在1月12日舉行的百人會(huì)論壇上，中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所研究員蔣亞雄圍繞可再生能源制氫發(fā)展的問題與對策發(fā)表主題演講。針對大規(guī)模可再生能源制氫存在著一些技術(shù)和政策、經(jīng)濟(jì)上的問題，探討可再生能源存在的瓶頸和解決問題的對策。
可再生能源制氫的必要性及存在的問題
關(guān)于可再生能源制氫發(fā)展的背景，早在90年代初出來了概念。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家出現(xiàn)一些問題，一是需要進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，在這個(gè)大的背景下，按照《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)，要控制全球溫升不超過2度，中國政府承諾2030年之后，碳排放不再增加。主要的手段就是要把化石燃料為主體的能源結(jié)構(gòu)變?yōu)楦咝Э稍偕茉大w系，來實(shí)現(xiàn)減排。
二是國家能源安全，這個(gè)問題比較突出。從2018年開始，我國石油的進(jìn)口量已經(jīng)超過了4億噸，對外依存度超過了70%，已經(jīng)嚴(yán)重超過了國家能源安全的警戒線，勢必要想辦法去減少能源的對外依存度。
可再生能源制氫有它的優(yōu)勢，采用了可再生能源，以風(fēng)光水等等可再生能源為載體，以氫氣作為一個(gè)二次能源的載體，在能源轉(zhuǎn)型中可以和電力互為補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)、建筑、電力、交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)互聯(lián)。
目前廣泛使用的氫源主來自化石燃料、電解水和化工副產(chǎn)氫。此外，生物質(zhì)制氫、核能制氫和光催化制氫正在研究，還沒達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平。可再生能源制氫只能選擇電解水制氫，化石燃料制氫和化工副產(chǎn)氫都是有碳排放的。
現(xiàn)在成熟的水電解制氫主要有兩種，一是堿性水電解制氫，二是純水電解制氫，如今固體氧化物電解水制氫技術(shù)現(xiàn)在也在研發(fā)的如火如荼，但是還沒有達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平。堿性電解水制氫技術(shù)相對比較成熟，可以大規(guī)模應(yīng)用，工藝比較簡單，成本比較低廉。純水電解制氫比堿性制氫有更高的電流密度，結(jié)構(gòu)更緊湊，更加安全可靠，更適用于小規(guī)模的制氫場合。
風(fēng)、光發(fā)電有很大不確定性，包括水電有枯水期和豐水期，主要的特點(diǎn)是間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性，尤其是風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性、波動(dòng)性更加厲害。很難為負(fù)載提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，我國風(fēng)光資源非常豐富，但是由于電網(wǎng)難以承受，風(fēng)光資源的開發(fā)還受到一定影響。盡管我國風(fēng)、光發(fā)電是全世界發(fā)展最快的，可能規(guī)模也是最大的，但是還有很多資源有待于開發(fā)。
要用可再生能源制氫來去解決這樣的問題，主要還是要解決幾方面的問題：一是寬功率的調(diào)整范圍，根據(jù)它的波動(dòng)性和不確定性，整個(gè)制氫系統(tǒng)需要有一個(gè)比較寬的功率調(diào)整范圍;二是從電力上來講，電力耦合，想辦法把波動(dòng)降到最小，適應(yīng)制氫系統(tǒng)的需要。整個(gè)系統(tǒng)需要有一個(gè)大的控制系統(tǒng)，如果大規(guī)模制氫的話，大規(guī)模制氫工廠有一個(gè)大的控制系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與測量、數(shù)據(jù)通訊和傳輸，還有控制策略的實(shí)現(xiàn)等等。最主要的是制氫設(shè)備，制氫設(shè)備需要能夠適應(yīng)寬功率波動(dòng)的高效低成本的制氫系統(tǒng)，才能有可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制氫。
中船重工718所制氫技術(shù)
中船重工718所主要是做水電解制氫的研究和生產(chǎn)單位，從2011年開始，陸續(xù)參加了很多國家863計(jì)劃，中央財(cái)政支持的一些重點(diǎn)高校的學(xué)科建設(shè)，政府間的一些合作項(xiàng)目，已經(jīng)一些省級的科技重大專項(xiàng)等等。針對風(fēng)電光伏的制氫怎么樣適應(yīng)寬功率的波動(dòng)，怎么適合不同場合下的應(yīng)用，開展了一些研究，也取得了一些成果。
