推動富余水電制氫 促進綠色低碳發(fā)展

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推動富余水電制氫促進綠色低碳發(fā)展　　摘要：當(dāng)前，我國可再生能源棄電嚴(yán)重，尤其是每年存在大量富余水電得不到消納，嚴(yán)重影響我國清潔能源的健康發(fā)展。氫能作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗灰曌鹘鉀Q未來人類能源危機的終極方案。2019年我國將氫能源首次寫入政府工作報告，要求推動加氫等設(shè)施建設(shè)。基于此，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司（以下簡稱“大渡河公司”）積極響應(yīng)國家號召，在國家能源集團指導(dǎo)和地方政府、相關(guān)單位支持下，正積極開展富余水電制氫項目的研究與應(yīng)用。大渡河公司將充分發(fā)揮自身作為水電能源供應(yīng)端的優(yōu)勢，依托氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機，力求服務(wù)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級，打造創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商，促進地方綠色低碳發(fā)展?！　?引言　　當(dāng)前，我國能源結(jié)構(gòu)面臨深刻調(diào)整，應(yīng)對氣候變化進入歷史性新階段，推動節(jié)能減排刻不容緩。我國提出到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降60%~65%。因此，未來中國將進一步提高可再生能源比重，努力打造綠色低碳的現(xiàn)代能源體系?！犊稍偕茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求2020年和2030年非化石能源占一次能源消費比重分別達到15%和20%的目標(biāo)[1]。　　隨著可再生能源裝機容量不斷增長，我國面臨越來越嚴(yán)峻的棄風(fēng)棄光棄水問題。從2016年到2018年，我國每年可再生能源棄電量均超過1000億kWh。2016年以來隨著多種新能源消納舉措的實施，棄風(fēng)棄光有所緩解，但棄水的形勢依然嚴(yán)峻。2018年全年棄水量691億kWh，較2017年高176億kWh[2]。因此，富余水電的消納存儲依然是當(dāng)前我國能源健康發(fā)展亟待解決的重要難題。12

1　　四川大渡河流域當(dāng)前也面臨比較嚴(yán)重的棄水問題，2017年大渡河公司所屬水電站棄水電量為120億kWh，到2018年上升到125億kWh。而且水電所呈現(xiàn)的季節(jié)性波動，規(guī)模大，時間長，傳統(tǒng)的儲能技術(shù)難以消納。基于此，大渡河公司提出“推動富余水電制氫，打造創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商”，旨在將富余水電通過高效的電解制氫技術(shù)轉(zhuǎn)化為氫能，從而實現(xiàn)富余水電的消納和長周期大規(guī)模存儲，并充分發(fā)揮大渡河公司的清潔水電優(yōu)勢，構(gòu)建氫能“源端”經(jīng)濟，服務(wù)氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，同時借助國家能源集團在化工領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)建“綠色化工產(chǎn)業(yè)”。最終，推動公司從傳統(tǒng)電力公司向創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。　　1大渡河水電現(xiàn)狀與富余水電制氫　　1.1我國可再生能源棄電現(xiàn)狀　　近年來，我國可再生能源裝機容量不斷增長，但受限于經(jīng)濟增長速度放緩，可再生能源發(fā)電設(shè)備平均利用小時數(shù)不高，棄風(fēng)棄光棄水居高不下。在2016年以前，新能源棄電現(xiàn)象呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，2017年與2018年的新能源總體棄電量相對有所緩解。盡管如此，2018年我國可再生能源棄電量依然高達1020億kWh，超過了三峽電站的總發(fā)電量，如圖1所示[3-6]。其中，全年棄水電量691億kWh，較2017年高176億kWh。大規(guī)?？稍偕茉矗绕涫撬姼挥嚯娏康南{存儲依然是當(dāng)前我國能源健康發(fā)展亟待解決的重要難題?！　?.2大渡河水電現(xiàn)狀12

