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西安华迈:锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?

发布日期:2019-07-26 浏览:116 次  
 
未来的汽车的供能系统,究竟是从电池组携带能量,还是从燃料电池发电?目前我们所处的时代,正在围绕着这个问题展开激烈的斗争。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
Mercedes-Benz为其GLC-SUV配备了燃料电池系统
 
在过去的数年间,中国,见证了锂电池的崛起,我们也成为了全球锂电池生产和消费的巨头,
 
于此同时,燃料电池的发展也列入了我们国家未来的五年发展计划之中。中国正在投资必要的基础设施,到2030年,全国将会建立起3000个加氢站。这样的情况不仅仅发生在中国,不管是欧盟、美国、日本或世界其他地区都发出了不同的声音,显然。锂电池与燃料电池的赛道已经建立,技术竞争蓄势待发。
 
观点一
 
埃隆·马斯克:氢燃料电池是“令人难以置信的愚蠢”!
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
早在2015年,“钢铁侠”就声称:“如果你要选择能量存储机制,你应该选择甲烷或丙烷,因为他们更容易制取。”马斯克说道:“我只是认为(氢燃料电池)非常愚蠢......制造氢气并储存并在汽车中使用它非常困难。”,“如果你拿一块太阳能电池板直接给电池组充电,与电解相比,取氢,分离氧气,压缩氢气......这大约是其效率的一半。”
 
其实,马斯克的话也不无道理。与电池相比,氢燃料电池的能源转化效率上始终比电池低,相较于特斯拉的BEV效率,目前市面上最好的FCV在效率上仍然不及BEV一半;另外,在工业产业链发展与基础设施(加氢站)建设上,氢燃料电池与锂电池的差距仍有数十年。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
燃料电池的发展仍在继续,但充电基础设施,氢气的大规模生产及其库存都滞后。氢的使用需要大量的基础设施建设,高质量和大型蓄压器。燃料电池,压力罐(碳纤维)的生产,加油的氢气价格,所需的加氢站基础设施和H2生产设施的建设都显得过于昂贵。除此之外,目前,以化石能源为原料的热化学过程在工业上应用较为广泛, 主要包括烃类蒸汽转化、重油部分氧化、煤气化和水电解等制氢方法。在氢的主流生产过程中,也存在着污染和低效率的问题。
 
观点二:
 
“未来的市场属于燃料电池”
 
多年来,丰田一直将氢燃料电池押在电池电动汽车上,以实现其零排放汽车战略。丰田燃料氢电池是丰田公司运用在mirai新能源车上的先进技术,丰田氢燃料电池就像是一个发电站,它通过氧气和氢气进行化学反应才生产电,不是像普通储电池那样需要充电,只需要添加氢气,通过化学反应产出电。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
氢燃料电池的续航优势相比锂电池也很明显,同样续航500公里,普通锂电池充电需要很长的时间,超级快速充电也需要一个半小时,而氢染料电池只要3分钟就可以加满氢气。另外,在能量密度上,氢也远远超过了锂离子,两者甚至都不在同一个数量级上。
 
“相对于远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等一些交通方式,燃料电池汽车具有清洁、零排放、续航里程长、加速时间短的特点,是适应市场需求的最佳选择,所以我们要及时地把产业化重点向燃料电池汽车拓展。”—— 张小玉
氢能及燃料电池
 
近年来,燃料电池逐步走入大众视野。燃料电池技术被称为继水电、火电和核电发电之后的人类历史上的第四种稳定发电技术。它不仅在航空航天和国防应用领域发挥着重要的作用,更逐渐推动着许多领域的商业应用。由于燃料电池技术的固有优势 -高效率和低排放,使得燃料电池技术在广泛的应用中具有相当大的潜力。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
燃料电池的原理由德国化学家克里斯提安·弗里德里希·尚班于1838年首次提出,并刊登在当时著名的科学杂志。基于尚班的理论,1839年,威廉格罗夫爵士在水电解研究中首次发现了燃料气体直接电化学发电的现象。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
之后很长一段时间,燃料电池仅处于实验室阶段,由于理论以及材料方面的不完善,一直未能投入实践。直到燃料电池效应发现将近100年后的1932年,弗朗西斯·培根制造出了第一个可以投入实际生产的燃料电池。这之后又过了二十多年直到20世纪中期,达到千瓦级别的燃料电池才得以问世。在同一时期,太空计划的开展成为了燃料电池技术发展的最大推动力。尤其在载人航天领域,除燃料电池外别无他法。从1970年左右开始,燃料电池技术开始应用于更加广阔的领域(最初用于发电厂)。今天,在第一次发现燃料电池现象后将近180年后,燃料电池正在规模化和商业化的路上越走越远。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
燃料电池里发生了什么?
 