堿性電解水技術(shù)相對成熟，壽命比較長，使用壽命可以達(dá)到20年，操作范圍負(fù)荷的變化從10%-110%，可能需要多模塊的控制策略才能實(shí)現(xiàn)。與其他技術(shù)相比，堿性電解水沒有使用貴金屬材料，成本相對比較低，適合于大規(guī)模的制氫場合。但是傳統(tǒng)的堿性水電解技術(shù)有一定的局限性，主要發(fā)展瓶頸在工作電流密度比較低，能源效率還有待于提高。傳統(tǒng)堿性電解槽早期使用的時(shí)候是石棉布和膜，后面使用的是有機(jī)材料編織的隔膜，這種隔膜的性能也造成了它整個(gè)系統(tǒng)難以比較快速的啟動(dòng)或者關(guān)閉，啟動(dòng)和關(guān)閉需要一定的時(shí)間。
下一步的工作，718所主要做一些高活性的模塊化的電解制氫設(shè)備制造，里面主要是包括了一些用高活性的電極來替代傳統(tǒng)的電極，用新型的無機(jī)有機(jī)的復(fù)合材料隔膜來替代原來編織的隔膜，能夠提高整個(gè)電解槽的電解效率，也減少它的體積和重量。對可再生能源無規(guī)律的波動(dòng)性也會(huì)有更好的適用性。
另外，要做寬功率波動(dòng)下的模塊化和組合式電解水制氫系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略，要做可再生能源制氫，目標(biāo)是做大規(guī)模的可再生能源制氫，一個(gè)工廠可能會(huì)有幾百臺的制氫設(shè)備，需要有一個(gè)合理的控制軟件，制定好合理的控制策略。這可能會(huì)減少單體電解槽對波動(dòng)的適用性的要求。
近幾年718所做了很多工作，做了一些新的電極和隔膜，新的電極和隔膜的組合可以使堿性電解槽的電流密度達(dá)到6000安培以上。在額定的4000安培的工況下，直流電耗可以降到4.3以下，這個(gè)就比傳統(tǒng)的電解槽功效要提高2-3倍。跟純水相比，有一個(gè)很大的進(jìn)步，也對功率的波動(dòng)影響能夠降到比較小，提高氣體的純度。
純水電解的優(yōu)點(diǎn)，在裝置中運(yùn)行的靈活性和反應(yīng)性都比較好。PEM電解系統(tǒng)可以在最低功率保持待機(jī)模式，能在短時(shí)間內(nèi)按高于額定負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，它可以適應(yīng)比較快速、范圍比較大的變化，更容易跟可再生能源風(fēng)、光資源去配合。但是它的缺點(diǎn)是設(shè)備成本比較高，使用貴金屬催化劑，國內(nèi)系統(tǒng)大多使用的是進(jìn)口的質(zhì)子交換膜，膜的國產(chǎn)化還有一些問題。它的優(yōu)點(diǎn)在于適合小規(guī)模的分布式制氫的場所，目前國內(nèi)最大產(chǎn)量只能做到單臺100立方米的氫氣，堿性可以做到1000立方米的氫氣，還有一個(gè)量級的差別。
它的主要解決對策，還是要做低載量高性能膜電極組件，減少膜電極組件里面貴金屬的使用量。這方面是跟燃料電池的膜電極組件有非常高的相似性。一是要做國產(chǎn)的膜，一是要降低電極的貴金屬的使用量。通過研制高活性、高穩(wěn)定性、低成本的陰極和陽極的催化劑，有效降低膜組件的成本，使整個(gè)電解系統(tǒng)成本下降。
此外，因?yàn)榧兯娊獾膯误w容量比較小，勢必就要開發(fā)大容量的、集成式的電解制氫設(shè)備，用多臺電解槽配合一臺氣體設(shè)備來做，純水電解是一個(gè)發(fā)展方向。在這方面，718所做了很多電極隔膜的研制工作，現(xiàn)在做的高活性吸氫吸氧的催化劑，膜電極尺寸最大可以做到1米×1米，可以滿足單臺100立方米產(chǎn)氫量制氫設(shè)備的需要。
如何解決可再生能源儲運(yùn)難題、成本難題？
另外，可再生能源制氫的技術(shù)瓶頸，儲運(yùn)和大規(guī)模的儲存運(yùn)輸也存在一定的問題。大部分的風(fēng)光電往往建設(shè)在遠(yuǎn)離氫能應(yīng)用終端比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，像我國的三北地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)，離經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)有一定的距離，離終端的用戶可能比較遠(yuǎn)。
今后的發(fā)展方向，一是要發(fā)展低溫液氫的儲運(yùn)技術(shù)，二是如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的使用的話，天然氣摻氫的技術(shù)也是下一步應(yīng)該做的一個(gè)方向。另外，在將來有很大規(guī)模的氫能應(yīng)用的時(shí)候，氫能能夠代替天然氣來做居民的燃?xì)獾臅r(shí)候，也需要做長距離的氫氣管道的輸送技術(shù)。這些技術(shù)可能現(xiàn)在更多的還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系也需要完善。
