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一场氢的“革命” 四点理清中国氢能发展之路

2018-09-05 09:29:53 中国石化杂志等

人类过去百年的能源进化史,本质上就是碳氢比的调整史,氢含量不断提高,能量密度也随之不断提高。氢气基础能量密度是汽油的三倍。因此,未来从碳能源转向氢能源是大势所趋,氢能源有望成为下一代基础能源。

近日,位于德国莱茵河畔的两座新加氢站的建造合同已经签订。

2019年建设完成后,每座加氢站每天能够为多达20辆氢能客车提供总计500千克氢气。

人类过去百年的能源进化史,本质上就是碳氢比的调整史,氢含量不断提高,能量密度也随之不断提高。氢气基础能量密度是汽油的三倍。

因此,未来从碳能源转向氢能源是大势所趋,氢能源有望成为下一代基础能源。

氢燃料电池在能源密度和快速充氢上具有优势,发展前景较好,但存在技术难题。中国石化经济技术研究院专家指出,目前的主要问题包括氢气和电池(催化剂)生产成本高、储氢材料量产及成本降低难以实现突破等。

从长远看,包括氢燃料电池车在内的新能源汽车的关键技术终将实现质的突破,将从根本上改变目前以石油为基础的能源格局。

石化企业可在氢气供应、加油加气-充电-加氢一体化运营,以及汽车轻量化材料、高端化材料开发方面适时介入新能源汽车产业链,实现石化产业链的转型与调整,培育新的利润增长点。

未来能源的替代可能

“2016年,氢能与燃料电池被列为我国能源科技领域重点发展十五个领域之一,未来大有可为。”在7月26日举办的中国国际氢能与燃料电池产业发展会上,中国机建工业联合会副秘书长向辉对氢能与燃料电池的未来发展给予肯定。

迄今为止,人类历史上已发生过两次能源革命。第一次能源革命是煤炭取代木材成为主导能源,第二次能源革命是石油取代煤炭成为主导能源。

尽管目前化石能源仍居主导地位,但是考虑到化石能源资源的紧缺性日益凸显,汽车排放造成的环境污染和石油资源枯竭正日益加剧,寻找清洁的替代能源是每一个国家必须解决的问题。

燃料电池完全不进行燃料燃烧,而是通过电化学反应直接将燃料的化学能转化成电能,因此能量转化效率可高达45%~60%,约是内燃机的两倍,随着技术的进步还可以更高。

氢燃料电池汽车不排放硫化物、氮氧化物等有害气体,也不产生温室气体二氧化碳。氢燃料电池汽车不存在纯电动车充电时间长、续航里程短的弊病。

早在20世纪60年代,燃料电池就因其体积小,容量大的特点成功应用于航天领域。

进入70年代后,随着技术的不断进步,氢燃料电池逐步被应用于发电和汽车。

如今,伴随各类电子智能设备的崛起及新能源汽车的风靡,氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域、便携式领域等三大领域。

目前氢燃料电池的主流发展方向是氢燃料电池汽车。燃料电池直接将燃料的化学能转化成电能,能量转换效率高。相比纯电动车搭载的动力锂电池,氢燃料电池质量轻,补充能量的时间短,加氢只需3至5分钟,续航里程长,大于600千米。

面对需求缺口,中国欲“弯道超车”

近日,广东省佛山顺德区发展规划和统计局再答复政协委员提案时透露,预计年内将在70台氢燃料电池公交车投入顺德区使用。目前顺德正简化规划审核,加快新能源汽车充换电设施的建设。

据了解,氢能源公交车加一次氢气只需要5~10分钟,一天只需加氢气一次,能跑400公里。

根据顺德氢能公交车投放计划,其区内加氢站的建设已迫在眉睫。顺德区计划今年建成两个加氢站,力争3个。

从第一台燃料电池车1966年问世,历经31年静默期,美日和欧盟重新认识到,氢燃料电池除了军工国防的作用外,还能广泛应用在能源互联网、新能源汽车等领域。

于是2000年前后,燃料电池汽车的应用开始被发达国家所关注。

在那之后,一些国家通过建立能源法案、能源战略、技术路线图等途径,积极发展氢能源在内的清洁能源,尝试以此减少对传统一次能源的依赖。

从全球加氢站建设来看,国外加氢站设施建设更为完善,发展较为迅速。

目前,大力发展燃料电池汽车加氢站的国家主要由美国、德国、日本,并制定了长期的发展规划,其中日本成为世界上加氢站最多的国家。

据统计,全球目前建成的加氢站已经超过了300座。相比国外,我国加氢站发展较为滞后。

2014年,我国氢能源及其燃料电池汽车产业启动建设。

4年来,位于广东省的佛山(云浮)产业转移工业园已经成为国内具有重要影响力的氢能产业的发展高地,28台氢能大巴投入佛山、云浮两市已经运营两年,各项指标超出预期,在已经运营两座加氢站的基础上,2018年年底,佛山、云浮还要建设22座加氢站。

从各国氢能源产业规划来看,多数国家是以氢燃料电池为突破口,逐步完善氢能源产业配套,并在2040~2050年实现氢能源社会。

国际氢能委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》显示,到2050年,氢能源需求将是目前的10倍,到2030年,全球燃料电池乘用车预计将达到1000万至1500万辆。