燃料电池的发电原理与电池其实大致相同,实质是燃料气体和氧化剂发生电化学反应,可以看作是另一种“燃烧反应”。燃料电池主要有三个组成部分,阴极,阳极和电解质:
 
•电解质:电解质材料决定了燃料电池的类型
 
•阳极:将燃料分解成电子和离子,通常由铂制成
 
•阴极:将离子转化为水(有时还有二氧化碳),通常由镍或纳米材料制成
 
想必学过高中化学的各位,努力回想下就能想起来:电化学反应主要发生在阴极、电解质以及阳极、电解质的交界处。阳极催化燃料气体的氧化反应(如氢的氧化过程),阴极催化氧化剂的还原反应。由于阴极与阳极间电解质的存在,导电离子将在电解质内进行迁移,而电子将通过外电路进行迁移,在这个过程中产生了电流与电回路,从而达到了发电的效果。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
虽然燃料电池与电池原理相同,但仍有许多不同之处。在电池中,化学反应的反应物和反应产物都是电池的一部分,而在燃料电池中,反应物(燃料和氧化剂)需要从外界不断供给,而反应产物也需要不断排出。那么这样就会导致一个明显的差异:燃料电池系统的容量与电池不同,在燃料电池中系统容量可以说是有无限种可能,燃料电池的容量是由燃料的多少或者说燃料的储存容器尺寸决定的,与实际燃料电池的性能无关。电池的性能决定了电池的功率及容量,而燃料电池仅仅决定功率而不决定容量。
 
燃料电池中的电化学反应与内燃机不同,不是基于热力循环,因而不受卡诺循环的限制,从而在理论上能够达到很高的效率。在实际应用中,由于各种技术限制以及设备整体的耗能,导致实际的电转化率一般在40-60%,很大一部分能量将转化为热能释放。为了保持燃料电池的正常运行,这一部分多余的热量必须被冷却,以免燃料电池过热。另一种思路,是将所散发的热量进行收集利用,形成热电联供,产生的热量甚至可以进行下游的进一步发电(如涡轮机发电)。在热电联供的情况下,燃料电池的总效率可以达到惊人的80%。
 
根据其面积,单个燃料电池产生的功率范围为几瓦至约1千瓦,电压范围为0.5至1V,通常为0.7V。为了提供更高的电压和功率,必须借助双极板串联许多燃料电池,这就是所谓的燃料电池的堆叠。燃料电池堆叠可包括多达几百个单独的电池。下图简要示意了燃料电池的堆叠:
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
燃料电池有哪些?
 
不同类型的燃料电池取决于所使用的电解质的不同。由于不同电解质的(离子)性质,不同燃料电池也在不同的温度下运行。下图简单阐述了不同类型的燃料电池,其中燃料电池的运行温度从底部到顶部逐渐上升。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
1.质子交换膜燃料电池(PEMFC)
 
低温运行,应用范围广,燃料电池汽车的首选
 
阳极反应:2H2→4H++4e-
 
阴极反应:O2+4H++4e-→2H2O
 
整体电池反应:2H2 + O2 → 2H2O
 
PEMFC采用水基酸性聚合物(一般为全氟磺酸)作为电解质、铂作为催化剂,备受燃料电池汽车的青睐。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
优点:运行温度相对较低,一般在80℃-100℃
 
可以根据需要灵活调整输出功率
 
理论电转化率可达到80%左右
 
缺点:由于启动温度较低导致必须使用纯度很高的氢
 
电极采用贵金属
 
为克服高纯度氢气需求限制,目前PEMFC出现高温型技术路线,其原理为将水基电解质变成 无机酸基电解质,该类电池运行温度可以高达200℃,对氢气的纯度要求较低,但有能量密度较低的弊端。
 
2.固氧化物燃料电池(SOFC)
 
运行温度高,主要应用于发电厂
 
阳极反应:2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e−
 
阴极反应:O2 + 4e– → 2O2−
 
整体电池反应:2H2 + O2 → 2H2O
 
SOFC采用固体陶瓷(如氧化锆-氧化钇)作为电解质。SOFC拥有各类燃料电池中最高的运行温度,高达 800-1000℃,广泛应用于大型、小型固定式热电联产发电站。
 
