讓燃料電池測(cè)試更智能
前言
氫能的開(kāi)發(fā)利用是應(yīng)對(duì)全球氣候變化，保障國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的重要途徑之一。對(duì)比了氫儲(chǔ)能技術(shù)與當(dāng)前主要儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵性參數(shù)，結(jié)果顯示氫儲(chǔ)能技術(shù)具有整體性系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)；探討了氫能在未來(lái)綜合能源系統(tǒng)中工業(yè)用戶(hù)、交通運(yùn)輸、建筑熱電聯(lián)供、能源企業(yè)潛在的應(yīng)用途徑及未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)；給出了對(duì)中國(guó)氫能發(fā)展的啟示。為氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。
引言
隨著能源體制變革、技術(shù)發(fā)展、系統(tǒng)形態(tài)升級(jí)，能源服務(wù)形態(tài)呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。綜合能源服務(wù)能夠滿(mǎn)足用戶(hù)多元化需求、拓展企業(yè)盈利空間、提升社會(huì)整體能效[1-2]。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是綜合能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“心臟”功能的直接工具，能夠在綜合能源系統(tǒng)中發(fā)揮緩沖器、聚合器和穩(wěn)定器的作用[3-4]，而氫能作為一種清潔、高效、易規(guī)?；哪茉磧?chǔ)存與轉(zhuǎn)化技術(shù)，已廣泛應(yīng)用合成氨和冶煉廠加氫等大規(guī)模工業(yè)中[5-7]。
近年來(lái)，受能源政策、市場(chǎng)以及相關(guān)氫能利用技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，氫能為綜合能源系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)電氣化的行業(yè)和應(yīng)用提供了更多可行和適用的選擇[8-9]。截至 2019 年底，50 多個(gè)國(guó)家制定了相關(guān)政策激勵(lì)措施來(lái)支持氫能在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[2]。文獻(xiàn) [10-12] 針對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)比了電解制氫與其他制氫技術(shù)的成本，并基于燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power，CHP）技術(shù)討論了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源電力行業(yè)中的應(yīng)用。文獻(xiàn) [13-15] 探討了氫作為能源載體的作用以及氫能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，預(yù)計(jì) 到 2050 年，全球最終能源需求 的18% 可以通過(guò)氫氣滿(mǎn)足，這一數(shù)量相當(dāng)于 78 EJ， 相應(yīng) CO2 減排潛力為 6 Gt/年。文獻(xiàn) [16-17] 綜合分析了氫能在日本和德國(guó)未來(lái)能源系統(tǒng)中的作用，對(duì)比了不同氫供應(yīng)鏈條件下的溫室氣體排放強(qiáng)度，指出了未來(lái)潛在的清潔氫能供應(yīng)國(guó)。在未來(lái)能源系統(tǒng)框架中，日本氫能源主要用于發(fā)電，較小比例用于交通運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域，而德國(guó)主要用于交通運(yùn)輸，較少用于發(fā)電和工業(yè)領(lǐng)域。文獻(xiàn) [18-19]以氫能在綜合能源系統(tǒng)中 35 個(gè)應(yīng)用案例為研究對(duì)象，對(duì) 40 種氫氣生產(chǎn)和分配技術(shù)進(jìn)行了建模分析，探討了氫能價(jià)值鏈的成本動(dòng)態(tài)以及各環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，給出了氫產(chǎn)業(yè)鏈的整體架構(gòu)，預(yù)計(jì)到 2030 年，氫能價(jià)格低至 1.8 美元/kg，將占據(jù)15% 的全球能源需求份額。
