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高顶云:“双碳”目标下我国氢能的利用与发展

发布日期:2022-11-16   浏览次数:2680

2022年11月8日-10日,由中国汽车工业协会主办的第12届中国汽车论坛在上海嘉定举办。作为党的“二十大”召开后的汽车行业首场盛会,本届论坛以“聚力行稳 蓄势新程”为主题,共设置“1场闭门峰会+1个大会论坛+16个主题论坛”,以汽车产业的高质量发展为主线,与行业精英一起贯彻新精神,研判新形势,共商新举措。其中,在11月10日下午举办的“主题论坛15:求索氢能与汽车产业高质量发展”上,上海舜华新能源系统有限公司董事长高顶云发表精彩致辞。以下内容为现场演讲实录:
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各位领导、各位专家、各位同行,下午好。前天上海舜华购置了一辆上汽大通的燃料电池MPV,价格不到40万。新车给我的整体印象是完全可以比美某豪华品牌MPV即“保姆车”,售价也可定在100万上下,而且是完全零排放的。但目前让大众来接受购买还是有问题的,因为加注氢燃料还很不方便。今天利用这个机会,站在能源和基础设施的角度,跟大家做一下交流感想。

我的题目是“双碳目标下我国氢能的利用和发展”。“碳中和”这个概念大家一直在提,在这里我们共同回顾一下,“碳中和”就是人为排放量(化石能源利用和土地利用)被人为作用和自然过程所吸收,实现净零排放。  

目前来讲,全球每年碳排放量约401亿吨,其中约有46%滞留在大气中。中国每年碳排放量约100亿吨,也就是每年约46亿吨滞留在大气当中,我国的碳中和就是要把46亿吨的碳中和掉。  

碳中和主要从三端发力,一个是能源供应端,一个是消费端,一个是人为固碳端,可以通俗的理解为“三绿”,即绿电(可再生电力)生产、绿电消费、绿化造林,这就是帮助我们实现“碳中和”的关键三步。  

“碳中和”过程下,能源结构转型将产生5个趋势。第一,绿色能源将成为我们的主体能源;第二,化石能源将成为保障能源;第三,再电气化,即电气化更加彻底,除交通领域的电动汽车普及外,零碳的电力大规模利用;第四,储能成为重要环节,即通过氢或者合成燃料等进行大规模长周期性储能,以P to X的方式实现非电的领域的去碳;第五,技术的驱动成为关键。化石能源的取得完全依赖自然禀赋,如中东有石油、天然气,中国有煤炭。而要实现去碳的过程主要要靠技术进步,比如,如果没有光伏材料、工艺等方面技术进步,就没有光伏的成本的大幅度下降,就不会像现在这样发展迅速。

要实现“碳中和”,大规模利用可再生能源是核心。对于可再生能源是否够用,比亚迪王总有一个1%的理论,也就是用我国沙漠面积的1%做光伏,可以满足全国的用电需求,这个经过有关专家的论证,应该是没问题的。我国2021年的总电力消费约为8.1万亿度电,当然其中65%煤电。我国沙漠面积约70万平方公里,若加上戈壁滩、不可利用的土地及荒漠化的土地,约有260万平方公里。拿出1%的沙漠面积为7000平方公里用来做光伏,一年可以发电14万亿度,是我国电力需求量的1.7倍。完全满足我国的电力需求。这还不包括风电、水电等无碳能源。所以,我国的可再生能源资源在理论上完全可以满足用能需求。

但实际上是我们的电网及整个能源系统是很难承载这些被电网公司称为“垃圾电”的可再生能源电力,因为这些电力受环境影响,随机性很大,而且这些电力资源主要发布在西北部,同时,我们的负荷中心主要在沿海一带的经济发达地区,从而造成了这些绿电或零碳电力很难被充分利用。因此我们需要一个调节器,这就是我今天所说的氢通过储存转换的形式来实现调节的作用实现可再生能源的最大利用率。  

氢首先具有零碳的特点,其利用实现能量转换,最终产物只有水。同时其能够实现高效,这主要得益于技术进步,即燃料电池的利用,实现氢电的转换,其转化效率可以达到50%甚至60%以上。相比于受制于卡诺循环的热机其热效率要达到40%已是相当困难。  

