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涂正凱:氫能高載能、多用途、零排放,能源版圖里占有重要地位

2020-09-27 16:09  來源:能見App  瀏覽:  

9月27日,由國家電網有限公司發起成立的中國綜合能源服務產業創新發展聯盟、中電聯售電與綜合能源服務分會聯合舉辦的中國綜合能源服務產業高峰論壇暨云博會在北京釣魚臺國賓館隆重召開。

當天下午,在“儲能與綜合能源服務”分論壇上,華中科技大學研究院、教授發表了主旨演講。他表示,氫能作為可再生能源的話,有高載能、多用途、零排放,將來能源版圖里邊占有很重要的地位。

“以后整個能源網絡有可能有一個電網、還有一個氣網,所以氫能在能源綜合利用方面是很好的補充。”涂正凱說。

他還稱,到2022年,國內氫氣市場規模將突破100億左右。但目前,制氫行業主要集中天然氣制氫、甲醇制氫、煤電廠制氫,對于電解水制氫沒有廣泛的推廣和應用。

 

以下是演講實錄:

我匯報題目是《制氫及燃料電池發電技術》,我匯報分五個方面。

一、制氫發電技術

剛才裴總從大的方面講儲能發展和目標,我們從小的方面就是氫能電池角度談一談,在整個電力系統或者綜合能源的作用。氫能是綠色能源,在電力轉化以及電力脫炭方面有非常重要的作用,所以各國都制定相應的政策推動氫能發展。

為什么講氫能?因為這是全球趨勢,由于停電造成的損失,包括傳統集中式的能源管理方法與分布式能源管理模式的沖突,再有傳統的柴油機碳排放、還有分布式能量管理的問題,所以氫能是很好的補充作用。

那么氫能作為可再生能源的話,有高載能、多用途、零排放,將來能源版圖里邊占有很重要的地位,而且可再生能源不再依靠單獨的電網,以后整個能源網絡有可能有一個電網、還有一個氣網,所以氫能在能源綜合利用方面是很好的補充。

國內到2022年,整個氫氣市場規模將突破100億左右,但是目前制氫行業主要集中天然氣制氫、甲醇制氫、煤電廠制氫,對于電解水制氫沒有廣泛的推廣和應用,一方面陸上風電、海上水電,主要電解水制氫存在技術瓶頸,海上如果大規模直接制氫是重要的方向,目前受到技術限制,電解效率非常低。

燃料電池它是一種將儲存化學能轉化電能的裝置,原料就是氫,把氫氣中的化學能轉化電能,陰極是空氣,陽極就是氫氣,根據工藝大小分類可以分為便捷式、固定式、移動式,應用場合也不一樣的。

燃料電池目前主要問題還是我們關鍵材料、關鍵零部件與國際上有很大的差距,首先質子交換膜,“十二五”是1200毫安,到“十三五”末做到1600毫安,發電功率有很大的提升,也可能造成電池成本大幅下降;

另外就是催化劑,燃料電池目前商業化就是火碳,如果低鉑等是方向;第三是氣體擴散層,也是“十四五”重要的突破口;第四雙極板,組合氣體同時對外集流,現在主打產品是石墨板,現在可以做到和日本工藝密度相當的雙極板結構;最后是空壓機,現在90%以上都是進口。

燃料電池確實存在很多期待突破的關鍵技術,但是從十五到十三五,燃料電池整體有很成熟的進步,而且成本可以做到3000—4000美元。燃料電池第一高效、第二清潔、第三安全、第四無污染,所以應用場合非常廣泛,對于城市分布式能源、包括軍用電源、包括交通領域、數字中心、通訊基站備用電源、以及偏遠山區分布式供能,都是燃料電池可以發揮很好作用的場合。

燃料電池2019年出貨量突破1100兆瓦,出貨量里邊電池主要分三個領域,便捷式、固定式、交通領域,其實臺套來說交通領域不占多數,但是交通領域單電池體量比較大,每個都是百兆瓦以上,所以占主導作用。

二、燃料電池分布式發電技術

燃料電池有那么多優點,主要應用場合第一個就是分布式發電技術。對于分布式發電技術,燃料電池優勢是哪些?

