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关于“绿色氢气”,你想知道的都在这里了

2020-5-20 11:29| 查看: 1564| 评论: 0

众所周知,气候变化、全球变暖是全球面临的重大危机,减少碳排放、降低碳化石能源使用比例,积极发展清洁能源、可再生能源是大家达成的共识,其中发展氢能也是能源转型技术路线之一。早在2006年,我国长期的科学发展纲要里面就对氢能进行了规划,后来中国制造2025国家节能与新能源汽车路线图上也把氢能源和燃料电池汽车作为了一个发展的主要方向,随后在2016年国家发改委、能源局联合印发的能源技术革命创新行动计划里,也包括了氢能和燃料电池应用。特别是2019年的两会,总理在政府工作报告里面明确了“推动充电、加氢等设施建设”,更是掀起了国内氢能发展的高潮。

本号也早已关注氢能利用,推出多篇风电和氢能的结合利用、“绿色氢气”的文章。在今年1月阿布扎比举行的IRENA大会上,一个小组讨论认为“绿色氢气”可能是未来五年制氢方式中最环保、最有前景的,本号也认为发展“绿色氢气”大有可为。不过说得这么热闹,什么是“绿色氢气”呢?氢气怎么用呢?未来前景如何呢?今天我们来探讨一下。


1、认识氢气

氢气是无毒、无色气体,它是最地球上丰富的元素。据估计,氢原子约占宇宙总质量的四分之三。氢气除了用于我们所了解发电、交通燃料等方面外,它还被广泛用作炼油,氨和甲醇生产以及钢铁制造中。每年全球对氢气的需求为7000万吨。随着未来氢能利用终端的增加,预计对于氢气需求量还有增长空间。

氢是如何产生的?

地球上没有天然氢沉积物,必须通过化学方法将其从其他化合物中提取出来,主要有甲醇制氢、水电解制氢、天然气制氢三种制氢方式。当前,绝大多数工业氢是通过称为蒸汽甲烷重整(SMR)的过程从天然气中产生的。

小知识:

SMR:天然气制氢,又名烃类蒸汽重整制氢技术(Steam Methane Reforming),是在催化剂作用下,将天然气中烃类成分与蒸汽反应,生成含氢混合气,并经过一系列的换热冷却,最终与杂质气体进行分离得到满足用户要求纯度氢气的过程。变压吸附技术(Pressure Swing Adsorption),是根据不同吸附剂在不同压力下对不同气体的吸附能力的不同而对吸附氢气中的杂质气体,最终进行提纯氢气的技术。甲烷蒸气重整制氢(SMR)方程式如下


由于这类氢主要通过碳氧化合物生产,即天然气和煤炭,因此,生产过程中会产生大量的温室气体——二氧化碳,对环境不友好。因此这种方式生产的氢气也被称为棕色、灰色或者蓝色氢气。据统计,2017年,全球氢气生产二氧化碳排放量超过了整个德国和全球航运业的排放。

2017年按国家的二氧化碳排放量(百万吨二氧化碳/年) 

此外,鲜为人知的是,甲烷本身造成全球变暖潜力是二氧化碳的85倍,因此,SMR工艺从其来源直至整个过程的任何少量气体泄漏也是造成气候变化的重要因素。使用SMR工艺制氢对环境影响很大。


2、“绿色氢气”

除了上面说的制氢工艺,氢气也可以通过电解水(使用电流将水分解为氢和氧)来产生。任何资源生产的电力都能用来电解水制氢气,如果此时使用的电能是由可再生能源(例如太阳能或风电)产生的,在生产过程中将基本上不会产生温室气体,因此我们把这种方式生成的氢气叫“绿色氢气”。可再生能源电解制氢过程示意图如下:

通过可再生能源进行电解制氢的过程

和传统的制氢方式相比,“绿色氢气”有几个突出优点:
  1. 生产的原材料是”绿色的“,不论水还是用来发电的可再生能源,对环境友好
  2. 电解水制氢只会生成氢气和氧气,也不会产生碳氧化合物对环境造成污染
  3. 可以解决可能生能源发电过剩、发电间歇性的困境
  4. 制氢用的原料水,可以说是”无穷无尽“的


3、为什么发展”绿色氢气“

到2019年底,全球太阳能光伏和风能的累计装机容量约为1251吉瓦,到2024年,这一数字将翻一番。随着可再生能源装机容量的激增,它们已经,并且将继续变得越来越便宜。如,美国是世界第二大太阳能市场,目前购电协议(PPA)普遍低于每兆瓦时(MWh)25美元。在全球范围内,我们通常会看到最低PPA的记录。

2009年12月-2019年上半年全球太阳能PV PPA价格

可再生能源发电间歇性问题再加上PPA价格下降,导致在某些情况下可再生能源电力价格为负。但是,”绿色氢气“可帮助缓解甚至解决其中的一些问题。”绿色氢气”与可再生能源配合可以弥补发电间歇的问题,起到”削峰填谷”作用,保障电网的安全运行。此外,可再生能源生产的氢气也可以在大型罐中长期存储,以便出售给工业应用,或者作为居民终端燃料使用。为太阳能和风电项目提供额外的盈利机会。

未来增长

尽管”绿色氢气“目前缺乏成本竞争力,但预测将来仍将是一个增长的市场。 这也是为什么看到某国虽然退出巴黎协定,但还是要支持”绿色氢气”的原因。整体来看,从2000年到2019年底,共部署了253兆瓦的绿色氢气项目。但到2025年,全球范围内将会再部署3205 兆瓦的绿色氢气项目,较此前增长了1272%。

2020年至2025年项目总装机容量(MW)



4、结语

虽然过去几年,“绿色氢气”市场规模较小、成本较高,但是未来在东亚地区以及国际投资者的推动下,将促成2019-2025年市场规模大幅地增长。到2025年,尽管“绿色氢气”的竞争力如何还不好预测,但是随着一些重点、试点项目的上马,以及今后项目规模化的发展将助力“绿色氢气”成本下降,挑战现有传统能源的主导地位。

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