2　　大渡河公司是國家能源集團所屬最大水電開發(fā)公司。公司主要負(fù)責(zé)大渡河干流17個梯級和西藏帕隆藏布流域共約3000萬kW水電資源開發(fā)，目前投產(chǎn)裝機1174萬kW，裝機容量約占四川省統(tǒng)調(diào)水電總裝機的1/4。大渡河流域在我國十三大水電基地中位居第五。由于電源點距四川負(fù)荷中心較近，被譽為四川水電“一環(huán)路”?！　〈蠖珊庸井?dāng)前也面臨比較嚴(yán)重的棄水問題。一方面大渡河公司裝機規(guī)模持續(xù)增加，發(fā)電量逐年上升，另一方面富余電量也不斷增長，如圖2所示。加之水電所呈現(xiàn)的季節(jié)性波動規(guī)模大、時間長，傳統(tǒng)的儲能技術(shù)難以消納。如果能將富余水電用于制氫，也就是將不易大規(guī)模儲存的富余電能轉(zhuǎn)化為容易大規(guī)模儲存的氫能或者進一步轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)能的形式，便可以變廢為寶，完成能量的“乾坤大挪移”，實現(xiàn)富余電力的大規(guī)模、跨季度存儲?！　‘?dāng)前主流的電解水制氫技術(shù)每標(biāo)方氫氣消耗電量約5kWh，125億kWh電制氫規(guī)模約為25億標(biāo)方。如果氫氣價格按照1.6元/標(biāo)方計算，相當(dāng)于可增加40億元人民幣的產(chǎn)值?！　?.3世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀與前景　　當(dāng)前全世界發(fā)達國家均高度重視氫能發(fā)展。截至2018年，全球擁有加氫站369座，同比增加12.5%。其中，日本、德國和美國位居前三甲，中國排名第四。其中日本96座、德國60座、美國42座、中國23座、法國19座、英國17座、韓國14座、丹麥11座。12

3　　全球燃料電池的裝機容量也在過去5年直線增長，如圖3所示[7]。從2014年接近200MW，到2018年全球燃料電池的裝機量增長了3倍，達到約800MW，其中北美燃料電池安裝9800套，裝機容量達415MW；亞洲燃料電池安裝55300套，裝機容量達340MW；歐洲燃料電池安裝8600套，裝機容量達43MW?！　∪蛑饕l(fā)達國家從資源、環(huán)保等角度出發(fā)，都十分看重氫能的發(fā)展。世界氫能發(fā)展前景廣闊，具有巨大想象空間。圖4為對未來世界氫能發(fā)展的預(yù)測。2015年，世界氫能為8EJ（1EJ=2780億kWh），預(yù)計到2030年，將增加約1倍，達到15EJ，從此氫能將迅速增長，到2050年，增長到2015年的10倍，達到80EJ，屆時氫能占全球能量消耗的13%，年減排CO275億t，進入“氫能經(jīng)濟”時代。12

4　　為促進氫能技術(shù)在全球能源轉(zhuǎn)型中的作用，遏制全球變暖，2017年，國際氫能委員會于達沃斯世界經(jīng)濟論壇成立。目前成員除各大汽車制造商之外，還包括能源及油氣公司英美資源集團、法國液化空氣集團、殼牌、挪威國家石油等知名集團。中國共有5家企業(yè)入會，分別是國家能源集團、長城汽車、濰柴動力股份有限公司、中國石油化工股份有限公司、國鴻重塑科技?！　?.4我國氫能發(fā)展政策　　我國政府近幾年高度重視氫能發(fā)展，出臺了一系列支持氫能發(fā)展的政策。2014年6月國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》[8]，將“氫能與燃料電池”作為能源科技創(chuàng)新戰(zhàn)略方向。2016年出臺了《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書（2016）》[9]，規(guī)劃到2020年，加氫站達到100座，行業(yè)總產(chǎn)值達3000億元，2030年，加氫站達1000座，燃料電池汽車達到200萬輛，總產(chǎn)值達到10000億元。同年11月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[10]，提出系統(tǒng)推進燃料電池汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，到2020年，實現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用。2017年發(fā)布《促進燃料電池中長期發(fā)展的政策體系》，明確大力發(fā)展氫燃料電池產(chǎn)業(yè)，促進氫燃料電池在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年2月，我國財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展和改革委員會等四部委發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》推出財政補貼政策，給予小型、輕型、大型燃料電池車補貼20萬元/臺、30萬元/臺、50萬元/臺、加氣站400萬元/個補貼。2019年將氫能源首次寫入政府工作報告，要求推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)[11]?！　∨c此同時，全國各地積極響應(yīng)國家號召，出臺了相應(yīng)的氫能發(fā)展支持政策。近年來四川省也高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定并出臺了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃。2017年《四川省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》提出建設(shè)水電解制氫系統(tǒng)、“天然氣-氫氣”一體化燃料加注站、制氫儲氫用氫設(shè)施，進行氫能綜合利用的低碳交通示范運營[12]。2018年四川省發(fā)展和改革委員會提出“對電解氫等綠色高載能產(chǎn)業(yè)，輸配電價比照藏區(qū)留存電量輸配電價每千瓦時0.105元收取，到戶電價實現(xiàn)每千瓦時0.30元左右水平。”12