优点:它对铂催化剂依赖较小
 
燃料不仅可以使用氢气,还可以使用多种碳氢化合物
 
其能量转换效率超过60%,如果热量能够被回收利用,那么总转化率则可达到80%。
 
缺点:受限于启动时间长,很难应用于汽车领域
 
3.碱性燃料电池(AFC)
 
运行温度很低,催化剂可使用非贵金属,主要应用于航天领域
 
阳极反应:2H2 + 4OH− → 4H2O + 4e−
 
阴极反应:O2 + 2H2O+ 4e– → 4OH−
 
整体电池反应:2H2 + O2 → 2H2O
 
AFC采用如氢氧化钾、碱性聚合物之类的碱性电解质,运行温度60℃左右。广泛应用与航天领域。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
优点:可以使用非贵金属作为催化剂(一般采用镍)
 
在各类燃料电池中拥有最高的电能转换效率,最高可达70%。
 
4.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)
 
运行温度高,主要应用于大型发电厂
 
阳极反应:CO32− + H2 → H2O + CO2 + 2e−
 
阴极反应:CO2 + ½O2 + 2e− → CO32−
 
整体反应:H2 + ½O2 → H2O
 
MCFC采用附着在多孔陶瓷上的熔融碳酸盐(包括碳酸锂、碳酸钾及碳酸锂)作为电解质,在高温下,这种盐变为熔化态允许电荷(负碳酸根离子)的在电池中移动。运行温度为650℃左右。MCFC主要用于发电厂,其热电联产效率可以达到80%以上。
 
优点:对贵金属催化剂的依赖较低
 
可以使用多种燃料(例如水煤气等)
 
缺点:高温和碳酸盐电解质导致在阳极和阴极的腐蚀,降低耐久性和电池寿命,启动时间缓慢,且高温,不适合移动应用
 
5. 磷酸燃料电池(PAFC)
 
技术成熟的第一代燃料电池技术
 
阳极反应:2H2→4H++4e-
 
阴极反应:O2+4H++4e-→2H2O
 
整体电池反应:2H2+ O2 → 2H2O
 
PAFC采用磷酸或磷酸基电解质,运行温度为190℃左右,主要应用在功率100-400kW的固定式发电站中。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
优点:铂催化剂中毒率低 技术成熟
 
缺点:发电效率低 成本较高
 
综上所述,
 
第一代燃料电池包括碱性燃料电池(AFC)和磷酸型燃料电池(PAFC)。AFC是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。PAFC在技术层面和商业化上已经非常成熟。
 
熔融碳酸型燃料电池(MCFC)是第二代燃料电池技术,主要应用于设备发电。
 
固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构、更高的能量效率和对煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体广泛适应性等突出特点,发展最快,应用广泛,成为第三代燃料电池。
 
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有较高的能量效率,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠,并且通过固态的电解质膜避免了电解质腐蚀。PEMFC应用范围较广,也是交通领域燃料电池的首选。
 
除这5类燃料电池外,还有较新的甲醇燃料电池(DMFC),是直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池。其运行温度不高,为60-130℃。结构简单,体积能量密度高,还具有起动时间短、负载响应好、运行可靠性高,在较大的温度范围内都能正常工作,燃料补充方便等优点。应用领域非常广泛。主要应用于移动式电源,固定发电设备及汽车动力源。
 
除此之外,氢燃料电池汽车还有有以下优点:
 
加氢就像加油一样,一般只需3~5分钟。而电动汽车的充电则是一个缓慢的过程。即使特斯拉推出了超级充电站,通常也需要1个小时以上。
 
氢燃料电池主要的成分是氢,我们知道水的化学式是氢二氧,氢燃料电池在使用寿命结束后,并不会对环境造成污染。而锂离子电池则含有很多重金属,如果回收不当,就会对环境造成更大的污染。
 
氢燃料电池储能密度高,且重量轻,续航里程普遍更远。通常会超过500公里,而纯电动汽车则根据电池容量的大小,目前大部分纯电动汽车续航里程在300公里左右,少数车型可以达到400~500公里。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
另一方面,欧洲也是氢燃料电池研究的另一个大本营。随着德国能源转型的不断深入,大量的新能源并入电网,以欧洲最大的能源研究机构之一 - 于利希研究所(Jülich research center)正在倡导将新能源发电(风电)转化为氢能,以解决可再生能源发电产生的电网波动与消纳问题。
 