能源系統(tǒng)的深度脫碳需求、整合大量波動(dòng)性可再生能源并網(wǎng)都將成為氫能快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，研究氫能在未來(lái)能源系統(tǒng)中的應(yīng)用前景意義重大。首先比較了氫儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能方式的技術(shù)特點(diǎn)及關(guān)鍵參數(shù)，分析了氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用途徑及進(jìn)展，指出了未來(lái)氫能應(yīng)用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并給出了對(duì)國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示。
1 氫儲(chǔ)能與常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)比較
1.1 常規(guī)儲(chǔ)能技術(shù)
儲(chǔ)能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）具有以電荷形式存儲(chǔ)電能并在需要能量時(shí)允許放電的能力。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，能量?jī)?chǔ)存方式多種多樣，常見(jiàn)的機(jī)械儲(chǔ)能方式有抽水蓄能（pumped hydro storage，PHS）、壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage，CAES）、飛輪儲(chǔ)能（flywheel energy storage，F(xiàn)ES）[20] 等；電磁儲(chǔ)能有超級(jí)電容儲(chǔ)能（ supercapacitors， Super-C）、超導(dǎo)儲(chǔ)能（superconducting magnetic energy storage，SMES）等；電化學(xué)儲(chǔ)能主要指電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括鉛酸電池、鎳鉻電池（ nickel cadmium battery, NiCd）、鋰離子電池（lithium ion, Li-ion）、鈉硫電池（sodium sulphur battery，NaS）等；相變儲(chǔ)能主要指熱儲(chǔ)能（thermal energy storage，TES），目前研究較多是采用熔鹽儲(chǔ)能；化學(xué)儲(chǔ)能 3 個(gè)常見(jiàn)途徑是氫氣、氨和合成氣，其中氫儲(chǔ)能（Hydrogen）最具吸引力的能量?jī)?chǔ)存方式之一。
1.2 儲(chǔ)能技術(shù)比較
1.2.1 技術(shù)成熟度
常見(jiàn) ESS 的技術(shù)成熟度如圖 1 所示。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中 PHS、CAES 的技術(shù)相對(duì)成熟，但兩者均依賴(lài)特殊的地址條件，其大規(guī)模發(fā)展受到制約，但由于其啟停靈活、反應(yīng)迅速，具有調(diào)峰填谷、緊急備用和黑啟動(dòng)等功能，國(guó)家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司仍相繼投建數(shù)座 PHS。為了提高效率、更好地調(diào)整電網(wǎng)頻率，研究人員正在開(kāi)發(fā)變速渦輪機(jī)。現(xiàn)有超過(guò) 180 GW 的 PHS 存儲(chǔ)容量，80% 位于歐洲、中國(guó)、日本和美國(guó)。其他較為成熟的是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于原材料市場(chǎng)供應(yīng)充足、技術(shù)進(jìn)步較快，成本進(jìn)一步降低，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將進(jìn)一步發(fā)展。近期，太平洋天然氣和電力公司（PG&E）的 Elkhorn 電池儲(chǔ)能項(xiàng)目（182 MW/730 MW·h）已獲批準(zhǔn)，未來(lái)將為全球知名的科技中心硅谷供電。隨著氫利用技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步成熟，以及可再生能源的氫供應(yīng)成本下降，人們已認(rèn)識(shí)到氫能可在未來(lái)清潔、安全的能源系統(tǒng)中發(fā)揮更關(guān)鍵的作用，技術(shù)成熟度上升較快，呈現(xiàn)規(guī)模性效應(yīng)[21]。
1.2.2 系統(tǒng)效率及壽命
