氢能在综合能源系统中的应用前景.doc

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1、氢能在综合能源系统中的应用前景摘要：氢能的开发利用是应对全球气候变化，保障国家能源安全，实现低碳转型的重要途径之一。对比了氢储能技术与当前主要储能技术的关键性参数，结果显示氢储能技术具有整体性系统优势；探讨了氢能在未来综合能源系统中工业用户、交通运输、建筑热电联供、能源企业潜在的应用途径及未来关键技术节点；给出了对中国氢能发展的启示。为氢能在综合能源系统中的应用提供参考。引言随着能源体制变革、技术发展、系统形态升级，能源服务形态呈现出新的特点。综合能源服务能够满足用户多元化需求、拓展企业盈利空间、提升社会整体能效1-2。大规模储能技术是综合能源系统中实现“心脏”功能的直接工具，能够在综合能源系

2、统中发挥缓冲器、聚合器和稳定器的作用3-4，而氢能作为一种清洁、高效、易规模化的能源储存与转化技术，已广泛应用合成氨和冶炼厂加氢等大规模工业中5-7。近年来，受能源政策、市场以及相关氢能利用技术的驱动，氢能为综合能源系统中难以实现电气化的行业和应用提供了更多可行和适用的选择8-9。截至2019年底，50多个国家制定了相关政策激励措施来支持氢能在能源系统中的应用研究2。文献10-12针对氢储能系统的关键技术进行了总结，对比了电解制氢与其他制氢技术的成本，并基于燃气轮机或燃料电池的热电联产（combined heat and power，CHP）技术讨论了氢储能系统在能源电力行业中的应用。文献13

3、-15探讨了氢作为能源载体的作用以及氢能源系统的经济性，预计到2050年，全球最终能源需求的18%可以通过氢气满足，这一数量相当于78EJ，相应CO2减排潜力为6Gt/年。文献16-17综合分析了氢能在日本和德国未来能源系统中的作用，对比了不同氢供应链条件下的温室气体排放强度，指出了未来潜在的清洁氢能供应国。在未来能源系统框架中，日本氢能源主要用于发电，较小比例用于交通运输和工业领域，而德国主要用于交通运输，较少用于发电和工业领域。文献18-19以氢能在综合能源系统中35个应用案例为研究对象，对40种氢气生产和分配技术进行了建模分析，探讨了氢能价值链的成本动态以及各环节间的相互关系，给出了氢产

4、业链的整体架构，预计到2030年，氢能价格低至1.8美元/kg，将占据15%的全球能源需求份额。能源系统的深度脱碳需求、整合大量波动性可再生能源并网都将成为氢能快速发展的驱动力，研究氢能在未来能源系统中的应用前景意义重大。首先比较了氢储能与其他储能方式的技术特点及关键参数，分析了氢能在综合能源系统中的应用途径及进展，指出了未来氢能应用的关键节点，并给出了对国内氢能产业发展的启示。1氢储能与常规储能系统比较1.1常规储能技术储能系统（energy storage system，ESS）具有以电荷形式存储电能并在需要能量时允许放电的能力。随着技术的不断发展，能量储存方式多种多样，常见的机械储能方式

5、有抽水蓄能（pumped hydro storage，PHS）、压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES）、飞轮储能（flywheel energy storage，FES）20等；电磁储能有超级电容储能（supercapacitors，Super-C）、超导储能（superconducting magnetic energy storage，SMES）等；电化学储能主要指电池储能系统，包括铅酸电池、镍铬电池（nickel cadmium battery,Ni-Cd）、锂离子电池（lithium ion,Li-ion）、钠硫电池（sodium sulp

6、hur battery，NaS）等；相变储能主要指热储能（thermal energy storage，TES），目前研究较多是采用熔盐储能；化学储能3个常见途径是氢气、氨和合成气，其中氢储能（Hydrogen）最具吸引力的能量储存方式之一。1.2储能技术比较1.2.1技术成熟度常见ESS的技术成熟度如图1所示。大规模储能技术中PHS、CAES的技术相对成熟，但两者均依赖特殊的地址条件，其大规模发展受到制约，但由于其启停灵活、反应迅速，具有调峰填谷、紧急备用和黑启动等功能，国家电网公司与南方电网公司仍相继投建数座PHS。为了提高效率、更好地调整电网频率，研究人员正在开发变速涡轮机。现有超过18