在这一轮新“竞赛”中,中国正摩拳擦掌准备“弯道超车”。

技术进步促成本下降

实现氢燃料电池车在世界范围内的领先和“弯道超车”,仍需解决全产业链的多个难题,其中氢气的制备、存储技术难题需要首先解决。

中国可再生能源协会专委会主任蒋利军教授认为,氢能源的制作和储运方面仍有许多需要攻克的问题。

制氢方面,最常见的是采用风力发电或太阳能发电、电解水制氢。氢气是密度最小的气体,而且扩散能力很强,化学性质十分活泼,这些特点决定了氢气很难以常规形式储存。

目前氢气的储存方式主要由三种:高压气态储存、低温液态储存、固态吸氢材料储存。高压储氢容器体积大,存在着泄露和氢脆等安全问题;液态储氢能耗大,液氢蒸发问题导致存在储罐安全隐患;可逆金属氢化物储氢重量偏大。

我国氢气运输体系也尚不完善。

氢气输送方式主要有气氢输送、液氢输送等。

气氢输送分为管道输送、长管拖车和氢气钢瓶输送。

管道输送一般用于输送量大的场合,美国、加拿大及欧洲多个工业地区都有氢气管道,目前氢气管道总长度已经超过1.6万千米,法国和比利时之间建有世界最长的输氢管道,长约400千米。

长管拖车运输距离不宜太远,用于输送量不大的场合;

氢气钢瓶则用于输送量小且用户比较分散的场合。

液氢输送一般采用罐车和船,可进行长距离输送。

目前氢气输送网络系统尚不成熟,不利于氢燃料电池技术大规模商用化应用。

此外,氢能和燃料电池的技术创新与产业发展,是典型的跨领域创新发展的过程。

为了使氢燃料电池降低成本和提高耐久性,技术进步是降低氢燃料电池产业化成本的首要手段。

攻克的目标主要指向膜电极组件和双极板:现有的高分子质子交换膜生产工艺复杂,急需改进和优化,比如降低催化剂中铂含量,提高利用率。将金属和石墨复合制成的复合双极板性能优良,且加工工艺相对简单,材料成本也较低,可以重点发展用以替代脆性大的石墨双极板。

成本的降低不仅依靠技术的进步,而且有赖于规模化生产。

美国能源局经过测算,认为只有当燃料电池的成本降至50美元/千瓦时,才能与内燃机汽车相竞争。

基础设施铺设待提速

在氢能源汽车产业链上, 加氢站是上游制氢运氢与下游燃料电池汽车应用的重要枢纽。完善加氢站的建设,有利于加快氢能源汽车的普及和技术研发进程。

据势银智库统计,截止2017年年底,全球目前约有328座加氢站。截止2018年3月,日本是第一个达到100座加氢站的国家。

全球加氢站分布情况(来源:势银智库)

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国内加氢站运营情况(来源:势银智库)

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根据全国氢能标准化技术委员会《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》(2016),为氢燃料电池基础设施建设设定了近期、中期及远期目标。

规定2020年在京津冀、长三角、珠三角、武汉等氢能与燃料电池产业发达地区率先实现氢能汽车及加氢站的规模化推广应用,建成小规模的氢基础设施网络,加氢站总数达100座以上;固定式燃料发电达20万千瓦,燃料电池运输车辆达到1万辆。

2030年,燃料电池车辆保有量达200万辆,加氢站总数达1000座以上,初步形成与燃料电池车辆保有量相匹配的供氢网络。

2050年,加氢站服务区域覆盖全国氢能产业发达地区,参照加油站分布状况及要求,完成高速公路加氢站布局;燃料电池车辆保有量达到1000万辆。

同济大学汽车学院副教授吕洪指出,对氢能的认识和战略定位至关重要。

虽然我国已在国家战略层面明确将氢能作为能源架构中的一个重要组成部分,并将燃料电池汽车定位为我国汽车行业发展的主流方向之一,但如果仍将氢气归属于危险化学品而非能源,不仅地方政府对氢燃料电池汽车的发展将“敬而远之”,而且难以在普通消费者群体中进行产品的推广和普及。

专家指出,加氢站的建设必须由点及线、由线到面地进行布局。氢能源汽车通常优先发展商用客车。

加氢站早起的布置可以选区公交线路的起点和终点进行建设,然后在公交线路的沿途增设适当的数量,这是由点及线的过程。

氢能源商用车促进加氢站网络线的形成,氢能源乘用车加氢也会变得便捷起来。氢能源乘用车的能源补给服务得到完善,又会促进加氢站由线拓展到面,进而逐渐形成完整的区域化加氢网络。

加氢站的结构与加油站相差不大,可以通过适当的手段将加油站改造成加氢站。

我国有世界上最庞大的汽车消费市场,对能源结构的转型需求迫切,对氢燃料电池汽车的扶持政策十分优越,且产业链也在加紧布局,这些条件都为氢能源汽车在中国的发展提供最佳契机。



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责任编辑: 李颖

标签: 氢能 加氢站 燃料电池

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