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    歐洲面向未來的氫能示范項目及借鑒

    時間:2022-01-26 來源: 瀏覽:

    歐洲面向未來的氫能示范項目及借鑒

    原創 張茜 苗盛?陶光遠 能源雜志
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    文 | 張茜 苗盛 作者供職于中國石油勘探開發研究院       陶光遠 作者供職于中德可再生能源合作中心

     

    氫可以用作原料、能源載體和能源存儲。因為氫在使用時不排放二氧化碳,一般沒有空氣污染,因此在未來的碳中和時代,將廣泛應用在工業、交通運輸、電力和建筑領域。幾乎所有依賴化石能源的應用場景都可以利用氫及其衍生物來實現碳中和。提高能源效率和通過使用風光等可再生能源與核能實現電力零碳化被視為全球能源轉型實現碳中和的前兩大支柱,而氫被認為是第三大支柱。因此氫在世界各地受到迅速增長的關注。

    正因為如此,2020年6月,德國聯邦經濟與能源部公布了德國的《Nationale Wasserstoff-Strategie(國家氫能戰略)》。2020年7月,歐盟公布了《A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe歐洲氣候中性的氫能戰略》。這兩個戰略文件宣稱的目標均是雄心勃勃的。其中,歐盟的目標是將氫在歐洲能源結構中的份額從目前的不到2%提高到2050年的13-14%。

    技術的大規模應用需要通過示范項目這個環節進行技術驗證和實現技術經濟性的提高,這是新技術從開發到推廣應用之間的關鍵環節。歐洲氫能示范項目的主要目的有兩個, 一是通過示范項目促進氫能技術的成熟和降低成本,以加快氫能的大規模應用,為實現碳中和發揮作用。二是支撐歐洲氫能的研發,保持歐洲在氫能科技領域的優勢,未來向世界各國大規模出口氫能領域的高科技產品。

    對于歐洲的氫能發展戰略,國內有不少介紹,但是,對于具體的示范項目,鮮有介紹和分析。通過分析借鑒國際氫能先發國家的示范項目,促進中國氫能事業的發展和示范項目的開發,以便在氫能領域的發展中少走彎路。

    氫能的生產物流與應用

    目前,全球主要使用化石能源作為原料制氫(灰氫)。有兩種主要方法:一是使用甲烷(天然氣的主要成分)蒸汽重整(SMR)制氫;二是將煤炭氣化制氫。由于生產灰氫排放大量的二氧化碳,因此未來需要用沒有二氧化碳排放的制氫方法替代。一種方法是甲烷蒸汽重整與碳捕獲和封存(CCS)結合(藍氫),或甲烷熱解與碳利用結合(綠松石氫);另一種是可再生能源制氫(綠氫)。

    現在的氫主要是在工業領域作為生產工藝中的中間產品使用,往往是就近生產就近使用,所以基本上不存在運輸和存儲的問題。 由于未來氫的利用場景和規模遠勝于此,制氫的地點和用氫的地點往往不在一地,甚至相差上千公里。因此,氫能的物流成為氫能產業鏈中的重要環節。

    氫最簡單的物流形式是氣態運輸,包括純氫管道、天然氣管道摻氫以及利用高壓車載儲氫瓶等運輸方法。像所有其它氣體一樣,氫氣也可以在低溫液化后,以液態形式進行運輸。此外,化學存儲形式,例如轉化為氨或使用液態有機載氫體(LOHC,Liquid Organic Hydrogen Carrier)等,也具有較高的氫儲運潛力。

    當前氫主要是作為工業原料使用,未來氫作為能源載體來使用將具有更高的重要性, 尤其是在那些難于直接使用電能的領域中。 隨著氫在全球能源系統中的整合,氫作為原料和能源應用之間的清晰界限將消失,氫將同時用于這兩個目的。 除了目前在石油化工和化肥行業中大量使用氫以外,鋼鐵行業還使用氫作為還原劑和能源載體,替代焦炭和其它化石能源,來實現鋼鐵行業的綠色轉型。

    此外, 在電力和生物能源技術不可行或不具有成本效益的領域,氫也可以作為可選的能源和原料。 在重載公路運輸,鐵路運輸和乘用車等陸地交通中,氫燃料電池車比電動汽車具有更長的續航里程,比燃油車具有更高的能量轉換效率。在建筑領域,氫熱電聯供未來可以替代今天的燃煤和天然氣熱電聯供系統。

    氫的電解和發電可成為消納和補償風光電季節性波動的最大穩定機制 :電解水制氫工廠可以作為靈活負載消納過剩(特別是季節性過剩)的風光水電。在風光水電短缺的季節,可以用儲存在大型氫庫里的氫發電或熱電聯供,解決未來碳中和時代可再生能源電力供應的季節性(譬如在冬季11月份至2月份)短缺問題。而現在的大部分儲能技術,如抽水蓄能電站、電轉熱冷存儲、電動汽車智能充電和蓄電池儲能只適合于應對可再生能源發電的短時間波動。