7、0GW的PHS存储容量，80%位于欧洲、中国、日本和美国。其他较为成熟的是电池储能系统，由于原材料市场供应充足、技术进步较快，成本进一步降低，电池储能系统将进一步发展。近期，太平洋天然气和电力公司（PG&E）的Elkhorn电池储能项目（182MW/730MWh）已获批准，未来将为全球知名的科技中心硅谷供电。随着氢利用技术的发展和进一步成熟，以及可再生能源的氢供应成本下降，人们已认识到氢能可在未来清洁、安全的能源系统中发挥更关键的作用，技术成熟度上升较快，呈现规模性效应21。1.2.2系统效率及寿命图2为常见ESS的系统效率和运行寿命比较。ESS循环效率最高的是SMES，它将电流储存在由电流流

8、过超导线圈产生的磁场中，由于超导线圈没有电阻，损耗几乎为零，仅有附属电力设备如交流/直流转换器造成的2%3%的损耗22。FES和Li-ion的系统效率也较高。ESS的能量损耗主要来源于不同组件之间的能量传递过程，通过调节充电和放电过程中的能量损耗，可以提高ESS的效率。机械储能方式中PHS和CAES的使用寿命最长，分别为4080年和2560年。电池储能系统随着工作时间的延长，电池的化学性能变差，使用寿命相对较短，大多低于20年。氢储能系统的循环效率为35%55%20,23，低于常规ESS，其主要受氢价值链中采用不同技术路径的影响，如汽车中氢燃料电池效率约为60%，而通过内燃机的效率约为20%，

9、综合考虑氢能的价值链，氢储能的寿命为1550年24。1.2.3系统响应时间及投资成本图3为常见ESS的响应时间与投资成本比较。由图3可知，SMES、FES和Super-C的单位投资成本低于其他储能技术，鉴于它们的快速响应时间，通常用于短期能量储存5,22。在已开发的技术中，SMES的单位投资成本最低，响应时间最短22-24。电池储能单位成本相对较高。氢储能系统投资成本适中，为15002400美元/kW25。响应时间在可接受的分钟级范围内，其系统成本及响应时间同样受氢价值链中采用不同技术路径的影响。2氢能在综合能源系统中应用路径氢可以直接以纯净形式使用，或作为合成液态或气态氢基燃料（合成甲烷或合

10、成柴油）以及其他能源载体（氨）的基础。目前大多数氢气用于工业领域，直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂和高品质热源，有效减少碳排放，其中炼油厂、氨生产、甲醇生产消耗氢气比例分别为33%、27%、11%，另外3%的氢气用于钢铁生产18。长远来看，氢能可以广泛用于能源企业、交通运输、工业用户、商业建筑17-19等领域，如图4所示。既可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等领域，降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖；还可以利用燃气轮机技术、燃料电池技术应用于分布式发电，为家庭住宅、商业建筑等供暖供电。表1列出了部分典型氢能利用案例。2.1氢能应用于工业用户目前，工业用户中的氢

11、几乎完全来自天然气、煤炭和石油的大规模制氢，对环境产生巨大影响，采用可再生能源发电制氢耦合工业用户，既可以提供无碳氢，又可以提供可再生电力，避免化石燃料的碳排放问题。氢用于工业用户中的途径有：（1）炼油，加氢处理和加氢裂化去除杂质，提高中间馏分油的精收效率；（2）化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工业原料和燃料；（3）钢铁，代替传统高炉及碱性氧气转炉系统中常用的焦炭和天然气2,17。基于氢的合成燃料储存更容易，可利用现有的基础设施输送，为海事、铁路、航空提供可靠的清洁燃料。2019年11月，德国蒂森克虏伯钢铁集团正式注入杜伊斯堡9号高炉；奥地利林茨奥钢联钢厂6MW电解制氢装置投产，开启了氢能冶