孰优孰劣?答案也许不止一个……
 
燃料电池PK锂离子电池
 
当前,全球能源和环境系统正面临着巨大的挑战。其中,作为石油消耗和二氧化碳排放大户的汽车产业,也正面临着一场革命性的变革,将包括纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动作为新能源汽车的主要技术方向,已然成为世界各国形成的共识。燃料电池汽车是电动汽车汽车电池的另一个重要方向,与锂离子电池相比,可以清楚地看见两者间有着明显的优缺点。
 
首先,是从安全性角度出发。
 
燃料电池的安全隐患:氢气的泄露与控制,是燃料电池系统安全隐患的主要来源,属于物理层面,而锂离子电池的安全隐患则主要来自于不易控制的链式反应,属于化学层面。因为链式反应速度极其短暂。就可控性角度说,锂离子电池的控制难度要高于燃料电池。不过在遇到极端剧烈碰撞的情况下,燃料电池的危害程度则要更大。当然这也仅仅是理论上,氢气本身因为快速逃逸的特点使得泄漏时间很短,加上高压氢气瓶耐撞击、跌落、枪击等非常规性能也为安全提供了保障。
 
其次,是从低温性能的角度看。
 
因为低温下电解液的粘度增大电导率下降,会导致电池极化内阻急剧增加,一般厂商都不推荐零度以下的放电行为,因此锂电池需要外部提供供热来解决低温问题。燃料电池低温起步性能差,但随着启动后自身放热的增加,电堆的温度会很快稳定在80-90℃的正常工作温度范围。不过关于燃料电池如何实现低温启动,特别是不使用外辅电前提下的低温启动是一个重要的研究课题。
 
第三,是从成本角度考虑。
 
总体上看,无论是燃料电池还是锂离子电池,在价格上都要高于传统能源。特别是氢气的来源、存储以及安全使用等条件的复杂与严苛,导致氢燃料电池成本居高不下,短期内难以取得优势。以大批量产数据来看,锂电池成本最终会突破1000元/kwh;燃料电池的成本目前还是很高的,期望远期大批量实现的前提下可能去接近于现在内燃机的价格。
 
第四,是充电所需消耗的时间。
 
冗长的充电时间始终是锂离子电池一个难以磨灭的痛点。在一般的充电模式下,一辆装有锂离子电池的车,需要耗费3到8个小时才能充满。相较之下,燃料电池就显得方便快捷了许多,以氢燃料电池为例,直接加氢仅需3到5分钟,就能满血复活。
 
第五,续航里程。
 
这可能是所以纯电动汽车,特别是锂离子电池汽车最大的痛点了。传统的锂离子电池在续航能力上很难突破500km,相比之下能量密度高且重量更轻的燃料电池,在续航里程上就能够达到更远。
 
第六:温度影响。
 
燃料电池汽车可以通过整车综合热管理,保持和夏天一样长的续航里程,这一点是锂离子电池不能做到的。锂离子电池不管是PTC加热还是空调加热,都要消耗电量。燃料电池夏天的时候需消耗电量来给空调供电,而在冬天的时候只需用废热给乘客舱保温和采暖。所以从理论上讲,冬天的里程应该比夏天还长。目前有机构在开展基于朗肯循环的废热发电研究,若能实现将进一步提高燃料电池的效率。
 
第七:成本平衡。
 
燃料电池和纯电动汽车的成本平衡点不同,乘用车是500公里左右,商用车100公里左右:
 
氢燃料电池系统更适合替代柴油机,锂离子电池系统更适合替代汽油机。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
作为一种公认的清洁能源,氢能当之无愧被称为21世纪最具发展前景的二次能源,能够有效解决可再生能源的消纳问题,以解决全球化石能源危机、全球变暖以及环境污染等问题。毋庸置疑,氢能发展的一个重要方向,会是在未来的交通、建筑和工业的能源供应方面。为实现我国氢能产业的良好发展,应在不断突破技术、成本壁垒的同时,参考国外成熟经验案例,准备布局氢能产业;同时,以市场为主导,制定合理政策,规划化各环节基础的建设,保障氢能产业有条不紊的发展。
 