圖 2 為 常 見(jiàn) ESS 的系統(tǒng)效率和運(yùn)行壽命比較。ESS 循環(huán)效率最高的是 SMES，它將電流儲(chǔ)存在由電流流過(guò)超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，由于超導(dǎo)線圈沒(méi)有電阻，損耗幾乎為零，僅有附屬電力設(shè)備如交流/直流轉(zhuǎn)換器造成的 2%~3% 的損耗[22]。FES 和 Li-ion 的系統(tǒng)效率也較高。ESS 的能量損耗主要來(lái)源于不同組件之間的能量傳遞過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)充電和放電過(guò)程中的能量損耗，可以提高 ESS的效率。機(jī)械儲(chǔ)能方式中 PHS 和 CAES 的使用壽命最長(zhǎng)，分別為 40~80 年和 25~60 年。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，電池的化學(xué)性能變差，使用壽命相對(duì)較短，大多低于 20 年。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率 為 35%~55%[ 2 0 , 2 3 ]，低于常 規(guī)ESS，其主要受氫價(jià)值鏈中采用不同技術(shù)路徑的影響，如汽車(chē)中氫燃料電池效率約為 60%，而通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的效率約為 20%，綜合考慮氫能的價(jià)值鏈，氫儲(chǔ)能的壽命為 15~50 年[24]。
1.2.3 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及投資成本
圖 3 為 常 見(jiàn) ESS 的響應(yīng)時(shí)間與投資成本比較。由圖 3 可知，SMES、FES 和 Super-C 的單位投資成本低于其他儲(chǔ)能技術(shù)，鑒于它們的快速響應(yīng)時(shí)間，通常用于短期能量?jī)?chǔ)存[5, 22]。在已開(kāi)發(fā)的技術(shù)中，SMES 的單位投資成本最低，響應(yīng)時(shí)間最短[22-24]。電池儲(chǔ)能單位成本相對(duì)較高。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本適中，為 1500~2400 美元/kW[25]。響應(yīng)時(shí)間在可接受的分鐘級(jí)范圍內(nèi)，其系統(tǒng)成本及響應(yīng)時(shí)間同樣受氫價(jià)值鏈中采用不同技術(shù)路徑的影響。
2 氫能在綜合能源系統(tǒng)中應(yīng)用路徑
氫可以直接以純凈形式使用，或作為合成液態(tài)或氣態(tài)氫基燃料（合成甲烷或合成柴油）以及其他能源載體（氨）的基礎(chǔ)。目前大多數(shù)氫氣用于工業(yè)領(lǐng)域，直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)熱源，有效減少碳排放，其中煉油廠、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)消耗氫氣比例分別為 33%、27%、11%，另外 3% 的氫氣用于鋼鐵生產(chǎn)[18]。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氫能可以廣泛用于能源企業(yè)、交通運(yùn)輸、工業(yè)用戶(hù)、商業(yè)建筑[17-19] 等領(lǐng)域，如圖 4 所示。既可以通過(guò)燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)、軌道交通、船舶等領(lǐng)域，降低長(zhǎng)距離高負(fù)荷交通對(duì)石油和天然氣的依賴(lài)；還可以利用燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)、燃料電池技術(shù)應(yīng)用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供暖供電。表 1 列出了部分典型氫能利用案例。
2.1 氫能應(yīng)用于工業(yè)用戶(hù)
目前，工業(yè)用戶(hù)中的氫幾乎完全來(lái)自天然氣、煤炭和石油的大規(guī)模制氫，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，采用可再生能源發(fā)電制氫耦合工業(yè)用戶(hù)，既可以提供無(wú)碳?xì)?，又可以提供可再生電力，避免化石燃料的碳排放?wèn)題。氫用于工業(yè)用戶(hù)中的途徑有：（1）煉油，加氫處理和加氫裂化去除雜質(zhì)，提高中間餾分油的精收效率；（ 2） 化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工業(yè)原料和燃料；（3）鋼鐵，代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐及堿性氧氣轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中常用的焦炭和天然氣[2, 17]。
基于氫的合成燃料儲(chǔ)存更容易，可利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施輸送，為海事、鐵路、航空提供可靠的清潔燃料。2019 年 11 月，德國(guó)蒂森克虜伯鋼鐵集團(tuán)正式注入杜伊斯堡 9 號(hào)高爐；奧地利林茨奧鋼聯(lián)鋼廠 6 MW 電解制氫裝置投產(chǎn)，開(kāi)啟了氫能冶金時(shí)代。中國(guó)寶武鋼鐵、鞍鋼、酒鋼等均開(kāi)始可再生能源制氫-氫能冶金立項(xiàng)，探尋循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可行性。
