10月26日,世界首列氢燃料电池有轨电车在河北唐山唐胥铁路首次投入商业运营。据了解,该列电车一次快速加氢只需15分钟,可持续行驶40公里,最高运行时速70公里。车内设乘客座位66个,最大载客量336人,可根据运营需求灵活增加编组和载客量。(来源:中国新闻网)

  如果要在本世纪将全球气温升高控制在2摄氏度之内,在不采取二氧化碳收集和利用手段的情况下,全球有将近2/3的化石能源储量得不到开发,其中包括33%的原油、50%的天然气和80%的煤炭。■氢能作为公认的清洁、零碳能源正脱颖而出。

  氢是一种来源广泛且无污染的能源载体,它可以由电力和水转化而来,也可以由化石能源转化或者裂解而来,使用方式多元,可以用于燃料电池技术发电,使用过程中不产生污染物,比电力易储存。氢气单位质量包含的热量是所有化石燃料和生物燃料中最高的,达到143兆焦/千克,同样质量的氢燃烧的放热大约是焦炭的4.5倍、汽油的3倍和酒精的3.9倍。而同样以氢能源为动力源的汽车全生命周期碳排放最低。

  燃料电池车迎来发展机遇期

  对于氢气的使用来说,除了用于化工产品的生产之外,还可以用于氢燃料电池技术。目前,氢燃料电池的使用方式主要包括氢燃料电池汽车和使用氢燃料电池供热供电。全球范围内以氢能为动力的汽车正在迅速发展,丰田、宝马、福特等大多数汽车厂商都已经在研制甚至销售氢动力汽车。美国政府的“自由汽车计划”已经确立了燃料电池汽车的长期目标。在中期,氢气内燃机则可以提供一种接近于零的温室气体排放技术,其成本比燃料电池低,而且使用效率更高。在国际能源署(IEA)的高比例氢能消费情景中,为了达到限制全球气温上升2摄氏度的目标,2050年,燃料电池汽车保有量在3个关键乘用车市场(美国、欧洲和日本)将增加到1.13亿辆,这是在2030年欧盟和美国的新燃料电池车持有人数增加到100万、2050年达到1000万的大背景下做出的判断。这些燃料电池车每年将消耗1000万吨氢气。这也意味着节省3800万至6800万吨的汽油消费和1.9亿吨的二氧化碳减排量。

  目前已经有一批大型跨国公司着手研究、开发和开始利用氢能源。从市场实践层面来看,汽车产业将成为全球氢能技术应用领域的领头羊。2015年年初,全球第一款量产的氢燃料电池汽车——丰田Mirai于日本正式上市,并于同年敲开了美国汽车市场的大门。世界最大连锁零售公司沃尔玛宣布其Balzac的配送中心将全部使用燃料电池卡车,因此将在7年内节省2亿美元的运营成本。该配送中心的配送卡车使用的氢气全部来自于电解水,电能则来自于可再生的水力发电。

  另外,日化龙头宝洁公司在4个站点部署了340个燃料电池叉车系统;思科在7个站点部署了超过600个燃料电池叉车系统;可口可乐公司在2个站点部署了96个燃料电池叉车系统。2017年,宝马联合戴姆勒、本田、现代和丰田4家汽车制造企业与其他8家企业成立“氢能委员会”,年投入14亿欧元,旨在未来长期推动氢能源的使用,实现能源转型和燃料电池车应用。

  “化弃电为氢”成为时代新选择

  目前大部分的氢气是由化石燃料制得的,但如果没有辅助CCUS等措施,整个生命周期内排放的温室气体并不会有太多减少。例如,当氢气由天然气重整制成时,如果没有碳捕捉与封存技术的应用,使用氢能源的汽车与传统化石能源汽车相比仅减少10%至40%的温室气体排放。但使用碳捕捉与封存技术后,使用氢能源的汽车与传统化石能源汽车相比可以减少80%至90%的温室气体排放。因此氢能源在使用过程中能否达到减排的目标很大程度上与制取途径有关。

  从成本角度分析,煤炭制取氢气的成本为每千克1.67美元,却有高达196千克/吉焦的二氧化碳排放量,天然气制取氢气成本为每千克1.67美元,虽然温室气体排放量较小,但我国是天然气紧缺的国家,由此来看由天然气和煤炭大量制取氢气都有明显缺点。电解水制取氢气会消耗大量的电能,由于电价较高导致了电解水制氢成本过高。因此找到一种低碳环保同时能够大量制取氢气的方法是面临的挑战之一。从电能获取的角度来考虑,我国属于高弃风、弃光率的国家,因此,如果用这部分电力就地电解水制氢后储存或输送,具有较高的利用价值。

  氢气被定义为一种二次能源,主要原因是氢气与电力一样都是良好能源的载体,然而氢气目前在我国主要是用于化工行业,真正将其作为能源的载体用于能源系统中几乎没有。目前有一种成熟的储能技术就是电转气,这是将电能转化为气体燃料,解决再生能源电力储存难题的一项技术。其利用方法主要有两种:一是将氢和二氧化碳相结合,把这两种气体采用甲烷化反应如萨巴捷反应转化为甲烷,或者采用生物甲烷化(会造成8%额外能量损失),然后输入天然气管网;第二种则是一种新概念,即将不能上网的可再生电力就地电解水制取氢气后储存,为可再生能源调峰。由于我国可再生能源分布不均、负荷需求不平衡以及输送通道的制约,影响其消纳和利用率。2016年全国“弃水、弃风、弃光”电量共计近1100亿千瓦时,超过当年三峡电站发电量约170亿千瓦时。在此背景下利用氢储能技术“化弃电为氢”成为了一种潜在的选择。

  “化弃电为氢”不仅能提高电网的“弹性系数”,提升电网的恢复能力,同时将可再生能源发电产生的冗余电力转化为氢气储存,在用电高峰或紧急灾害时期通过燃料电池发电提供所需电能。目前,日本的东芝公司已经有了较为成熟的商业模式,并且已经川崎市示范运营了该系统。

  我国对于氢能源的利用仍然处于起步阶段,发展方向、目标和定位正逐步明确。在2017年国家发改委及能源局发布的《推进并网型微电网建设试行办法》中明确提出了要发挥燃料电池在分布式能源中的作用,使之成为微型电网的重要组成部分。可以看出,氢能源的定位是电网多元化的有力补充,虽然并没有提及把氢储能技术与可再生能源发电相结合,但随着氢能源基础设施的不断完善,“化弃电为氢”一定会受到更多关注。 (作者冯敬轩为中国石油大学(北京)博士研究生)

  背景链接

  国外大石油公司氢能业务

  道达尔

  截至2017年6月,道达尔已经在德国建成了10座加氢站;道达尔与林德公司、宝马公司在氢气加注技术方面展开了合作。

  壳牌

  壳牌已经开始在氢能各个领域进行布局。2016年,壳牌与川崎重工签署协议,合作开发液氢运输船。2017年2月,壳牌与丰田正式达成合作协议,在加州建造7座加氢站,并将在2024年增加至100座。

  BP

  BP已经在世界范围内参与了众多的氢能示范项目,包括同戴姆勒·克莱斯勒和福特公司合作研究先进燃料电池技术,投资350万美元在北京中关村建成了中国第一座加氢站。BP与通用电气(GE)达成了电厂建设协议,双方将联合开发和建设氢电厂,以减少温室气体二氧化碳的排放。

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