G20能源部长们就强化能源安全保障达成一致。日本经济产业大臣世耕弘成在闭幕后举行的新闻发布会上表示,鉴于近日在霍尔木兹海峡附近发生的油轮遇袭事件,G20就共同致力于维护能源市场安全稳定的重要性已达成共识,同意共同加强能源安全保障。
 
氢能经济势不可挡
 
值得关注的是,G20能源部长们已经充分意识到了氢能在能源脱碳化中的重要作用,承诺会通过强化合作带动氢能发展,关于氢能的国际合作版图也将从多个层面和角度逐渐铺开。G20能源与环境部长级会议表达了一个强烈信号:氢能产业正在以势不可挡之势迅速崛起。
 
此外,国际能源署(IEA)应G20轮值主席国日本的要求,编制了首份具有里程碑意义的氢能深度报告并于日前发布。报告中称,现在已经到了挖掘氢能潜力并使其在清洁、安全和负担得起的能源未来中发挥关键作用的时刻。
 
令人遗憾的是,尽管国际社会对煤炭产业施压,但日本仍然表达了支持的立场。G20能源部长们普遍呼吁更多地使用LNG,因为天然气产生的二氧化碳排放量低于煤炭,但日本则坦言会继续投资煤炭,尤其会重点关注碳捕集与封存和碳捕集与利用技术。
 
据了解,这一长期战略将太阳能、风能等可再生能源定位为主力电源,同时提出扩大对氢能的利用,并决定活用核电,但在全球多国“去煤”的大背景下,日本并未将此纳为重点,而是仅确定降低对煤依赖度,这为投资海外燃煤电站留下了余地。有环保组织批评称,日本能源战略规划与全球应对气候危机的努力背道而驰。
 
根据对欧洲氢能发展现状和未来潜力的研究,有望在交通、工业、供热等多个领域、局部地区实现对化石燃料的大规模替代。
 
氢云总结
 
氢是清洁、高效、零碳的能源载体,在供热、交通、工业以及发电等多种领域发挥燃料、原料用途。但氢能的大规模应用一直以来受到技术、经济性、安全性等因素的掣肘,发展远不及预期,在全球范围内仍处于研发和示范阶段。
 
近年,全球应对气候变化的压力日益突出,氢能作为一种有望在多领域有效替代化石燃料的清洁能源选项,获得广泛关注。
 
欧洲一直是全球应对气候变化、减少温室气体排放行动最为积极的地区,对氢能的开发和应用也走在世界前列。
 
2018年,IHS Markit公司就欧洲氢能产业发展现状、未来大规模替代化石燃料并降低欧洲碳排放的潜力进行了专题研究,以期对其他国家地区选择氢能重点发展领域、评估氢能产业发展潜力提供借鉴。
 
低碳排放的氢生产和应用
 
氢是化学元素周期表中第一个元素,在地球上含量丰富。氢的化学性质活泼,在自然界几乎不以游离态存在,而以化合态存在于水等多种物质中,因此发展氢能的基础是利用含氢化合物规模化制取氢。
 
按照生产工艺类型划分,当前主要有化石燃料热化学制氢和电解水制氢两种主流技术,还有处于发展早期的光解水制氢、生物制氢等新技术,技术成熟度最高、生产规模最大的是化石燃料热化学制氢。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
目前,西欧地区94%的氢产量来自化石燃料,其中,54%是天然气制氢,31%是石油制氢,9%是煤制氢。中国富煤的资源禀赋下,煤制氢占比超过50%。
 
氢是一种零碳能源,但无论是化石燃料制氢还是电解水制氢,生产过程中都会排放大量二氧化碳(电解水所用电很大部分来自化石燃料),因此这些氢仍是“高碳”的氢,一般被称为“灰氢”或“黑氢”。
 
要实现制氢过程的低碳化,获得全生命周期意义上低碳的“蓝氢”甚至零碳的“绿氢”,需要在化石燃料制氢系统的后端配合运行碳捕集和封存(CCS)装置,或直接利用非化石燃料生产的电(水电、风电、太阳能发电、核电等)进行电解水制氢。
 
考虑到碳捕集和封存技术长期大量封存二氧化碳仍然存在合格地质条件有限和公众接受度不高等问题,IHS Markit认为,对欧洲而言,“化石燃料制氢+碳捕集和封存”可以作为未来中短期低碳制氢的一种过渡方式,未来长期非化石燃料发电进行电解水制氢将逐渐成为主要的低碳制氢方式。
 