氢具有与电网、天然气网、热网等能源网实现互通特点,当然最主要的是氢具有储存的特点,相较于锂电池或者其他储能方式具有储存量大、可分散性、适应性强等特点,特别适合可再生能源储能。

说到氢,一定会想到安全问题。在上海有100多年人工煤气使用的历史,从2016年才完全改用天然气。人工煤气含有50%左右的氢气,目前香港的城市燃气中的含氢量约49%,甲烷含量约28.5%,剩下的是二氧化碳和一氧化碳,所以氢是很亲民的,很早就与我们普通老百姓的日常生活密切相关。氢是一种我们既熟悉又陌生的物质,氢气在空气当中的扩散系数是天然气的2.75倍,所以它从安全性来讲是完全可以通过成熟的技术得到保障。

氢的应用领域非常多,包括能源领域如直接燃烧、天然气掺氢燃烧、分布式能源,再如工业领域的炼化、冶金、粮油、半导体等都会大量用到氢气。当然氢最引人关注的还是燃料电池的大规模使用,特别适合重载长距离的商用车的燃料,当然也可转化为氨、甲醇等用于交通、工业等领域。按照中国氢能联盟的预测,到2060年用于交通的氢能只占约25%,大量的应用是在能源、电力、建筑、工业等领域。

确切的说,氢还没能成为能源,只具有工业气体属性,主要有两方面的原因:一是从法律层面上讲,在我国《能源法》里,氢还没有被纳入能源的范畴;二是按照实际的应用场景来讲,目前氢的存量市场是3300多万吨,主要是在工业领域。比如,我们正在运营的金山化工区加氢站,一年运出的氢达1000多吨, 90%是用于工业领域作为原料,而不是燃料,即能源。  

目前氢的来源主要还是以化石能源为主,超60%是以煤制氢,15%左右来自天然气制氢,剩下一部分是工业副产氢,还有一小部分是电解水制氢,当然电解水制氢的电也是来自于网电,换句话说,还不是完全来自于绿电制的氢。所以整体要实现灰氢到绿氢(可再生电力制的氢),各环节还没有打通,只不仅仅是上游需要建立规模的绿氢生产基地,还要打通运输和储存环节,只有这样下游才能真正用上绿氢。  

先立后破,灰氢的充分利用为氢能技术示范带来了便利之处,也一定会为绿氢全面替代灰氢打下基础。近一年多来,内蒙、新疆等三北地区已有大量的光伏电场正在多点开花启动电解水制氢项目,绿氢大规模发展的序幕已经打开。

按中国氢能联盟的预测,2060年氢的年产量将达13000万吨,其中绿氢占比可达80%,减排贡献达18亿吨。电解槽装机容量有望达到500GW。

氢能发展首先是技术和装备的发展,按产业链“制、储、运、用”上下游看,技术和装备的成熟度还参差不齐。在制氢环节,我国有全球最好的或者规模最大的电解槽开发和制造能力,但像一些技术比较先进的制氢技术,如PEM、SOEC、AEM等,我国有一定基础,与国际水平也比较接近;在储运环节,因为以工业副产氢为氢源,就地用氢为主,运输半径一般不超过200km,所以,运输方式都是高压管束车辆。从发展角度看,各种储运技术及方式在不同场景的适应性都有研究的必要。在使用端,燃料电池汽车在我国经过了二十多年的发展,加氢站相关的技术和装备也得到了很大的发展。35MPa加氢站装备完全实现了我国的自主生产,70MPa加氢站技术得到了全面的研究,具备国产化的条件。上海安亭加氢站已连续运行15年有余,我国的加氢站技术、装备、标准、法规等得到全面发展,并形成较完整的体系。

其它使用端也有不同程度的发展。燃氢锅炉、天然气掺氢燃气轮机、纯氢内燃机等都得到一定的示范和应用。绿氨的应用示范、绿色甲醇的制取,即“液态阳光”等,都不同程度的得到研究和示范。  