52019年制定《成都市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2019—2023年）》規(guī)劃推廣燃料電池汽車5000輛以上，建設(shè)燃料電池有軌電車示范線2條；建設(shè)覆蓋成都全域的加氫站30座以上[13]。　　1.5大渡河公司的社會義務(wù)　　當(dāng)前，我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整面臨以下挑戰(zhàn)。其一，我國于2016年加入《巴黎氣候變化協(xié)議》，提出到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降60%~65%。其二，我國天然氣嚴(yán)重依賴進口，2018年我國天然氣進口量約為1254億m3，面臨巨大的能源安全風(fēng)險。其三，可再生能源面臨嚴(yán)峻的棄風(fēng)棄光棄水問題。從2016年到2018年，我國每年可再生能源棄電量連續(xù)3年超過1000億kWh?！　∽鳛榇笮脱肫?，開展水電制氫項目具有很大的現(xiàn)實意義：首先，當(dāng)前社會面臨嚴(yán)峻的環(huán)境問題，城市霧霾要求大力發(fā)展清潔能源，巴黎協(xié)定的承諾要求積極推動節(jié)能減排。第二，我國當(dāng)前面臨能源結(jié)構(gòu)的深刻調(diào)整，供能端要求用清潔能源替代，用能端鼓勵電能替代，化石能源積極向可再生能源過渡。第三，我國面臨大規(guī)模可再生能源消納的難題，而電轉(zhuǎn)氣技術(shù)有望從根本實現(xiàn)富余電力的大規(guī)?？缂径认{，有助于打造能源源端經(jīng)濟，服務(wù)綜合能源產(chǎn)業(yè)鏈。最后是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫能產(chǎn)業(yè)處于市場推廣階段，基礎(chǔ)設(shè)施有待完善，推動氫能產(chǎn)業(yè)的布局與落地有重大的社會意義?！　』谏鲜霰尘胺治?，大渡河公司在國家能源集團指導(dǎo)下，在地方政府及相關(guān)單位支持下，正積極開展水電制氫項目研究與應(yīng)用。目前大渡河公司正與有關(guān)高校努力開發(fā)高效的電解水制氫裝置，積極構(gòu)建氫能“源端經(jīng)濟”，并借助國家能源集團煤化工的優(yōu)勢推動“綠色化工產(chǎn)業(yè)”，構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，而且在業(yè)界率先提出打造“川西氫能天路”，以最終實現(xiàn)向創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型的目標(biāo)?！　?打造創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商　　2.1開發(fā)高效的電解水制氫裝置　　水電制氫項目的技術(shù)關(guān)鍵是開發(fā)高效的電解水制氫裝置。電解水制氫技術(shù)目前主要有3種方式：（1）堿性電解技術(shù)；（2）質(zhì)子交換膜電解技術(shù)；（3）固體氧化物電解技術(shù)，見表1[14-15]。12

