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反超日本,國(guó)內(nèi)氫能商業(yè)化加速起飛

動(dòng)點(diǎn)科技發(fā)布時(shí)間:2023-04-04 12:13:26

  作為一種理想的綠色清潔能源,氫能具有可再生、無(wú)污染、高效、安全等優(yōu)點(diǎn),已被全球各國(guó)認(rèn)定為能源轉(zhuǎn)型的一條可行技術(shù)路線并寄予厚望。包括美國(guó)、歐盟、日本在內(nèi),全球已經(jīng)有超過20個(gè)國(guó)家及聯(lián)盟發(fā)布或制定了《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》,我國(guó)也將氫能正式納入國(guó)家能源戰(zhàn)略體系,并明確了政策鼓勵(lì)的應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域。

  在氫氣制備、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)中,高效安全的儲(chǔ)運(yùn)已成為剛性瓶頸。2021年全球氫氣總產(chǎn)量達(dá)到9423萬(wàn)噸,當(dāng)電解水等制氫技術(shù)不斷成熟的同時(shí),如何將氫以便利于機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)使用的方式儲(chǔ)存已成為氫能利用的最大難題。目前全球氫能市場(chǎng)規(guī)模已擴(kuò)張至1000多億美元,而儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)則占據(jù)了總成本的30%~40%。

  在國(guó)內(nèi)科研人員的不懈攻堅(jiān)下,氫能存儲(chǔ)這一關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)在近期取得重大突破——作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng),率先在廣州、昆明同時(shí)實(shí)現(xiàn)。這是我國(guó)首次將光伏發(fā)電制成固態(tài)氫能應(yīng)用于電力系統(tǒng),意味著國(guó)內(nèi)的氫能技術(shù)已經(jīng)具備了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的條件。

  固態(tài)儲(chǔ)氫密度飆升

  固態(tài)儲(chǔ)氫是在常溫下通過氫氣與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng),讓氫原子進(jìn)入金屬的空隙中儲(chǔ)存,儲(chǔ)氫壓力是2-3兆帕,升高合金的環(huán)境溫度就可以釋放氫氣。

  用于制備上述合金的鎂基材料是金屬固態(tài)儲(chǔ)氫材料中儲(chǔ)氫密度最高的材料之一,能夠很好地解決氫能儲(chǔ)運(yùn)難、鋰電池價(jià)格昂貴、不環(huán)保、不安全等難題。

  與現(xiàn)有的氣態(tài)儲(chǔ)氫和液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)相比,鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫大大提高了儲(chǔ)氫密度:研究數(shù)據(jù)顯示,在20兆帕大氣壓下,每立方米可存儲(chǔ)氫氣14.4公斤;在零下253攝氏度低溫下,每立方米可存儲(chǔ)液態(tài)氫70公斤;而在常溫低壓鎂基固態(tài)條件下,每立方米可存儲(chǔ)氫氣110公斤。

  除了儲(chǔ)運(yùn)氫量非常大,鎂合金材料還有一個(gè)顯著特點(diǎn),即可以對(duì)氫進(jìn)行凈化,特別是工業(yè)廢氫中的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等各種雜質(zhì)。據(jù)了解,鎂合金吸氫后再釋放的氫氣純度可達(dá)99.999%,這類高純氫完全適用于醫(yī)療、半導(dǎo)體、新材料乃至新型燃料電池的需求。

  中國(guó)工程院院士、上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心主任丁文江團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的用蒸氣法來制造含鎂氫的合金新材料,初步具備量產(chǎn)的可能,給低成本固體儲(chǔ)氫的應(yīng)用帶來了希望。這種合金材料可根據(jù)純度劃分為吸氫和放氫等不同用途:其中顆粒狀鎂氫結(jié)合物可反復(fù)使用約3000次,無(wú)任何衰減,而粉狀鎂氫結(jié)合物可通過催化劑水解,儲(chǔ)氫密度達(dá)到13%,已實(shí)現(xiàn)按噸生產(chǎn)。

  隨著氫能市場(chǎng)化最重要的一塊拼圖被補(bǔ)齊,這種讓氫進(jìn)出自由的固態(tài)材料將從根本上改變傳統(tǒng)儲(chǔ)能模式效率低、成本高、安全性差的現(xiàn)狀,氫氣這種新能源已具備規(guī)模化應(yīng)用的條件。

  在此基礎(chǔ)上,固態(tài)儲(chǔ)氫可實(shí)現(xiàn)氫氣的(海運(yùn)、空運(yùn)集裝箱等)長(zhǎng)途大規(guī)模運(yùn)輸;高密度存儲(chǔ)因電力供需不平衡而無(wú)法并入電網(wǎng)的“棄風(fēng)”、“棄光”;更高效、更低成本的家用能源供給;加氫站建設(shè)乃至服務(wù)于冶金、煉鋼等工業(yè)生產(chǎn)以及助力燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,降低碳排放。

  開啟下一個(gè)儲(chǔ)能風(fēng)口

  在當(dāng)前主流發(fā)電技術(shù)中,水力發(fā)電技術(shù)成熟,可24小時(shí)持續(xù)供電、火力發(fā)電的速度可以動(dòng)態(tài)調(diào)整、而光伏發(fā)電量呈現(xiàn)明顯的周期性、風(fēng)力發(fā)電也存在不穩(wěn)定性。因此,儲(chǔ)能承擔(dān)著靈活調(diào)節(jié)新能源發(fā)電量的使命。國(guó)家電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計(jì)到2023年全國(guó)非化石能源發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到25.7億千瓦,屆時(shí)發(fā)電量占比將達(dá)到52.5%。在此背景下,儲(chǔ)能建設(shè)還存在較大缺口。