让氢走到碳中和的前沿,首先是氢能燃料电池汽车的发展。2021年8月18日国家五部委启动新一轮的燃料电池汽车示范工作,选择北上广、河南、河北5个城市群率先开展商业化示范。目前,全国已有30个省市出台政策近100项,截止2030年规划加氢站1139座,发展燃料电池汽车148330辆,到2035年,燃料电汽车的规划前景达到百万辆,燃料电汽车用加氢站达到1500座的规模。

在氢能发展过程中,一个关键环节就是成本,而决定成本的很重要环节是运输。氢是最低密度的气体,给运输带来很大的挑战。一组数据可以理解氢运输的难点,即1立方米体积的液氨大概释放170公斤的氢气,1立方米体积液氢(﹣253℃)等于70公斤氢,而1立方米体积20MPa压力只能储存14.5公斤氢,最高效的运输氢方式为液氨方式。而真正大规模的绿氢利用时代到来,天然气的输配方式应是最有效的氢气运输方式。目前天然气在我国一次能源中占比8.1%,运输天然气主要靠管网,少量的通过LNG方式。按照中国氢能联盟的预测,到2060年,氢在消费端的能源占比达12%,按等量热值考虑,氢的运输规模应达到4﹣5倍的现有天然气输配规模,按可以预见的技术看,除了管网没有其它运输方式可以承载如此大的规模。

现阶段氢的运输靠什么技术及方式,可以说是百花齐放百家争鸣。当然,固态、液态、合成燃料等各种方式也一定有其特定的应用场景。而从能源角度来讲,是一定要满足安全、连续(大规模)、低成本的方式,管道运输一定是我们今后值得重点研究的方向。

最后,我们来畅想一下上海在实现碳中和时的绿色能源体系愿景。上海是能源净消费城市,氢作为贯通整个清洁能源供给和需求体系的桥梁,由氢网、电网、气网和热网互补融合构建上海市新型能源体系,即,域外绿电通过特高压电网输入上海上海市电网成为上海市主体能源一,陆上域外绿氢通过氢气长输管网或天然气掺氢方式输入上海城市管网成为主体能源二,海上域外绿氨(液氢、“液态阳光”)通过接收站转换氢气输入上海城市管网成为主体能源三,现有化石能源(天然气及天然气调峰电力、燃煤电力等)作为保障能源。消费端,如建筑、炼化、冶金、半导体、交通等领域,全面利用绿电、绿氢,或无碳燃料。

借此我也介绍一下公司的情况,舜华公司成立已经18年了,专注于氢的制取、储存、加注等方面的研发。业务覆盖制氢站、加氢站、车载储氢系统、分布式能源、三代核电及特装等领域。其中,我们完成71座加氢站建设并提供相关装备、技术及服务,包括有7座是70MPa加氢站,4座制氢加氢一体站。安全运营上海首座加氢站——安亭加氢站,连续15年,为多项相关标准制定建立基础。完成车载储氢系统接近4000套,包括4款上公告乘用车70MPa储氢系统的正向开发和产品提供。

对标国际标准,成功研发适应加氢站应用场景的的压缩机就是满足最新DOE测试标准开发的,完全可替代进口产品。

在氢安全方面,我们主要开展三维量化风险分析与安全评估技术研究,应用于加氢站和车载储氢系统产品的设计。并对35MPa、70 MPa氢气快速加注技术方面进行研究,确保加氢站的加注性能持续领先。

持续开展涉氢核心零部件的研发,特别是瓶口阀、加氢口、质量流量计、加氢枪等关键零部件,在国内首先获得国家级型式认证和德国交通部(KBA)EC79/EU406认证,并推向市场。

还将相关的氢能技术应用到第三代核电站、特种核动力、特种移动电源等场所,还包括天然气掺氢的燃气轮机发电、基于燃料电池的分布式能源系统和国内首个21.6MW富氢尾气的综合利用项目。 

舜华公司立志于从能源的角度,围绕氢气,为市场提供先进的绿色能源技术、装备和服务,为国家实现“碳中和”做出贡献,谢谢各位。 

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