當天下午,在“儲能與綜合能源服務”分論壇上,華中科技大學研究院、教授發表了主旨演講。他表示,氫能作為可再生能源的話,有高載能、多用途、零排放,將來能源版圖里邊占有很重要的地位。
“以后整個能源網絡有可能有一個電網、還有一個氣網,所以氫能在能源綜合利用方面是很好的補充。”涂正凱說。
他還稱,到2022年,國內氫氣市場規模將突破100億左右。但目前,制氫行業主要集中天然氣制氫、甲醇制氫、煤電廠制氫,對于電解水制氫沒有廣泛的推廣和應用。
以下是演講實錄:
我匯報題目是《制氫及燃料電池發電技術》,我匯報分五個方面。
一、制氫發電技術
剛才裴總從大的方面講儲能發展和目標,我們從小的方面就是氫能電池角度談一談,在整個電力系統或者綜合能源的作用。氫能是綠色能源,在電力轉化以及電力脫炭方面有非常重要的作用,所以各國都制定相應的政策推動氫能發展。
為什么講氫能?因為這是全球趨勢,由于停電造成的損失,包括傳統集中式的能源管理方法與分布式能源管理模式的沖突,再有傳統的柴油機碳排放、還有分布式能量管理的問題,所以氫能是很好的補充作用。
那么氫能作為可再生能源的話,有高載能、多用途、零排放,將來能源版圖里邊占有很重要的地位,而且可再生能源不再依靠單獨的電網,以后整個能源網絡有可能有一個電網、還有一個氣網,所以氫能在能源綜合利用方面是很好的補充。
國內到2022年,整個氫氣市場規模將突破100億左右,但是目前制氫行業主要集中天然氣制氫、甲醇制氫、煤電廠制氫,對于電解水制氫沒有廣泛的推廣和應用,一方面陸上風電、海上水電,主要電解水制氫存在技術瓶頸,海上如果大規模直接制氫是重要的方向,目前受到技術限制,電解效率非常低。
燃料電池它是一種將儲存化學能轉化電能的裝置,原料就是氫,把氫氣中的化學能轉化電能,陰極是空氣,陽極就是氫氣,根據工藝大小分類可以分為便捷式、固定式、移動式,應用場合也不一樣的。
燃料電池目前主要問題還是我們關鍵材料、關鍵零部件與國際上有很大的差距,首先質子交換膜,“十二五”是1200毫安,到“十三五”末做到1600毫安,發電功率有很大的提升,也可能造成電池成本大幅下降;
另外就是催化劑,燃料電池目前商業化就是火碳,如果低鉑等是方向;第三是氣體擴散層,也是“十四五”重要的突破口;第四雙極板,組合氣體同時對外集流,現在主打產品是石墨板,現在可以做到和日本工藝密度相當的雙極板結構;最后是空壓機,現在90%以上都是進口。
燃料電池確實存在很多期待突破的關鍵技術,但是從十五到十三五,燃料電池整體有很成熟的進步,而且成本可以做到3000—4000美元。燃料電池第一高效、第二清潔、第三安全、第四無污染,所以應用場合非常廣泛,對于城市分布式能源、包括軍用電源、包括交通領域、數字中心、通訊基站備用電源、以及偏遠山區分布式供能,都是燃料電池可以發揮很好作用的場合。
燃料電池2019年出貨量突破1100兆瓦,出貨量里邊電池主要分三個領域,便捷式、固定式、交通領域,其實臺套來說交通領域不占多數,但是交通領域單電池體量比較大,每個都是百兆瓦以上,所以占主導作用。
二、燃料電池分布式發電技術
燃料電池有那么多優點,主要應用場合第一個就是分布式發電技術。對于分布式發電技術,燃料電池優勢是哪些?