2.2 氫能應(yīng)用于交通運(yùn)輸
長(zhǎng)期以來(lái)，氫作為潛在的交通燃料，被視為石油和天然氣的清潔替代品。氫動(dòng)力系統(tǒng)因其零碳排放和廣泛的適應(yīng)性有望成為交通運(yùn)輸部門(mén)實(shí)現(xiàn)快速減排的少數(shù)選擇之一，這依賴(lài)于燃料電池技術(shù)的發(fā)展，常見(jiàn)燃料電池包括：質(zhì)子交換膜電池（ proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）、磷酸電池（phosphoric acid fuel cell，PAFC）、熔融碳酸鹽電池（molten carbonate fuel cell，MCDC）和固體氧化物電池（solid oxide fuel cell，SOFC），綜合考慮工作溫度、催化劑穩(wěn)定性、電效率、比功率/功率密度等指標(biāo)，最常用于交通運(yùn)輸行業(yè)的是 PEMFC。目前氫能燃料電池用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域主要包括：（1）道路運(yùn)輸，如小型汽車(chē)、公共汽車(chē)、卡車(chē)和其他貨車(chē)；（2）海事行業(yè)，如船舶、港口；（3）鐵路和航空；（4）其他特殊領(lǐng)域，如救援車(chē)輛、深海裝備等。
相比于純電動(dòng)汽車(chē)，氫燃料電池汽車(chē)、卡車(chē)及叉車(chē)的燃料加注時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)，但氫燃料汽車(chē)的綜合能量利用效率僅為 25% 左右，雖然高于傳統(tǒng)合成燃料內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的 15%，但遠(yuǎn)低于純電動(dòng)汽車(chē)約 70% 的綜合能量利用效率，研究表明當(dāng)燃料電池成本為 75~100 美元/kW 時(shí)，氫燃料電池汽車(chē)可以在續(xù)航里程為 400~500 km 內(nèi)與純電動(dòng)汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)，氫燃料電池汽車(chē)對(duì)于有更高里程要求的消費(fèi)者更有吸引力[17-18]。目前氫在海事、鐵路和航空領(lǐng)域的應(yīng)用處于示范階段，主要用于輔助動(dòng)力單元，而歐洲碳排放交易體系的不斷擴(kuò)大為氫能在這些領(lǐng)域的應(yīng)用提供了潛在的空間。2019 年 11 月，中國(guó)首列氫燃料電池有軌電車(chē)在佛山投運(yùn)。2020 年 1 月，美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合能源部啟動(dòng)氫燃料電池應(yīng)急救援車(chē) H2Rescue 項(xiàng)目，基于氫燃料電池/鋰電池混合系統(tǒng)，開(kāi)啟微電網(wǎng)搭建、供熱和供水一體化研究。
2.3 氫能應(yīng)用于能源企業(yè)
目前，全球氫能發(fā)電比例很小，約占總發(fā)電量的 0.2%。隨著對(duì)能源行業(yè)深度脫碳要求的進(jìn)一步提高，氫能應(yīng)用于能源企業(yè)路徑主要有：（1）氫為燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池提供燃料，作為備用電源或離網(wǎng)供電，為易停電和偏遠(yuǎn)地區(qū)的關(guān)鍵設(shè)施（如醫(yī)院，通信基礎(chǔ)設(shè)施等）提供備用電源，成為電力系統(tǒng)的一個(gè)靈活性電源；（2）氫轉(zhuǎn)化成氨，與煤粉共燃，降低傳統(tǒng)燃煤電廠的碳排放強(qiáng)度；（3）氫以壓縮氣體、氨或合成甲烷的方式儲(chǔ)存，平衡電力需求和可再生能源的間歇性波動(dòng)。
日本和韓國(guó)均明確了在能源企業(yè)中使用氫或氫基燃料的目標(biāo)，日本希望在 2030 年氫發(fā)電能力達(dá)到 1 GW，韓國(guó)氫路線圖設(shè)定目標(biāo)是 2022 年電力行業(yè)中燃料電池裝機(jī)容量為 1.5 GW，2040 年達(dá)到 15 GW[17]。2020 年 2 月，北美擬投資可再生能源-氫發(fā)電樞紐項(xiàng)目替代 1800 MW 的 Intermountain燃煤電站，為南加州提供可靠的清潔能源，從2025 年開(kāi)始，每年春、秋兩季將有 538 MW 可再生能源用來(lái)制氫，可再生能源制氫成本可能低至1.5~2.9 美元/kg，氫氣將儲(chǔ)存在地下鹽洞，通過(guò)100% 氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電[19]。
2.4 氫能應(yīng)用于建筑熱電聯(lián)供
在住宅建筑領(lǐng)域，75% 的傳統(tǒng)能源用于空間供暖、熱水和烹飪。氫可與天然氣混合（氫氣摻混比例為 0~20%），通過(guò)基于燃?xì)廨啓C(jī)或燃料電池的 CHP 技術(shù)，利用現(xiàn)有建筑和能源網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供靈活性和連續(xù)性的熱能、電力供應(yīng)，從而取代化石燃料 CHP。
