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氢能赛道浙江能否争先?

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  全国产量最大电池燃料氢项目正式投产,全球首次海上风电无淡化海水电解制氢技术海试成功,我国长距离输氢技术获重大突破

  8月底,浙江也有个大动作。省发展改革委、省能源局、省建设厅联合印发《浙江省加氢站发展规划》(下称“《规划》”),通过布局加氢基础设施,推动氢燃料电池汽车的发展,氢能全产业链全面铺开。

  氢气,是宇宙中最轻的气体,在生活中很是常见。“终极能源”久久未能进入寻常百姓家,第一道门槛就卡在制氢上。

  “放眼全球,工业规模制氢主要有三种路径:化石原料制氢、工业副产氢和电解水制氢,利弊各不相同。”一直从事化学领域研究的浙江大学氢能研究院制氢技术研究中心主任侯阳说。

  据介绍,全球近8成氢气来自于化石原料制氢,如国外主要是天然气制氢,国内以煤制氢为主,原因主要在于中国能源结构“多煤少气”。这种方式技术难度不高、规模化、成本低,但会产生大量碳排放,故而业内称之为“灰氢”。

  相比之下,工业副产氢是比较理想的氢气来源,因为很多传统化工工艺会顺带产生氢气,成本极低,被称为“蓝氢”。借助工业副产氢的成本优势,是很多城市发展氢能产业的路径之一。

  这些年,浙江一直努力打造两条“氢走廊”,分别是从嘉兴到宁波的“环杭州湾”氢走廊,从金华到舟山的“义甬舟”氢走廊。

  此次《规划》正是在两条“氢走廊”的基础上,充分的利用工业副产氢、着眼海上风电光伏发展前途,计划打造“一核、两区”环杭州湾氢能产业核心城市群、义甬舟氢能产业联动发展区和浙西南氢能产业培育区。

  串起“氢走廊”的关键城市,如嘉兴、宁波、舟山、绍兴等,正是浙江氢能发展基础最好的重点区域。这些地区有着一个共同特点:化工产业相对雄厚,工业副产氢富裕。

  位于绍兴的浙江圆锦烷烃综合利用一体化项目正在建设中,预计新增5万吨/年工业副产氢;此前,浙江闰土新材料有限公司的16万吨离子膜烧碱项目已投产,年产氢气4000吨。

  “我们充分的利用化工行业集聚提升的契机,全力发展氢气提纯技术。”绍兴市发改委党组成员、产业处处长郑晓说。

  不过,“蓝氢”成本再低,其产生过程往往伴随着现代煤化工产业,碳排放依然不少。

  在业内,最被看好的是电解水制氢,但是在电解水的过程中所用到的电力必须是绿电,也就是必须利用可再次生产的能源发电来制氢,称之为“绿氢”。

  然而,从能源转化效率和成本上来看,电解水制氢的路径存在效率低和综合成本高等问题,这是当下制氢最需要攻克的难题。

  据相关结构测算,电价在0.616元/kwh的时候,氢气每千克成本大概是39.06元;电价在0.3元/kwh时,每千克成本约21.22元;电价降到0.13元/kwh的时候,成本能到11.63元,才能基本实现与目前成本较低的“灰氢”平价。

  显而易见,制氢成本与电价紧密相关。今年6月,在福建兴化湾海上风电场,全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术海上中试获得成功。

  侯阳和记者说,海上风电场属于可再次生产的能源发电,但远海输送回陆地成本过高,直接就地制氢有效解决了风能转化,大大拉氢成本,“这项技术一旦成熟,沿海经济大省将从海上获取大量的氢能,将地理资源优势转化为经济发展优势。”

  南水北调、西电东送、西气东输,这些耳熟能详的大工程,其实都在解决资源分布不平衡的问题。氢能也不例外。

  “能源资源的生产端和使用端通常不在一个地方,跨区输送带来了新的问题。”浙江大学氢能研究院氢储输装备研究中心主任施建峰说,储运一头连着制取、一头连着应用,一旦不畅通就会抑制氢产业的规模化发展。

  施建峰说,常温常压氢的分子间距很大,体积非常庞大而质量轻盈,要解决有限体积下存多少质量的问题,目前主要有加压、降温和金属或有机物吸附等技术路线。

  以最常见的加压为例,目前国内普遍采用20兆帕气态高压储氢长管拖车运输方式,适用于中短距离的氢气输送,成本约为20元/公斤,占氢气终端消费价格的一半。减少相关成本的办法是继续加大压强,让单位体积可容纳的氢气更多,有浙江科研人员就在研究这问题。

  2021年,浙江大学联合浙江巨化集团等单位申报的一个氢气储存项目荣获了2020年度国家科学技术进步二等奖,其联合研发的98兆帕大容积储氢罐,技术达到全球领先。

  98兆帕是多大的压力?如果对水加压,水柱会飙升得比珠穆朗玛峰还高。如今,全国运行的350余座加氢站中,大多数98兆帕高压储氢容器都由浙江研制和生产。

  施建峰介绍说,液态氢的存储效率更加高,密度达到71克/升,是高压气态储氢的两倍以上。但氢气液化的温度是零下253℃,比氮气、天燃气的液化温度要低得多,这对装备技术、工艺流程等提出了更高要求。

  不少高端装备企业瞄准了这个方向。比如,去年10月,浙江大学氢能研究院的研究力量和杭氧集团低温装备技术结合,双方成立液氢装备技术联合实验室,着力突破超低温领域装备“卡脖子”技术。