氢的传统用途主要在工业领域,例如作为炼油、合成氨、甲醇生产等化工流程的原料,某些工业过程的保护气,以及航天等特殊领域的燃料。
 
近10年来,氢燃料电池汽车(FCEV)在欧洲、美国、日本、韩国、中国等国家或地区开始进行示范或商业级的应用。
 
此外,欧洲在论证将氢用于规模化供热的可行性。欧盟提出的2050年“零碳欧洲”目标计划中,交通和供热是氢能未来重要的应用场景。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
利用可再生能源限电电量
 
生产氢的潜力分析
 
直接利用电网的电力制氢的全生命周期碳排放量取决于全网发电的平均碳强度。2017年,欧洲化石燃料发电约占全部发电量的43%,电力平均碳强度仍然较高,目前欧洲正在重点研究使用非化石燃料电力进行电解水制氢。
 
2011年日本福岛核事故后欧洲多数国家调整了核能发展政策,并没有把核电视为制氢的优先电源选项。
 
IHS Markit认为,近年来迅猛发展的可再生能源发电,以及随之而来的大量弃风弃光电力将为大规模制氢提供大量的优质低碳能源。
 
可再生能源将成为大规模生产“绿氢”的能源基础
 
欧洲是全球最早大规模发展可再生能源的地区,风电和太阳能光伏发电近年来增长迅猛。2017年,风电和光伏发电合计占到欧盟28国总发电装机容量的27%,但仍低于火电的40%。
 
根据IHS Markit预测,2030和2050年该比例将分别达到52%和62%,届时火电占比将分别降至20%和9%。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
可再生能源发电具有很强的波动性,存在因电网短时无法消纳风、光发电全部功率输出的电力而导致的弃电现象,这部分不能被电网输送的电量被称为限电电量。
 
限电电量也会随可再生能源发电装机量的快速提高而增长。即便考虑储能设备的削峰填谷作用,弃风弃光电量仍将十分可观。IHS Markit预测,2030年欧洲弃风弃光电量将达到1200亿千瓦时,2050年将达到2000亿千瓦时。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
可再生能源制氢成本
 
从能源成本看,弃风弃光的电价很低,某些时刻甚至可能出现负电价(考虑到可再生能源补贴或绿证等因素)。
 
但弃风弃光时间段一般比较有限,如果电解水制氢设备全部依赖弃风弃光电力,则制氢设备利用率较低,将导致设备折旧成本过高;如果为提高设备利用率而用电网电力作补充,则又需支付较高的电费成本。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
因此,大规模电解水制氢需要在提高设备利用率和降低电费成本两方面进行权衡。
 
IHS Markit基于欧洲电力供需和成本模型,以及氢生产成本模型,考虑投资成本、电费成本、设备利用率等各个参数假设,测算了欧洲未来利用弃风弃光电力电解水方式生产氢的供给曲线。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
到2030年,欧洲以50欧元/兆瓦时以下的氢气生产成本供给的电解水制氢潜力可达60亿千瓦时,100欧元/兆瓦时以下成本的制氢潜力可达260亿千瓦时。
 
到2050年,低于50欧元/兆瓦时和100欧元/兆瓦时成本的制氢潜力分别可达1500亿千瓦时和2000亿千瓦时。2000亿千瓦时的氢能可以满足欧洲当前28%重型卡车的燃料需求,每年可以减少燃烧柴油产生的总计5300万吨碳排放。
 
基于项目投资成本、电费成本、设备利用率等各个参数假设用成本计算模型测算出来的。
 
氢在交通和供热能源领域的替代潜力
 
过去十几年,欧洲的低碳化转型主要在发电领域,而电力只占欧洲终端能源需求的20%。要实现2050年“零碳欧洲”的目标,还需要在主要耗能领域逐渐进行低碳替代。
 
IHS Markit认为,交通和供热(包括建筑和工业)合计占欧洲终端能源需求的77%,将是“绿氢”助力欧洲实现中长期减碳目标的重要领域。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
供热领域
 
化石燃料燃烧仍是当前欧洲最主要的供热能源,其中管道天然气占欧洲供暖用一次能源的40%,利用氢替代天然气供暖是实现欧洲能源消费低碳转型最有潜力的发展方向。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
研究表明,在不对现有天然气管道做任何改造的前提下,可在天然气中掺混最高20%体积比例的氢,并不会降低管道的安全性和天然气的使用性能,可以作为过渡阶段供热领域向氢转型的有效途径。
 