基于燃?xì)廨啓C(jī)的 CHP 可通過(guò)布雷頓-朗肯循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱、電聯(lián)供，氫氣通過(guò)高溫燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行燃燒，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃燒形成的高溫蒸汽通過(guò)余熱鍋爐吸收產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)小汽輪機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)排汽作為熱源提供熱量，整體循環(huán)效率可達(dá) 55%。日本某微型氫燃?xì)廨啓C(jī)已成功向社區(qū)供應(yīng) 2.8 W 熱能和 1.1 MW 電力[18]。
基于燃料電池的 CHP 最常用的是 PEMFC 和SOFC 技術(shù)。CHP 中的 2 種類(lèi)型的電池都可以由熱或電功率驅(qū)動(dòng)，并且由于其緊湊的尺寸可以部署為微型 CHP。它們既可以直接用氫氣作為燃料，也可以用天然氣或沼氣作為燃料，而在裝置內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫氣。如果產(chǎn)生的熱量具有足夠高的溫度，則該系統(tǒng)還可以通過(guò)吸附（三聯(lián)產(chǎn)）提供冷卻，整體運(yùn)行效率可達(dá) 60%?！癊ne-Farm”項(xiàng) 目 從 2009 年開(kāi)始，已相繼投 入 30 多萬(wàn)套微 型CHP 單元，單元成本已從 3.5 萬(wàn)美元降至 0.9 萬(wàn)美元。此外，100% 的純氫可通過(guò)氫鍋爐用于建筑供熱，但氫氣價(jià)格需低至 1.5~3.0 美元/kg 時(shí)，才能與天然氣鍋爐和電動(dòng)熱泵競(jìng)爭(zhēng)。2019 年 6 月，由BDRThermea 研制的世界第 1 臺(tái)純氫家用鍋爐在荷蘭羅森堡投入使用，初始供暖量將滿(mǎn)足總熱量需求的 8%，該項(xiàng)目與荷蘭北部海上風(fēng)電制氫、鹽洞儲(chǔ)氫及格羅寧根氫燃料電池列車(chē)構(gòu)成了荷蘭氫能利用藍(lán)圖的雛形。
3 應(yīng)用途徑分析
為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》中的目標(biāo)，全球能源系統(tǒng)必須進(jìn)行深刻的變革，可再生能源的低碳電力可能成為首選的能源載體，電力在全球終端能源消耗中的份額到 2050 年需要增加近 40%。但對(duì)于難以通過(guò)電氣化實(shí)現(xiàn)脫碳的行業(yè)（如物流、工業(yè)用戶(hù)），各國(guó)政府正在逐步認(rèn)識(shí)到可再生能源耦合氫能是實(shí)現(xiàn)零碳凈排放的重要選擇之一。
（1）目前，90% 的氫用作工業(yè)原料，但這部分氫大多來(lái)源于化石燃料，未來(lái)工業(yè)用戶(hù)的深度脫碳途徑是利用可再生制氫來(lái)替代這部分氫氣。制氫成本與碳排放成本是影響該用途進(jìn)展的關(guān)鍵因素。氫氣綜合成本為 1.2~2.3 美元/kg 時(shí)，可再生能源制氫的競(jìng)爭(zhēng)力大大提升，但這并不妨礙氫能在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)到 2030 年，氫能需求量為 10~15 萬(wàn) t/年[17]，如圖 5 所示。
（2）氫能已經(jīng)逐步用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域的城市用車(chē)、短程公共車(chē)，但大范圍推廣仍受限于氫燃料電池及車(chē)載氫罐的成本，以及氫供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施完善程度。但對(duì)于重型卡車(chē)或遠(yuǎn)程運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，氫能仍是該領(lǐng)域脫碳成本最低的方法之一。隨著氫燃料和車(chē)輛成本的降低，鼓勵(lì)政策的實(shí)施及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的完善，預(yù)計(jì)到 2030 年，交通運(yùn)輸行業(yè)氫能需求量為 7~15 萬(wàn) t/年[18]。
（3）氫能主要作為清潔燃料為能源企業(yè)提供熱量和電力，但目前仍受限于較高的制氫成本，但整體考慮系統(tǒng)年利用率及資本支出，氫能用于熱電原料比例將會(huì)進(jìn)一步提升。相比之下，氫能以?xún)?chǔ)能的方式為電網(wǎng)提供平衡和靈活性的方法更有競(jìng)爭(zhēng)力，大容量?jī)?chǔ)氫成本未來(lái)低至 0.3 美元/kg。預(yù)計(jì)到 2030 年，能源企業(yè)的氫能總需求量為 10~18 萬(wàn) t/年[6]。