  在压力的作用下,氢气会钻入金属材料,集中在裂纹的尖端,让管道或容器更容易损坏。

  2002年起,浙江大学氢能研究院院长郑津洋院士牵头国家973计划项目、国家重点研发计划项目,对氢脆开展了系统深入研究。

  “我们对氢脆已有深刻认识,逐步搞清哪一些材料会发生氢脆、氢脆产生的条件以及阻止或延缓的办法。”施建峰说,比如浙江大学正在研发的非金属柔性输氢管道,兼具塑料的柔性和钢材的强度,被业内广泛看好。

  与此同时,国内输氢领域屡有突破:4月16日,在宁夏银川宁东天然气掺氢管道示范平台,中石油用现有天然气管道长距离输送氢气的技术获得突破;6月25日,国家管网集团管道断裂控制试验场,我国首次高压力纯氢管道试验取得成功。

  “中国的氢储运技术已达到国际第一梯队的领先水平。”施建峰说,这都为我国今后实现大规模、低成本的远距离氢能运输提供技术支撑。

  不过,从技术突破向产业转化的关键一跃并不简单。最成熟的高压气态储氢仍面临投资所需成本高、回报周期长的瓶颈,低温液态储氢存在能耗较高、尚未实现全链条技术自主等问题,输氢管道更是需要政府性投资来支持浩大的基础设施建设诸多难题,还有待解决。

  “现在氢比较贵,不足以吸引各行各业,逐步推开后,就会触发大家对它的想象力。”浙江大学氢能研究院氢电协同技术研究中心主任夏杨红说。

  一是交通领域。2021年,国家批复了京津冀、上海、广东、河北、河南等五大氢燃料电池汽车示范城市群。作为浙江首批发展氢能产业的试点城市,嘉兴也在向氢燃料电池公交车和重卡发力,今年投入运营了35辆氢能源公交车。

  此次《规划》正是以交通领域为突破口,计划到2025年,建设加氢站50座以上、日加氢能力35.5吨以上。同时,改造提升现有的加油加气站和综合供能服务站,基本形成氢源保障体系和加氢网络体系,基本建成市域、城区100公里辐射半径的加氢网络。

  二是电网储能领域。随着新能源占比慢慢的升高,风电和光伏发电靠天吃饭、随机性较强,与电网供需平衡的属性形成天然冲突,氢能能够更好的起到调节作用。

  在风光大发时,用电解水制氢储存能量,在缺电时再利用氢燃料电池或氢能燃机发电补足缺额,实现氢与电的协同。比起电池4-5小时的存储容量,氢储能具备大容量、跨季节等优势。

  比如,氢的清洁特性有待进一步发掘,钢铁行业尝试在制造工艺中用氢替代碳来还原氧化物,原本排放二氧化碳的过程转变为生成水,生产出“绿钢”,有效促进高耗能行业减排;

  二氧化碳加氢人工合成淀粉,能解决农业用地面积大、春播秋收时间长等问题,二氧化碳加氢还能制成甲醇,无论是用于汽车燃料还是作为大众化工原料,思路将更加开阔。

  不过,在应用前景广阔的电网储能领域,氢电协同走入现实应用还需要翻越多座大山

  比如,损耗问题,氢电双向循环的效率仍然偏低,普遍在60%左右;匹配问题,新能源发电的运行范围覆盖0-100%,传统电解槽的运行范围在40%-100%,当新能源发电低于40%时难以匹配;成本问题,制氢过程中电费占到成本50%,还需从材料、控制等技术层面降低耗电水平

  比如今年6月底,国网浙江电力有限公司联合浙江大学等科研机构承担的国家重点研发计划专项国内首个氢电耦合中压直流微网在宁波慈溪滨海工业园投运。

  光伏、风电和制氢机、直流充电机,配合储能、燃料电池形成一张自发自用的微电网,不仅能脱离大电网连续运行168小时,还能每天满足10辆氢能车加氢、50辆电动车快充的需求。

  “项目实现新能源直接电解制氢,综合余热供暖,整体利用效率达到82.5%,已经很可观。”夏杨红说。

  放长远看,未来浙江要往海上走,大规模开发中远海风电、漂浮光伏、海流能等,可能因新能源过多难以消耗,出现阶段性的负电价,原地制氢或成为一种趋势;同时,远距离输氢成本将大幅度的降低,氢电协同的经济性和市场需求将会随之上升,想象空间进一步打开。

  “随着氢能应用场景不断增多,氢能安全应用至关重要。”浙江大学氢能研究院氢安全研究中心主任花争立特别补充说,这也是制约氢能普及的重要因素。

  与现有工业体系中相似的装备对比,氢能装备呈现出特殊性,例如相较传统天然气装备,氢气易爆、易泄漏以及易发生氢脆的性质,使得氢能装备在选材、设计方法、密封等方面存在差异。

  一是提高装备本身的性能,实现装备的高品质设计制造;二是建立完善的装备运行管理体系,形成多元化和多层次的监检测和应急管理策略;三是提高用户端有关人员的安全和风险意识。

  当下,氢安全体系建设仍待完善。8月,国家六部门发布国家层面首个氢能全产业链标准体系建设指南,正是在当前背景下,推动氢能安全健康发展。

更新时间: 2024-03-23 来源:工业设备清洗

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