綜合供能裝置，目標(biāo)是突破500臺(tái)套以上，要求累計(jì)運(yùn)行不少于100萬(wàn)小時(shí)。相信通過(guò)類似項(xiàng)目的實(shí)施，可以進(jìn)一步推動(dòng)產(chǎn)品技術(shù)的提升和整個(gè)示范項(xiàng)目的推廣。雖然氫發(fā)電還存在很多的問(wèn)題，但未來(lái)的前景非常光明。
氫能發(fā)電展望與未來(lái)趨勢(shì)
商業(yè)模式的創(chuàng)新和突破是下一步發(fā)展的重點(diǎn)。通過(guò)集成可再生能源的發(fā)電、氫儲(chǔ)能和氫發(fā)電的耦合微網(wǎng)，將成為未來(lái)氫能規(guī)?；l(fā)展與應(yīng)用的重點(diǎn)方向。“電-氫-電”深度融合，可以助力提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。通過(guò)多途徑的制、儲(chǔ)、輸、用開(kāi)展全局式規(guī)?；氖痉稇?yīng)用，能夠帶來(lái)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(dòng)產(chǎn)業(yè)破局，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用。
氫發(fā)電在我國(guó)應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富。首先，在各種各樣的海島和孤島，偏遠(yuǎn)和孤立的地方，都可以考慮充分利用光伏風(fēng)電資源，通過(guò)電-氫-電的方式實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)的供能需求。
第二個(gè)場(chǎng)景是富氫和富電區(qū)域，可以通過(guò)電-氫-電的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。
第三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，可再生能源電解制氫具有非常高的競(jìng)爭(zhēng)力，管道輸氫實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。預(yù)計(jì)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(huì)具備充分的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，管道輸氫也會(huì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；膽?yīng)用，全球超50%的天然氣管網(wǎng)可以用來(lái)輸運(yùn)氫氣，大幅降低氫氣輸運(yùn)成本，給終端應(yīng)用帶來(lái)收益，這也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)很關(guān)鍵的解決方案。
綜合來(lái)看，氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，窗口期已經(jīng)到來(lái)，氫發(fā)電將會(huì)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(huì)加速這個(gè)產(chǎn)業(yè)的突破和跨越式大發(fā)展。