     

    歐洲氫能示范

    幾乎所有的歐洲國家都啟動了面向未來氫能技術應用的示范項目。但由于各國經濟發展水平、技術水平和制氫資源的差異,因此在氫能示范項目的規模、產業鏈覆蓋程度、技術水平和應用規模上有所不同。限于篇幅,本文僅挑選了在歐洲不同地區開展氫能示范項目領先的國家,進行了分析。

    這些國家是西歐的德國和荷蘭、北歐的挪威、南歐的西班牙和東歐的波蘭。其中,這些國家已經建成和正在建設的氫能示范項目:德國有22個;荷蘭有20個;挪威有15個;西班牙有25個;波蘭有8個。這里還不包括大量的加氫站。譬如,在德國,截止到2021年12月11日,有91個加氫站在運行。而在2018年4月,才只有不到40個加氫站。

    氫能從生產、物流到應用,產業鏈很長。歐洲的氫能示范項目不追求每一個示范項目在所有的環節上符合未來的要求,而是僅對其中的某個或某幾個環節進行面向未來的示范,以降低示范項目的實施難度和投資規模。這樣通過多個項目分別對不同氫能產業鏈的不同環節進行示范,綜合起來就可實現對全部氫產業鏈各個技術環節面向未來的示范。因此,歐洲氫能示范項目既有實現了碳中和的氫能示范項目,也有一些項目與現有的氫基礎設施結合,包括使用有二氧化碳排放的灰氫。

    歐洲現有的氫基礎設施主要集中于工業部門(最主要是:合成氨工業和煉油廠)。其它基礎設施,如交通領域的加氫站,現在的用氫量還微乎其微。

    歐盟以及歐洲各國政府都對氫能示范項目給予了大力支持,包括對示范項目的組織、市場推廣措施和財政資助補貼。其對氫能的資助方式是政府與經濟界結合,歐盟、國家和地方政府等各級政府的資助結合。

    例如,自2005年以來,歐洲共同利益的重要項目IPCEI(Important Project of Common European Interest)是歐盟一個特殊的科研項目框架,其重要項目最初僅限于研究、開發和創新以及環境保護領域。最近各國計劃在這個框架下加大對綠氫研發和示范的投入,這個計劃現在已經啟動。

    2020年12月,挪威等歐盟國家呼吁并發起了一些促進歐洲氫能經濟的共同利益項目。其中包括歐洲最大鋼鐵廠杜伊斯堡-沃爾蘇姆 (德國)的500 MW電解水制氫項目計劃,塞納河畔杰羅姆港(法國)的化學工廠的200 MW電解水制氫項目計劃,漢堡-摩爾堡的200 MW電解水制氫項目和一個氫燃氣輪機研發計劃,以及 Chaleroi(比利時)石灰窯的75 MW 電解水制氫項目。

    此外,歐盟內部市場/工業/創業和中小企業總局(DG GROW)與 Hydrogen Europe合作制定了“氫促進氣候行動”倡議,該倡議屬于歐洲IPCEI氫能示范,發布了10個突出的大型項目名單,這些項目的電解水制氫的總容量為43.5 GW(最大的是 Black Horse項目,16.5 GW),以及數千輛氫能汽車、氫存儲設施、氫氣管道和其它與氫相關的基礎設施建設項目。

    限于篇幅,本文僅列舉了歐洲各地區氫能示范先發國家部分有代表性的氫能示范項目,類型完全重復的示范項目不贅述。

    注:按現在的電解水制氫技術的能源轉換效率,1 MW電解水制氫能力每小時可制200~220立方米的氫氣。

    歐洲各國通過上述示范項目進行驗證的氫能技術包括:

    制氫技術方面 :PEM電解水制氫;堿性電解水制氫;直接使用陸上和海上風電電解水制氫;太陽能發電電解水制氫;甲烷蒸汽重整制氫結合CCUS;收集化工尾氣后膜分離制氫并進行碳捕獲;利用鋼鐵企業的高溫余熱參與高溫電解水制氫以降低制氫的電耗等。

    氫儲運技術方面 :純氫管道輸氫;氫氣摻混到天然氣管道中輸送;管束拖車輸氫;液態有機儲氫載體通過管道和道路儲運氫;用巖穴作為儲氣庫儲氫;在資源枯竭的地層或含水層中儲氫等。

    氫能應用領域 :電解氫后液化,作為輪船的燃料;綠氫加氫站;氫燃料電池供電;氫氣燃氣輪機發電;氫能熱電聯供;氫能煉鋼;波動的可再生能源發電與氫基化學工業生產結合;利用可再生能源電解水制氫,再用氫燃料電池作為后備系統,為電信設備供電;綠氫合成氨;氫氣制甲烷;綠氫大規模應用前,在加氫站使用灰氫等。

    可以看到,歐洲各國的氫能示范項目幾乎涵蓋了氫能產業鏈上所有的技術環節。

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