氫能在電力與設(shè)備的應(yīng)用分析報告
更新時間：2021-08-11 點擊量：2163
碳中和背景下，氫氣能源屬性有望逐漸顯現(xiàn)
隨著近年來全球主要經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)提出長期碳中和目標(biāo)，預(yù)計氫氣的能源屬性將逐漸顯現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩酵卣怪岭娏Α⒔煌ā⒔ㄖ葓鼍啊?/span>
近年來，全球主要經(jīng)濟(jì)體陸續(xù)提出氫能發(fā)展規(guī)劃與目標(biāo)，將氫能的發(fā)展上升至戰(zhàn)略高度。美國能源部2020年底發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展計劃，從技術(shù)、開發(fā)、應(yīng)用等多個角度對氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計到2050年氫能在美國能源消費(fèi)總量中的占比可達(dá)到14%。歐盟則于2020年8月提出氫能發(fā)展戰(zhàn)略，重點發(fā)展可再生能源制氫，計劃在2024/2030年前部署6/40GW以上的可再生能源電解水制氫設(shè)備，分別實現(xiàn)可再生能源制氫量100/1000萬噸。我國的《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中也將氫能和儲能列入前瞻謀劃的未來產(chǎn)業(yè)，未來將重點進(jìn)行發(fā)展布局。目前成熟的制氫手段主要包括化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫以及電解水制氫三種。雖然通過碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過程中產(chǎn)生的碳排放，但長期來看只有可再生能源電解水制備的“綠氫"才能實現(xiàn)真正的零碳排放。目前可再生能源制氫占比較小，化石能源制氫仍是主要的氫氣來源。在“富煤、貧油、少氣"的能源結(jié)構(gòu)下，目前國內(nèi)煤制氫的占比超過60%，電解水制氫的比例則不到2%。因此，可再生能源制氫仍然任重道遠(yuǎn)，未來的發(fā)展空間巨大。2.成本是制約可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的主要因素目前可再生能源制氫的成本仍然較高。全球范圍內(nèi)，化石能源制氫的成本基本低于2美元/kg，而電解水制氫的成本則通常高達(dá)4-5美元/kg。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的條件尚不具備。電費(fèi)與設(shè)備投資是可再生能源電解水制氫主要的成本構(gòu)成。理論上，電解水產(chǎn)生1kg氫氣所需的耗電量約為30kWh，當(dāng)前電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率一般為60%上下，因此實際的耗電量大致為50kWh/kg左右。對不同電價與設(shè)備投資成本下電解水制氫的成本進(jìn)行了測算，結(jié)果表明即便不考慮其他費(fèi)用，在大多數(shù)情況下電解水制氫的成本都超過2美元/kg，明顯高于化石能源制氫的成本。1.氫能有望成為長時間、跨區(qū)域儲能的長期方案長期來看，氫能有望成為一種重要的電力儲能形式。無論是在時間維度還是空間維度，未來儲能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景都將更為豐富，儲能的形式也將更加多樣化。氫儲能主要適用于長時間、跨區(qū)域的儲能場景。首先在儲能時長上，氫儲能基本沒有剛性的儲存容量限制，可根據(jù)需要滿足數(shù)天、數(shù)月乃至更長時間的儲能需求，從而平滑可再生能源季節(jié)性的波動。此外，氫能在空間上的轉(zhuǎn)移也更為靈活，氫氣的運(yùn)輸不受輸配電網(wǎng)絡(luò)的限制，可實現(xiàn)能量跨區(qū)域、長距離、不定向的轉(zhuǎn)移。后，氫能的應(yīng)用范圍也更為廣泛，可根據(jù)不同領(lǐng)域的需求轉(zhuǎn)換為電能、熱能、化學(xué)能等多種能量形式。氫儲能與電化學(xué)儲能的互補(bǔ)性強(qiáng)于競爭性。