  但儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的發(fā)展仍然只能用“叫好不叫座”來形容:一方面,儲(chǔ)能行業(yè)熱度高漲,業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為儲(chǔ)能已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)機(jī)遇期,是一片市場(chǎng)空間巨大的藍(lán)海。近年來,發(fā)電側(cè)尤其是新能源儲(chǔ)能備受資本青睞。2022年,全球儲(chǔ)能廠商融資規(guī)模達(dá)到260億美元以上,與前一年的170億美元相比增長(zhǎng)55%。另一方面,當(dāng)配套產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善、上游原材料碳酸鋰成本有所降低,安全性以及技術(shù)瓶頸等因素仍制約著儲(chǔ)能行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

  預(yù)計(jì)到2050年,可再生能源裝機(jī)容量比2020年增加10倍,需要大量的能源儲(chǔ)存,按照目前的儲(chǔ)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)遇到了嚴(yán)重的瓶頸。

  而剛剛?cè)〉眉夹g(shù)突破的固態(tài)儲(chǔ)氫發(fā)電則有望帶領(lǐng)儲(chǔ)能行業(yè)實(shí)現(xiàn)突圍。固態(tài)氫能發(fā)電是利用氫氣在高溫高壓下與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種新型能源技術(shù),其核心是利用固態(tài)氫質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì),通過固態(tài)氧氣電極和固態(tài)氫電極反應(yīng)產(chǎn)生電能。

  相比于帶有安全隱患和污染問題的鋰離子電池,鎂電池的成本更低、安全性更高。作為負(fù)極,其能量密度是商用鋰電池負(fù)極的6倍。鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)的發(fā)展,將為未來中國(guó)能源體系變革、交通運(yùn)輸方式低碳化轉(zhuǎn)變奠定基礎(chǔ)。

  目前,云海金屬、氫楓能源、雄韜股份、寶武清潔能源等企業(yè)均在鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫領(lǐng)域有所布局。其中,氫楓能源參與的氫能儲(chǔ)運(yùn)及應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目通過驗(yàn)收工作,安泰創(chuàng)明自研的固態(tài)儲(chǔ)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)已應(yīng)用于氫能兩輪車。

  中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì),2025年,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1萬(wàn)億元;2050年,氫能在我國(guó)終端能源體系中占比超過10%,產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值達(dá)到12萬(wàn)億元,這將對(duì)鎂基儲(chǔ)氫材料提出大量市場(chǎng)需求。

  中國(guó)工程院院士王成山表示,未來,氫能在終端能源體系中的占比將持續(xù)擴(kuò)大,綠氫(通過使用再生能源制造的氫氣,其生產(chǎn)過程中碳排放為0)的比重也將持續(xù)提升,電氫融合是支撐電力系統(tǒng)向高級(jí)形態(tài)演化的重大變革性技術(shù)之一。

  民用化征途漫漫

  當(dāng)前,歐美日韓已將氫能發(fā)展提升至國(guó)家或地區(qū)戰(zhàn)略層面,并通過多年的政策引導(dǎo)由大型企業(yè)引領(lǐng)建立了較成熟的氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈,在制氫、儲(chǔ)運(yùn)加氫和用氫方面積累了先進(jìn)的核心技術(shù)。

  其中,日本是最早開始?xì)淠苎邪l(fā)的經(jīng)濟(jì)體之一,也是目前全球氫能開發(fā)和應(yīng)用最全面的國(guó)家。日本的整體能源戰(zhàn)略目標(biāo)更傾向于創(chuàng)造“氫能社會(huì)”,并計(jì)劃到2030年將氫能在能源結(jié)構(gòu)中的占比提升至11%,尤其要強(qiáng)化氫能在汽車、家庭、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  日前,日本政府正考慮制定新戰(zhàn)略,計(jì)劃在未來15年內(nèi)吸引約15萬(wàn)億日元(約合1130億美元)公共和私人投資,加快氫能發(fā)電商業(yè)化進(jìn)程。

  相比之下,中國(guó)的氫能源建設(shè)起步稍晚,但此次固態(tài)氫能發(fā)電并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)在氫能利用的關(guān)鍵技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)反超。預(yù)計(jì)2025年,全國(guó)將建成加氫站1002座,推廣氫燃料車54800輛。在更長(zhǎng)遠(yuǎn)的設(shè)想中,鎂基儲(chǔ)氫還將推動(dòng)民用氫能源車的發(fā)展,顛覆當(dāng)前新能源車的競(jìng)爭(zhēng)格局。

  但當(dāng)前,鎂基儲(chǔ)氫技術(shù)在控制儲(chǔ)放氫的能量損耗和成本方面還存在難點(diǎn)。固態(tài)氫能發(fā)電方面,固態(tài)氫電極的制備工藝還需要進(jìn)一步完善,固態(tài)氫質(zhì)子導(dǎo)體的性能也需要不斷提升。具體到氫能車方面,小型化也是一個(gè)需要時(shí)間解決的問題。相信在后續(xù)密集的商業(yè)化試煉中,氫能有望登上更廣闊的舞臺(tái)。(動(dòng)點(diǎn)科技)


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