12、金时代。中国宝武钢铁、鞍钢、酒钢等均开始可再生能源制氢-氢能冶金立项，探寻循环经济的可行性。2.2氢能应用于交通运输长期以来，氢作为潜在的交通燃料，被视为石油和天然气的清洁替代品。氢动力系统因其零碳排放和广泛的适应性有望成为交通运输部门实现快速减排的少数选择之一，这依赖于燃料电池技术的发展，常见燃料电池包括：质子交换膜电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸电池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、熔融碳酸盐电池（molten carbonate fuel cell，MCDC）和固体氧化物电池（solid oxi

13、de fuel cell，SOFC），综合考虑工作温度、催化剂稳定性、电效率、比功率/功率密度等指标，最常用于交通运输行业的是PEMFC。目前氢能燃料电池用于交通运输领域主要包括：（1）道路运输，如小型汽车、公共汽车、卡车和其他货车；（2）海事行业，如船舶、港口；（3）铁路和航空；（4）其他特殊领域，如救援车辆、深海装备等。相比于纯电动汽车，氢燃料电池汽车、卡车及叉车的燃料加注时间短、续航里程长，但氢燃料汽车的综合能量利用效率仅为25%左右，虽然高于传统合成燃料内燃机汽车的15%，但远低于纯电动汽车约70%的综合能量利用效率，研究表明当燃料电池成本为75100美元/kW时，氢燃料电池汽车可以在

14、续航里程为400500km内与纯电动汽车竞争，氢燃料电池汽车对于有更高里程要求的消费者更有吸引力17-18。目前氢在海事、铁路和航空领域的应用处于示范阶段，主要用于辅助动力单元，而欧洲碳排放交易体系的不断扩大为氢能在这些领域的应用提供了潜在的空间。2019年11月，中国首列氢燃料电池有轨电车在佛山投运。2020年1月，美国国防部联合能源部启动氢燃料电池应急救援车H2Rescue项目，基于氢燃料电池/锂电池混合系统，开启微电网搭建、供热和供水一体化研究。2.3氢能应用于能源企业目前，全球氢能发电比例很小，约占总发电量的0.2%。随着对能源行业深度脱碳要求的进一步提高，氢能应用于能源企业路径主要有

15、：（1）氢为燃气轮机或燃料电池提供燃料，作为备用电源或离网供电，为易停电和偏远地区的关键设施（如医院，通信基础设施等）提供备用电源，成为电力系统的一个灵活性电源；（2）氢转化成氨，与煤粉共燃，降低传统燃煤电厂的碳排放强度；（3）氢以压缩气体、氨或合成甲烷的方式储存，平衡电力需求和可再生能源的间歇性波动。日本和韩国均明确了在能源企业中使用氢或氢基燃料的目标，日本希望在2030年氢发电能力达到1GW，韩国氢路线图设定目标是2022年电力行业中燃料电池装机容量为1.5GW，2040年达到15GW17。2020年2月，北美拟投资可再生能源-氢发电枢纽项目替代1800MW的Intermountain燃煤

16、电站，为南加州提供可靠的清洁能源，从2025年开始，每年春、秋两季将有538MW可再生能源用来制氢，可再生能源制氢成本可能低至1.52.9美元/kg，氢气将储存在地下盐洞，通过100%氢燃料的燃气轮机进行发电19。2.4氢能应用于建筑热电联供在住宅建筑领域，75%的传统能源用于空间供暖、热水和烹饪。氢可与天然气混合（氢气掺混比例为020%），通过基于燃气轮机或燃料电池的CHP技术，利用现有建筑和能源网络基础设施提供灵活性和连续性的热能、电力供应，从而取代化石燃料CHP。基于燃气轮机的CHP可通过布雷顿-朗肯循环来实现热、电联供，氢气通过高温燃气轮机进行燃烧，推动燃气轮机发电，燃烧形成的高温蒸汽通过余热锅炉吸收产