氫儲能在能量密度、儲能時長上具有較大優(yōu)勢，在能量轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度等方面則相對較差。因此氫儲能與電化學(xué)儲能并不是非此即彼的競爭關(guān)系，而是互為補(bǔ)充，共同支撐未來電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。隨著技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)規(guī)模提升，未來新能源的發(fā)電成本仍有較大下降空間。2021年6月，國內(nèi)光伏項目的中標(biāo)電價創(chuàng)下新低，四川甘孜州正斗一期200MW光伏基地的中標(biāo)電價僅為0.1476元/kWh。除了新能源整體發(fā)電成本的降低，未來電力市場中的峰谷價差也將持續(xù)拉大，電解水制氫將有更多可利用的低電價時段。隨著新能源發(fā)電占比的上升，未來電力供給的不穩(wěn)定性將持續(xù)上升，電力市場中價格的波動范圍也將擴(kuò)大。對于氫儲能而言，季節(jié)性的電價波動將帶來潛在的跨期套利空間，長期來看可再生能源制氫的經(jīng)濟(jì)性存在較大的提升空間。未來，風(fēng)電與光伏的棄電將成為電解水制氫重要的電力來源。在以可再生能源為主體的電力系統(tǒng)中，為了保證穩(wěn)定的電力供應(yīng)，裝機(jī)的冗余程度將明顯加大，因此長期來看棄風(fēng)、棄光電量將不可避免地上升。未來，棄風(fēng)棄光電量的消納將成為氫儲能的重要應(yīng)用場景，這部分*甚至負(fù)成本的電量可作為電解水制氫的重要電力來源。堿性水電解與質(zhì)子交換膜水電解是當(dāng)前主流的電解水制氫方式。目前堿性水電解與PEM的產(chǎn)業(yè)化程度相對較高，前者的優(yōu)勢在于技術(shù)成熟、成本低，但快速啟動與變載能力相對較差；后者的優(yōu)勢在于效率高，運(yùn)行靈活，與風(fēng)電、光伏的適配性更佳，但當(dāng)前的成本仍然較高。電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心部分。電解水制氫系統(tǒng)由電解槽及輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽是電解反應(yīng)發(fā)生的主要場所。從成本構(gòu)成來看，電解槽在制氫系統(tǒng)總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及氫氣收集系統(tǒng)也在總成本中占據(jù)較高的比例。通過材料與設(shè)計的優(yōu)化，未來電解槽的成本與性能有較大提升空間。目前堿性水電解槽的技術(shù)已較為成熟，主要成本為隔膜與電極（鍍鎳不銹鋼），后續(xù)主要的降本路徑為開發(fā)厚度更薄、電導(dǎo)率更高的新型隔膜，與此同時提升電極與催化劑在堿性環(huán)境中的壽命。2050年堿性水電解槽與PEM電解槽的成本有望達(dá)到100美元/kW以下，較當(dāng)前水平下降60%以上。除了技術(shù)層面的進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)化程度的提升也將對電解水制氫系統(tǒng)成本的降低產(chǎn)生積極貢獻(xiàn)。一方面，隨著設(shè)備單體規(guī)模的擴(kuò)大，電力轉(zhuǎn)換、氣體處理等模塊的單位成本將被攤薄；另一方面，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大也將降低單臺設(shè)備分?jǐn)偟闹圃熨M(fèi)用。參照光伏、鋰電池行業(yè)的發(fā)展歷程，隨著規(guī)模與產(chǎn)業(yè)化程度的提升，電解水制氫設(shè)備的平均成本有望進(jìn)入快速下降通道。綜上，電費(fèi)成本的降低與設(shè)備端的降本增效將共同推動氫儲能經(jīng)濟(jì)性的提升。2030年全球范圍內(nèi)可再生能源電解水制氫的平均成本將降至2.3美元/千克，與2020年5.4美元/千克的水平相比下降超50%。而在一些風(fēng)力、太陽能資源較好的地區(qū)，可再生能源電解水制氫的成本將低至1.4美元/千克，達(dá)到與化石能源制氫成本相當(dāng)?shù)乃健?/span>
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