（4）建筑的供熱和電力需求約占全球能源需求的 1/3，而對(duì)于分布式供暖，氫能是少數(shù)幾種可以與天然氣競(jìng)爭(zhēng)的低碳替代品，隨著制氫成本和氫鍋爐、燃料電池成本的下降，以及氫氣利用現(xiàn)有天然氣管道輸送能力的提升，預(yù)計(jì)到 2030 年，CHP 中氫鍋爐與氫燃料電池的成本為 900~2000 美元/（戶(hù)·年），建筑熱電聯(lián)供的氫能需求量為 3 萬(wàn)~ 9 萬(wàn) t/年[14]。
雖然氫能已經(jīng)在能源系統(tǒng)中的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈中基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，氫能供應(yīng)鏈中制氫技術(shù)的成本問(wèn)題，長(zhǎng)距離、大容量?jī)?chǔ)運(yùn)經(jīng)濟(jì)安全問(wèn)題及終端加氫設(shè)施成本等問(wèn)題仍是目前亟須解決的。
4 對(duì)中國(guó)氫能發(fā)展的啟示
氫能在國(guó)內(nèi)能源電力領(lǐng)域的應(yīng)用前景仍有部分爭(zhēng)議，幾乎所有的氫能和燃料電池技術(shù)還依賴(lài)于公共財(cái)政的支持，但中國(guó)在制氫方面具有良好的基礎(chǔ)，工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫已開(kāi)展項(xiàng)目示范。中國(guó)氫能聯(lián)盟已牽頭開(kāi)啟氫能在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。綜合以上研究，對(duì)中國(guó)氫能發(fā)展帶來(lái)以下啟示。
（1）氫能產(chǎn)業(yè)目前仍處于市場(chǎng)導(dǎo)入期，氫能的“制—儲(chǔ)—運(yùn)—用”環(huán)節(jié)與世界先進(jìn)水平仍存在較大差距。需要盡快將氫能經(jīng)濟(jì)納入國(guó)家能源體系中，研究制訂國(guó)家氫能發(fā)展路線圖、明確氫能利用目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)布局，引導(dǎo)地方根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)差異化發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。
（2）除交通運(yùn)輸外，氫能在能源企業(yè)、工業(yè)用戶(hù)及建筑部門(mén)的商業(yè)化應(yīng)用應(yīng)作為氫能戰(zhàn)略參考指標(biāo)，明確氫能在低碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略作用。
（3）氫能產(chǎn)業(yè)化布局基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，應(yīng)加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用。加快推進(jìn)可再生能源制氫、氫儲(chǔ)能、氫能利用等關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同研究，對(duì)關(guān)鍵材料及核心部件技術(shù)創(chuàng)新加大財(cái)政補(bǔ)貼。
5 結(jié)語(yǔ)
（1）隨著氫利用技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步成熟，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)成熟度上升較快。與其他常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在系統(tǒng)效率、運(yùn)行壽命、機(jī)組響應(yīng)時(shí)間和投資成本等關(guān)鍵參數(shù)上均處于中間位置，但考慮氫能在未來(lái)能源系統(tǒng)中深度脫碳的重要作用，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用途徑。
（2）氫儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)可用于工業(yè)用戶(hù)，提供化工原材料及高溫?zé)嵩?；用于交通運(yùn)輸中車(chē)輛的脫碳；用于能源企業(yè)，取代化石燃料發(fā)電、供暖，或者以?xún)?chǔ)能的方式提高電網(wǎng)靈活性；用于建筑熱電聯(lián)供，提高能量利用效率。
（3）氫能還未充分發(fā)揮在低碳能源系統(tǒng)中的作用，需要從國(guó)家戰(zhàn)略層面、核心技術(shù)研發(fā)投入、財(cái)政補(bǔ)貼等方面進(jìn)一步加大支持力度，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
來(lái)源：中國(guó)電力
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