在整個(gè)大規(guī)模制氫的成本方面，現(xiàn)在可再生能源制氫的成本主要有三個(gè)比較大的瓶頸：一是整體來說，各個(gè)地方的電價(jià)還不夠低，因?yàn)橐盟娊獾脑O(shè)備，水電解制氫的設(shè)備主要成本就是電，電價(jià)不夠低是它的瓶頸之一;二是應(yīng)用的場景還不夠多;三是使用的規(guī)模還不夠大，規(guī)模小，也一定程度上導(dǎo)致了電價(jià)很難下降。
張家口市政府給可再生能源制氫制定了一些特殊的政策，也有了比較低的電價(jià)。但這只是示范，在整個(gè)國家層面上，電價(jià)還是相對比較高。應(yīng)該從以下這幾個(gè)方面來解決這些問題，主要解決場景和規(guī)模的問題。要鼓勵(lì)發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)通過研發(fā)和技術(shù)進(jìn)步，降低綠色氫氣的供應(yīng)成本，這個(gè)主要是通過大規(guī)模的風(fēng)電光伏資源的開發(fā)，帶動(dòng)發(fā)電成本進(jìn)一步降低。
二是應(yīng)該將氫能用于低碳密集型行業(yè)，可再生能源制氫的應(yīng)用，現(xiàn)在大部分還限于燃料電池的應(yīng)用場景。在其他的工業(yè)領(lǐng)域，包括石化領(lǐng)域，包括以前的傳統(tǒng)用氫的領(lǐng)域，也應(yīng)該想辦法用可再生能源氫氣來替代原來用化石能源制取的氫氣，來實(shí)現(xiàn)減排，這能夠使氫氣的規(guī)模能夠得到有效的擴(kuò)大。另外就是開發(fā)一些用氫氣和二氧化碳合成的產(chǎn)品，包括一些化工產(chǎn)品，也能擴(kuò)大氫氣的使用場合。同時(shí)在建設(shè)的時(shí)候要盡量考慮將生產(chǎn)氫氣的場合和使用氫氣的場合縮短距離，以降低它的運(yùn)輸成本。
給發(fā)展氫能政策上的建議
對于政策方面的建議，我國制定了很多氫能方面的一些政策。各個(gè)省級政府也制定了很多氫能發(fā)展規(guī)劃和相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃，還包括一些地市級或者省級以下的這些地方政府也制定了很多氫能的規(guī)劃、措施等等。但是這些規(guī)劃、措施有一個(gè)共同的特點(diǎn)，這些規(guī)劃、措施都不是把氫能作為一個(gè)能源，而是作為基本上基于燃料電池行業(yè)的應(yīng)用提出來的。
氫能沒有真正的納入國家能源戰(zhàn)略體系，沒有從戰(zhàn)略上來考慮，用可再生能源制氫來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，在這方面可能還有很長的路要走。另外各個(gè)地方政府雖然出臺了一些規(guī)劃，大部分局限在交通領(lǐng)域，沒有在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域、能源領(lǐng)域出臺鼓勵(lì)用綠氫代替化石能源的引導(dǎo)和激勵(lì)措施。還有，氫能行業(yè)整體的監(jiān)管政策還不完善，直接與可再生能源制氫相關(guān)的政策還比較少，這些鼓勵(lì)政策大部分都是鼓勵(lì)燃料電池生產(chǎn)或者燃料電池汽車的生產(chǎn)，很少有對制氫和運(yùn)氫的環(huán)節(jié)來進(jìn)行補(bǔ)貼的一些措施。
對此，蔣亞雄建議：第一是將氫能納入國家能源戰(zhàn)略體系，從國家能源安全的戰(zhàn)略層面提倡用可再生能源制氫，來部分替代傳統(tǒng)化石能源，以改善整體的能源體系結(jié)構(gòu)，減少對化石能源的依賴。
第二，在出臺氫能政策規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該從多方面強(qiáng)化用綠氫代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用引導(dǎo)和鼓勵(lì)措施。氫能的優(yōu)惠補(bǔ)貼政策也應(yīng)該適當(dāng)?shù)目紤]可再生能源制氫和用氫的各個(gè)環(huán)節(jié)。
第三，加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定，完善氫能行業(yè)的監(jiān)管政策法規(guī)，加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管，確保行業(yè)的健康發(fā)展。可再生能源制氫有很好的發(fā)展前景。隨著我國可再生能源發(fā)電量的提高，還有可再生能源制氫成本競爭力的提升，可再生能源制氫一定會(huì)在以后的能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地，能夠起到越來越的作用，也能逐步從灰氫過渡到綠氫，實(shí)現(xiàn)碳的減排和改善國家能源體系這么一個(gè)重任。