6　　堿性電解技術(shù)（AEC）是現(xiàn)有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水電解技術(shù)。該技術(shù)起始于20世紀(jì)20年代，發(fā)展最為成熟，擁有相對成熟的堆疊組件，并且避免了貴金屬的使用，從而投資成本相對較少。但是堿式電解技術(shù)低電流密度和低功率密度的問題增加了系統(tǒng)尺寸和制氫成本。此外，該技術(shù)動態(tài)響應(yīng)水平有限，頻繁啟動和變化的功率輸入可能會對系統(tǒng)效率和氣體純度產(chǎn)生負(fù)面影響。堿式電解技術(shù)開發(fā)的重點是增加電流密度，工作壓力以及優(yōu)化設(shè)計動態(tài)操作的系統(tǒng)，以便使用可再生能源進行電解水制氫?！　≠|(zhì)子交換膜電解技術(shù)（PEM）是基于固體聚合物電解質(zhì)的電解水制氫技術(shù)。該技術(shù)最早于20世紀(jì)60年代由通用電氣首次引入以克服AEC的缺點，因此，該技術(shù)不如AEC成熟，目前主要用于小規(guī)模制氫。該技術(shù)主要優(yōu)點是高功率密度和電流密度，能提供高壓的純氫，操作靈活。缺點是使用昂貴的鉑催化劑和氟化膜材料導(dǎo)致投資成本較高。由于操作壓力高和進水純度高，PEM電解水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前比AEC使用壽命短。因此，當(dāng)前的PEM開發(fā)重點是降低系統(tǒng)復(fù)雜性，開發(fā)更便宜的材料和更簡易的堆疊工藝，從而擴大系統(tǒng)規(guī)模和降低投資成本。12

7　　固體氧化物電解技術(shù)（SOEC）是目前正在大力開發(fā)的一種電解技術(shù)。它尚未廣泛商業(yè)化，但系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室規(guī)模上得到驗證和示范，目前正致力于將這項技術(shù)推向市場。SOEC使用固體氧化物氧離子導(dǎo)電陶瓷作為電解質(zhì)，可在高溫下運行。它擁有以下潛在的優(yōu)勢：能量轉(zhuǎn)換效率高，材料成本低，可同時作為燃料電池運行，可用于水蒸汽和二氧化碳共電解生成合成氣。該技術(shù)面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是高溫對電池材料和組堆工藝要求很高。因此，目前SOEC的研究重點是提升現(xiàn)有的組件材料性能，開發(fā)新型材料，以及新型組堆工藝并將操作溫度適當(dāng)降低，從而實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用?！　OEC能量轉(zhuǎn)換效率高，材料成本低，還可同時作為燃料電池運行，并可用于水蒸汽和二氧化碳共電解生成合成氣。目前大渡河公司和所屬的新能源公司正在與清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院合作開發(fā)新型固體氧化物電解系統(tǒng)。　　2.2構(gòu)建氫能“源端經(jīng)濟”　　大渡河公司將利用富余水電制氫，構(gòu)建了氫能“源端經(jīng)濟”。氫能產(chǎn)業(yè)包含制氫，輸氫，用氫等環(huán)節(jié)，消耗氫能產(chǎn)生的水又可以循環(huán)用于水力發(fā)電，因此，可以構(gòu)建以氫能為媒介的循環(huán)經(jīng)濟，如圖5所示。大渡河水電制氫項目可以為氫能全產(chǎn)業(yè)鏈提供清潔的電力與氫氣資源，有助于構(gòu)建清潔的循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈?！　〈蠖珊铀娭茪涞囊粭l技術(shù)路線是從發(fā)電側(cè)制氫，將電解水制氫站建設(shè)在水電站附近，就近消納水電，產(chǎn)生的氫氣通過加壓儲存，通過拖車運輸至加氫站，供燃料電池汽車等使用。另一條技術(shù)路線是從需求側(cè)制氫，將電解水制氫站建設(shè)在加氫站附近，水電通過電網(wǎng)輸送到需求側(cè)，制氫站從電網(wǎng)購電直接站內(nèi)制氫提供給加氫站，然后供燃料電池汽車等使用。　　2.3構(gòu)建“綠色化工產(chǎn)業(yè)”12

