氫能在電力與設備的應用分析報告
更新時(shí)間：2021-08-11 點(diǎn)擊量：1268
隨著(zhù)近年來(lái)全球主要經(jīng)濟體陸續提出長(cháng)期碳中和目標，預計氫氣的能源屬性將逐漸顯現，應用領(lǐng)域將逐步拓展至電力、交通、建筑等場(chǎng)景。
近年來(lái)，全球主要經(jīng)濟體陸續提出氫能發(fā)展規劃與目標，將氫能的發(fā)展上升至戰略高度。美國能源部2020年底發(fā)布氫能發(fā)展計劃，從技術(shù)、開(kāi)發(fā)、應用等多個(gè)角度對氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了戰略規劃，預計到2050年氫能在美國能源消費總量中的占比可達到14%。歐盟則于2020年8月提出氫能發(fā)展戰略，重點(diǎn)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備，分別實(shí)現可再生能源制氫量100/1000萬(wàn)噸。我國的《國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十四個(gè)五年規劃和2035年遠景目標綱要》中也將氫能和儲能列入前瞻謀劃的未來(lái)產(chǎn)業(yè)，未來(lái)將重點(diǎn)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(guò)碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）可有效降低化石能源制氫過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，但長(cháng)期來(lái)看只有可再生能源電解水制備的“綠氫"才能實(shí)現真正的零碳排放。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(lái)源。在“富煤、貧油、少氣"的能源結構下，目前國內煤制氫的占比超過(guò)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，未來(lái)的發(fā)展空間巨大。2.成本是制約可再生能源制氫大規模發(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，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4-5美元/kg。因此，從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，可再生能源制氫大規模發(fā)展的條件尚不具備。電費與設備投資是可再生能源電解水制氫主要的成本構成。理論上，電解水產(chǎn)生1kg氫氣所需的耗電量約為30kWh，當前電解水制氫的能量轉換效率一般為60%上下，因此實(shí)際的耗電量大致為50kWh/kg左右。對不同電價(jià)與設備投資成本下電解水制氫的成本進(jìn)行了測算，結果表明即便不考慮其他費用，在大多數情況下電解水制氫的成本都超過(guò)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(cháng)時(shí)間、跨區域儲能的長(cháng)期方案長(cháng)期來(lái)看，氫能有望成為一種重要的電力儲能形式。無(wú)論是在時(shí)間維度還是空間維度，未來(lái)儲能在電力系統中的應用場(chǎng)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(cháng)時(shí)間、跨區域的儲能場(chǎng)景。首先在儲能時(shí)長(cháng)上，氫儲能基本沒(méi)有剛性的儲存容量限制，可根據需要滿(mǎn)足數天、數月乃至更長(cháng)時(shí)間的儲能需求，從而平滑可再生能源季節性的波動(dòng)。此外，氫能在空間上的轉移也更為靈活，氫氣的運輸不受輸配電網(wǎng)絡(luò )的限制，可實(shí)現能量跨區域、長(cháng)距離、不定向的轉移。后，氫能的應用范圍也更為廣泛，可根據不同領(lǐng)域的需求轉換為電能、熱能、化學(xué)能等多種能量形式。氫儲能與電化學(xué)儲能的互補性強于競爭性。氫儲能在能量密度、儲能時(shí)長(cháng)上具有較大優(yōu)勢，在能量轉換效率、響應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，而是互為補充，共同支撐未來(lái)電力系統的平穩運行。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)規模提升，未來(lái)新能源的發(fā)電成本仍有較大下降空間。2021年6月，國內光伏項目的中標電價(jià)創(chuàng )下新低，四川甘孜州正斗一期200MW光伏基地的中標電價(jià)僅為0.1476元/kWh。除了新能源整體發(fā)電成本的降低，未來(lái)電力市場(chǎng)中的峰谷價(jià)差也將持續拉大，電解水制氫將有更多可利用的低電價(jià)時(shí)段。隨著(zhù)新能源發(fā)電占比的上升，未來(lái)電力供給的不穩定性將持續上升，電力市場(chǎng)中價(jià)格的波動(dòng)范圍也將擴大。對于氫儲能而言，季節性的電價(jià)波動(dòng)將帶來(lái)潛在的跨期套利空間，長(cháng)期來(lái)看可再生能源制氫的經(jīng)濟性存在較大的提升空間。未來(lái)，風(fēng)電與光伏的棄電將成為電解水制氫重要的電力來(lái)源。在以可再生能源為主體的電力系統中，為了保證穩定的電力供應，裝機的冗余程度將明顯加大，因此長(cháng)期來(lái)看棄風(fēng)、棄光電量將不可避免地上升。未來(lái)，棄風(fēng)棄光電量的消納將成為氫儲能的重要應用場(chǎng)景，這部分*甚至負成本的電量可作為電解水制氫的重要電力來(lái)源。堿性水電解與質(zhì)子交換膜水電解是當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(dòng)與變載能力相對較差；后者的優(yōu)勢在于效率高，運行靈活，與風(fēng)電、光伏的適配性更佳，但當前的成本仍然較高。電解槽是電解水制氫系統的核心部分。電解水制氫系統由電解槽及輔助系統組成，其中電解槽是電解反應發(fā)生的主要場(chǎng)所。從成本構成來(lái)看，電解槽在制氫系統總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉換系統、水循環(huán)系統以及氫氣收集系統也在總成本中占據較高的比例。通過(guò)材料與設計的優(yōu)化，未來(lái)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），后續主要的降本路徑為開(kāi)發(fā)厚度更薄、電導率更高的新型隔膜，與此同時(shí)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到100美元/kW以下，較當前水平下降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成本的降低產(chǎn)生積極貢獻。一方面，隨著(zhù)設備單體規模的擴大，電力轉換、氣體處理等模塊的單位成本將被攤??；另一方面，生產(chǎn)規模的擴大也將降低單臺設備分攤的制造費用。參照光伏、鋰電池行業(yè)的發(fā)展歷程，隨著(zhù)規模與產(chǎn)業(yè)化程度的提升，電解水制氫設備的平均成本有望進(jìn)入快速下降通道。綜上，電費成本的降低與設備端的降本增效將共同推動(dòng)氫儲能經(jīng)濟性的提升。2030年全球范圍內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(yáng)能資源較好的地區，可再生能源電解水制氫的成本將低至1.4美元/千克，達到與化石能源制氫成本相當的水平。
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吳工
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