对比欧洲各国的电网和天然气管网负荷曲线可以发现,天然气管网负荷的波动程度显著高于电网。以英国为例,英国居民用气负荷的峰谷比约为5~7倍,远高于电网的1.7倍。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
因此,如果利用可再生能源限电电量制氢作为储能载体,在管道天然气中掺混一定比例的氢,有助于电网和天然气管网协同调度,在实现供热系统低碳转型的同时,有效提高电网和天然气管网的整体调峰能力。
 
英国最大的两家天然气管网公司Cadent公司和北方天然气网络公司(Northern Gas Networks),正在与挪威国家石油公司合作开展一项名为H21的氢供暖项目的可行性研究。
 
该项目计划在英国北部海岸利兹市建设9套1.35吉瓦(用氢热量衡量)规模的天然气自热重整制氢装置并配套碳捕集和储存装置(二氧化碳将通过管道注入北海海底的盐水层),对该地区的能源结构进行大规模氢替代。
 
该项目已进入工程设计阶段,计划2023年可完成投资决策开工建设,利兹市计划从2028年开始对居民供暖管网基础设施进行氢配套改造。
 
经测算,通过合理规划氢输配管网,项目能够替代利兹市370万居民供暖、工业和发电的全部天然气需求,使该地区成为一个真正意义的“氢能社会”。
 
交通领域
 
氢燃料电池汽车(FCEV)与电动汽车(包括BEV和PHEV)都是替代传统燃油汽车的重要技术选项,近5年来电动汽车(特别是乘用车领域)出现爆炸式增长。
 
2018年,全球电动乘用车销售量已经突破100万辆,而燃料电池乘用车销售量刚刚突破1万辆,电动汽车似乎在新能源汽车竞争中取得压倒性胜利。
 
但是,电动汽车固有的电池容量小、充电时间长、电池老化快等缺陷在未来一段时间内仍将持续存在,这给燃料电池汽车在一些应用领域实现突破提供了机会。
 
锂电池与氢燃料电池,谁才是未来新能源汽车的主流?
目前普遍认为,电动汽车在乘用车领域已占据发展先机,在充电基础设施和产业政策配套等方面也取得了很大突破,未来短期内燃料电池汽车无法动摇电动汽车在该领域的优势地位。
 
但对于一些载荷重、行驶距离远、驾驶时间长的交通运输应用领域,例如,长途重型货运卡车、长途客车、城市出租车等,燃料电池汽车优势明显。欧洲正在研究大规模发展氢燃料电池长途卡车的可行性,并有望在短期内取得突破。
 
目前,氢燃料电池动力系统的核心技术与电动汽车相比成熟度较低,随着未来燃料电池电堆和储氢等相关技术的不断进步,燃料电池汽车甚至在乘用车领域也有可能逐渐赶超电动汽车,实现更大规模的发展。
 
对中国发展氢能的启示
 
一直以来,中国十分重视发展氢能产业。根据IHS Markit对欧洲氢能产业发展的研究成果,对中国发展氢能提出如下建议。
 
 
探索从单纯生产氢产品到实现向“蓝氢”和“绿氢”过渡的可行路径。氢重新受到广泛关注的一个关键原因是氢的零碳特征。如果希望通过氢实现中国2030年碳排放达峰目标,需要认真研究对化石燃料制氢装置加装碳捕集和储存系统的可行性,同时尽可能多地利用清洁能源电力制氢。
 
中国有非常庞大的化石燃料制氢产业,主要集中在石油化工领域,例如作为炼油、对二甲苯、乙烯、丙烷脱氢和合成氨等化工产品的加工处理原料。但整个产业缺乏互联互通,大部分制氢产能仅在本地自产自用。
 
实现“绿氢”产业化还需要一段时间,如何利用“蓝氢”为未来氢产业的发展奠定应用基础,是值得各方深入思考的问题。其中一个重要方面就是氢输送管网的建设,尤其是如何规模化运输石化行业的富余氢。
 
加大氢燃料电池核心技术研发支持力度。未来氢能发展的最大潜力很可能在交通运输行业,氢燃料电池汽车也是最受关注的方向。
 
中国是世界最大的汽车生产和消费国,也是最大的新能源汽车生产和消费国。发展氢燃料电池汽车对中国氢能产业发展以及交通行业的低碳化转型意义重大,中国应该加大对该领域相关技术的研究支持力度,加快产业化进程。
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