8　　大渡河水電制氫項目的有序開展還可促進電轉(zhuǎn)多種能源形式，并積極參與構(gòu)建“綠色化工產(chǎn)業(yè)”，如圖6所示。該項目的思路是利用電力，水，二氧化碳，以及一定的熱能經(jīng)過電解裝置生成氫氣，或者合成氣，再經(jīng)由特殊的催化劑催化反應(yīng)便可以制備一系列化工產(chǎn)品或者燃料，比如氨、氫、CO、燃氣、甲醇等。該項目的應(yīng)用推廣將促進傳統(tǒng)的化工向電氣化轉(zhuǎn)型，從而推動綠色化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時，國家能源集團是世界最大煤制油、煤化工公司，具有豐富的化工技術(shù)經(jīng)驗，為綠色化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)?！　?.4構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈　　大渡河水電制氫項目將有助于構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，如圖7所示。氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的核心環(huán)節(jié)是清潔電力制氫，這也是大渡河公司水電制氫的主要任務(wù)。圍繞電解水制氫技術(shù)，可以構(gòu)建一個由水力發(fā)電，電解制氫，氫氣儲運，加氫，氫能汽車等組成的的氫能汽車運營平臺。外圍以氫能為紐帶，形成包含可再生能源，先進制造，綠色化工，新能源汽車等產(chǎn)業(yè)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。更外層由氫能基金+氫能產(chǎn)業(yè)園完成產(chǎn)業(yè)培育，資本投資，人才匯聚，企業(yè)集聚。12

9　　2.5打造“川西氫能天路”　　大渡河水電制氫項目推廣將進一步提升四川的產(chǎn)業(yè)模式，幫助打造“川西氫能天路”，形成氫能生態(tài)旅游的名片?！按ㄎ鳉淠芴炻贰?2

10是大渡河公司和清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院率先提出的一種氫能實施愿景，它也是一張靚麗的名片。川西氫能天路將以成都市作為起點，利用成都市的加氫站為汽車供氫，首先經(jīng)過擁有豐富的水電資源的雅安，將石棉作為川西氫能天路的加氫補給站，再路經(jīng)西昌，在該地規(guī)劃建設(shè)加氫補給站，最后終點在攀枝花，該地區(qū)水電豐富，適合規(guī)劃制氫站以及加氫站。該項目將可再生能源與氫能交通完美結(jié)合，它將是未來能源和交通的重要的解決方案之一?！　【C上所述，大渡河水電制氫項目的實施將推動公司從傳統(tǒng)電力公司向創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。大渡河公司能更充分發(fā)揮自身的能源供應(yīng)端優(yōu)勢，依托氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機，力求服務(wù)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級。形成包含清潔電力，車用氫能，綠色化工以及分布式儲能的綜合能源系統(tǒng)?！　?結(jié)論　　目前我國可再生能源每年棄電超過1000億kWh，棄水問題最嚴(yán)重，2018年全年棄水達到691億kWh，其中大渡河水電富余電量達到125億kWh。因此，大渡河公司將推動富余水電制氫，作為打造創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商的重要實施路徑，積極開展富余水電制氫項目的研究與應(yīng)用。首先與清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院合作研發(fā)新型高效的固體氧化物電解水制氫技術(shù)（SOEC），該技術(shù)電解效率高達95%以上，單位標(biāo)方氫氣生產(chǎn)耗電量低于4.0kWh，與堿性電解技術(shù)（AEC）、質(zhì)子交換膜電解技術(shù)（PEM）電解技術(shù)相比，可減少約20%的電解水制氫成本。其次，大渡河公司目前富余水電相當(dāng)于25億標(biāo)方的制氫潛力，接近40億元人民幣的產(chǎn)值，大渡河公司將充分利用自身能源供給端的優(yōu)勢，積極構(gòu)建氫能“源端”經(jīng)濟，并借助國家能源集團在化工領(lǐng)域的積累，將電解水制氫制氣技術(shù)引入化工生產(chǎn)，推動“綠色化工產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展。第三，大渡河公司將積極拓展氫能利用，幫助打造“川西氫能天路”，形成四川特有的氫能生態(tài)旅游路線。最后，大渡河公司將利用自身氫能“源端”優(yōu)勢，努力服務(wù)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)企業(yè)向創(chuàng)新型綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型，并為地方經(jīng)濟實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻。12

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