主要包括 1、模塊化和可擴展;2、易安裝和環境友好;3、用戶獨立供電;4、良好的調峰作用;5、零排放;6、工作的時候噪音低。
燃料電池實際上有很多種類,現在最常用的兩個,第一個PEMFC,一個是SOFC,PEMFC工作溫度70-50度,SOFC工作溫度700度,工作溫度不一樣決定工作模式不一樣,對于SOFC一般固定電站,因為對壽命造成很大的影響。
有了燃料電池以后,可以把傳統的電網和新網有機結合起來,能源或者太陽能發電,第一部分解決住宅居民用電、第二可以返回電網,燃料電池對于電網大規模調節有很好的補充作用。
燃料電池它用的氫,生成是水,這個水又是我們電網電解主要的來源,所以將來與傳統電網相比的話,我們如果組建由電變氣,以及氣變電兩種模式,可以把傳統電網和氣網有機結合在一起,將分散、分布式電源相互協調起來,保證電網可靠性和安全性。
對于電解來說舉一個例子,1兆瓦輸出燃料電池系統占地面積很小大概12米左右、高13米左右,長4米左右,而且總重量35-100噸左右。如果電解和供電全部加在一起,16兆瓦是30兆帕和50兆帕,現在可以做到150兆帕,總共面積650平方米,非常小的體積,所以燃料電池體積密度很高的。除了可以用風電也可以碳電,燃料電池需要場景400米。
三、燃料電池分布式良好補充
分布式能源在美國、日本、丹麥、德國等國家得到廣泛應用,而且分布式能源是我國重要的保障,我國發改委、能源局都制定相關政策推動分布式能源的發展。我國分布式能源發展現狀,前面很多專家都提到,實際上到2019年突破4000萬千瓦時,在可再生能源里邊主要一部分就是燃料電池,最有代表性是日本,2018年已經突破25萬臺套,到2030年目標想做到530萬臺套,對于燃料電池分布式比例和市場前景,不管國內還是國際一致看好。
目前中國燃料電池主要沿海地區,燃料電池從舊基建到新基建非常廣泛的應用,5G、數據中心、人工智能、工業互聯網、包括軌道交通,能源里邊有燃料電池汽車充電樁,燃料電池在新基建方面發揮重要的作用。
特別是中心基站,由4G向5G發展,2009年的時候是2000千瓦,如果升成5G可能10萬千瓦以上,以前燃料想氫從哪里來?現在可能風電、光電補充,也可以波谷進行補充,燃料電池在通訊基站應用以后,壽命比較長一般10-15年,而且可以遠程監控,監測氫氣產品剩余壓力,就可以及時補充氫氣。
實際上2009年和中國移動首先示范兩臺,運行兩年燃料電池狀態還非常良好,通過燃料電池遠程監控模式的話,以前每個基站一到兩個人,現在一個人可以管幾萬的基站,全程遠程監控,大大節省人力成本。
燃料電池在數據中心應用,大規模應用有供電的問題,今年科技部也列了一個重大專項,解決燃料電池用它用于熱電聯供,我們單位把這個項目拿下來,想做兩個示范,第一個珠海做數據中心3000千瓦,第二個新奧在北方做30千瓦熱電聯供,兩套燃料電池。燃料電池可以回歸電網,和光伏、儲能、充電樁有機結合起來,也是有效的儲能原件。
作為我們民用來說,燃料電池在江蘇、上海都有一些新能源小鎮的示范項目,這里邊很大一部分就是氫,2008年李克強總理到德國的時候,當時德國大規模風光氫去哪里?50%以上是氫,第一熱度比較高、第二碳排放比較少,大規模風光以后氫去哪?第一進到天然氣網,我國有示范,新加坡可以到15%,我國現在不到5%,如果大規模電解氫第一可以進入天然氣管網。
我們家電應用熱電聯供,相當于氫電池綜合能源分布,主要兩個燃料電池模式,目前對CCHP技術有比較多的困難,第一個LNG技術,系統集成上邊需要進一步突破;第二燃料電池大規模示范比較少,目前燃料電池與熱電聯供能量管理模式還需要進一步突破,這是我們燃料電池分布式能源里邊遇到的問題。
四、氫氧燃料電池技術
氫氧燃料電池也是一種,原來用的是空氣,為什么談氫氧?氧氣來源于電解的氧氣,用在儲能罐里邊,為什么氫氧重要性比較高?以前沒有大規模分裝電解水,現在如果電解水以后,電解水陽極反過來是氧氣、氫氣,正好比例可以為燃料電池發電,實際上理論可以做到完全閉合,就是電解水生成氫和氧,氫和氧形成水,水又回到電解槽,完全閉合。
燃料電池有區別,第一個壽命區別,最大問題水管理造成的問題,氫氧和氫風最大區別,氫氧需要生成氧氣排,有很多技術需要突破,2010年做到現在有很多問題許多突破,優勢把電解水完全消了,不需要外邊空氣,對外界空氣影響比較小,可以在海島地方直接埋地下不受空氣環境影響,第二個燃料電池水如果回收的話,它不需要水可以無人值守,第三沒有氫氣排放,也就沒有安全隱患。所以燃料電池如果把電解水和氣體全部密閉循環的話,就可以不受自然災害、空氣污染的影響,而且任何地方都可以運行,所以將來電解水大規模推廣一個非常重要的燃料電池技術。這是我全部匯報,謝謝大家!
(根據演講速記整理,未經演講人審核)