主要包括 1、模塊化和可擴展;2、易安裝和環境友好;3、用戶獨立供電;4、良好的調峰作用;5、零排放;6、工作的時候噪音低。

燃料電池實際上有很多種類,現在最常用的兩個,第一個PEMFC,一個是SOFC,PEMFC工作溫度70-50度,SOFC工作溫度700度,工作溫度不一樣決定工作模式不一樣,對于SOFC一般固定電站,因為對壽命造成很大的影響。

有了燃料電池以后,可以把傳統的電網和新網有機結合起來,能源或者太陽能發電,第一部分解決住宅居民用電、第二可以返回電網,燃料電池對于電網大規模調節有很好的補充作用。

燃料電池它用的氫,生成是水,這個水又是我們電網電解主要的來源,所以將來與傳統電網相比的話,我們如果組建由電變氣,以及氣變電兩種模式,可以把傳統電網和氣網有機結合在一起,將分散、分布式電源相互協調起來,保證電網可靠性和安全性。

對于電解來說舉一個例子,1兆瓦輸出燃料電池系統占地面積很小大概12米左右、高13米左右,長4米左右,而且總重量35-100噸左右。如果電解和供電全部加在一起,16兆瓦是30兆帕和50兆帕,現在可以做到150兆帕,總共面積650平方米,非常小的體積,所以燃料電池體積密度很高的。除了可以用風電也可以碳電,燃料電池需要場景400米。

三、燃料電池分布式良好補充

分布式能源在美國、日本、丹麥、德國等國家得到廣泛應用,而且分布式能源是我國重要的保障,我國發改委、能源局都制定相關政策推動分布式能源的發展。我國分布式能源發展現狀,前面很多專家都提到,實際上到2019年突破4000萬千瓦時,在可再生能源里邊主要一部分就是燃料電池,最有代表性是日本,2018年已經突破25萬臺套,到2030年目標想做到530萬臺套,對于燃料電池分布式比例和市場前景,不管國內還是國際一致看好。

目前中國燃料電池主要沿海地區,燃料電池從舊基建到新基建非常廣泛的應用,5G、數據中心、人工智能、工業互聯網、包括軌道交通,能源里邊有燃料電池汽車充電樁,燃料電池在新基建方面發揮重要的作用。

特別是中心基站,由4G向5G發展,2009年的時候是2000千瓦,如果升成5G可能10萬千瓦以上,以前燃料想氫從哪里來?現在可能風電、光電補充,也可以波谷進行補充,燃料電池在通訊基站應用以后,壽命比較長一般10-15年,而且可以遠程監控,監測氫氣產品剩余壓力,就可以及時補充氫氣。

實際上2009年和中國移動首先示范兩臺,運行兩年燃料電池狀態還非常良好,通過燃料電池遠程監控模式的話,以前每個基站一到兩個人,現在一個人可以管幾萬的基站,全程遠程監控,大大節省人力成本。

燃料電池在數據中心應用,大規模應用有供電的問題,今年科技部也列了一個重大專項,解決燃料電池用它用于熱電聯供,我們單位把這個項目拿下來,想做兩個示范,第一個珠海做數據中心3000千瓦,第二個新奧在北方做30千瓦熱電聯供,兩套燃料電池。燃料電池可以回歸電網,和光伏、儲能、充電樁有機結合起來,也是有效的儲能原件。

作為我們民用來說,燃料電池在江蘇、上海都有一些新能源小鎮的示范項目,這里邊很大一部分就是氫,2008年李克強總理到德國的時候,當時德國大規模風光氫去哪里?50%以上是氫,第一熱度比較高、第二碳排放比較少,大規模風光以后氫去哪?第一進到天然氣網,我國有示范,新加坡可以到15%,我國現在不到5%,如果大規模電解氫第一可以進入天然氣管網。

我們家電應用熱電聯供,相當于氫電池綜合能源分布,主要兩個燃料電池模式,目前對CCHP技術有比較多的困難,第一個LNG技術,系統集成上邊需要進一步突破;第二燃料電池大規模示范比較少,目前燃料電池與熱電聯供能量管理模式還需要進一步突破,這是我們燃料電池分布式能源里邊遇到的問題。

四、氫氧燃料電池技術

氫氧燃料電池也是一種,原來用的是空氣,為什么談氫氧?氧氣來源于電解的氧氣,用在儲能罐里邊,為什么氫氧重要性比較高?以前沒有大規模分裝電解水,現在如果電解水以后,電解水陽極反過來是氧氣、氫氣,正好比例可以為燃料電池發電,實際上理論可以做到完全閉合,就是電解水生成氫和氧,氫和氧形成水,水又回到電解槽,完全閉合。

燃料電池有區別,第一個壽命區別,最大問題水管理造成的問題,氫氧和氫風最大區別,氫氧需要生成氧氣排,有很多技術需要突破,2010年做到現在有很多問題許多突破,優勢把電解水完全消了,不需要外邊空氣,對外界空氣影響比較小,可以在海島地方直接埋地下不受空氣環境影響,第二個燃料電池水如果回收的話,它不需要水可以無人值守,第三沒有氫氣排放,也就沒有安全隱患。所以燃料電池如果把電解水和氣體全部密閉循環的話,就可以不受自然災害、空氣污染的影響,而且任何地方都可以運行,所以將來電解水大規模推廣一個非常重要的燃料電池技術。這是我全部匯報,謝謝大家!

(根據演講速記整理,未經演講人審核)

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