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氢在能(源)量转换中的作用
作者: 来源: 发布时间:2024-03-25 13:56:48 阅读次数:950

图1:氢在使主要经济部门脱碳方面有七种作用


一、实现大规模、高效的可再生能源整合是电力部门面临的挑战,因为电力供需求在时间上不匹配(无论是日夜还是季节之间)。

整合大量间歇性能源至目标水平(超40%电力组合)将加剧对运营灵活性的需求。电气化提升与有限的电力储存能力亟需能源电力的有效储存方案。

针对此,可考虑电网基础设施升级或供需平衡技术,如灵活备用发电、需求侧管理或能源存储技术等。

氢的优势明显,在于其可以避免二氧化碳和颗粒物排放,也适合大规模部署和广泛应用。此外,氢可以通过两种方式提高能源系统的效率和灵活性(耗能和释能)。(下图2):

图2:多余的电力可以用来生产氢气,用于季节性储能


1、电解可以在供过于求的时候将多余的电力转化为氢气。产生的氢气可以在电力短缺时用作备用电源,也可以用于交通、工业(含化工)或住宅等其他领域。因此,它可以使多余的电能存储起来变现。可再生能源的增值潜力是相当可观的。氢可以提供集中或分散的主要或备用电源。像天然气一样,氢(或它的一种化合物)的提供的能量也能快速启停。


因此,氢有助于应对可再生能源供应的突然下降(例如,在恶劣天气事件期间)。此外,电解槽可以为电网提供辅助服务,如电网频率调节。氢也可以用于工业和建筑中的特定燃料电池热电联产,将热和发电连接起来。这提高了这些部门发电和供热的效率,并提高了整个能源系统的灵活性。下面会讨论到它的潜力。


2、氢可以作为无碳长期的季节性储存介质。氢代表了长期、无碳季节性储存的最佳整体解决方案。虽然电池、超级电容器和压缩空气也可以支持平衡,但它们缺乏解决季节性不平衡所需的功率容量或存储时间(见下图3)。

图3:氢最有希望用于长期无碳季节性储存


抽水蓄能为大规模、长期储能提供了氢的替代方案;它目前占全球电力存储的95%以上(全球162GW)。


然而,其剩余的未开发潜力受制于当地的地理条件,并且限制在全球年能源需求的1%左右(0.3 EJ)。这不足以应对季节性需求差异。目前,氢仍然是一种新颖的能源存储方式,但越来越多基于氢的大型存储示范项目正在世界各地计划、宣布或启动。此外,大量氢气的地下储存已成为行业惯例,并不存在重大技术障碍。


随着可再生能源所占比例的增加,氢气作为一种长期储存解决方案的部署预计将加速。在这种情况下,预计到 2030 年,在盐洞中储存氢气的成本将降至 140 欧元/兆瓦时(电能与电能之比)。这甚至低于抽水蓄能的预计成本(2030 年约为 400 欧元/兆瓦时)。总而言之,氢能可以更经济地将大量间歇性能源整合到系统中,并提供急需的灵活性以保持系统的弹性。


二、在各个部门和地区分配能源


再生能源再分配。一些国家,如日本,不具备仅靠风能或太阳能发电的条件。其他国家可能需要时间来筹集必要的投资。在某些情况下,进口可再生能源可能更为经济,例如,将低成本的太阳能从阳光带国家带到阳光较少的地区。由于氢及其化合物具有高能量密度且易于运输,它们将有助于有效灵活地(重新)分配能源。尽管长距离输送电力会伴随能量损失,但氢气管输效率却近乎完美。此特性让氢气在长途大规模输送可再生能源时更具经济吸引力,如从中东高潜力可再生能源发电区输往能源需求高的欧洲。进口氢气或为长期战略,旨在应对可再生能源增长期或确保冬季电力稳定供应。当前,氢作为新颖储能方式正在全球范围内推广,如丹麦、加拿大、日本和亚太地区的示范项目。地下氢气储存已成行业惯例,技术障碍不大。随着可再生能源占比提升,氢气作为长期储存方案的部署有望加快。预计到2030年,盐洞储氢成本将降至140欧元/兆瓦时,低于抽水蓄能的400欧元/兆瓦时。


三、充当缓冲区以增加能源系统弹性
氢可以帮助全球能源储存与不断变化的能源需求保持一致。它的高能量密度、长储存容量和可变用途使氢非常适合作为能源缓冲和战略储备。


如今,能源系统的备用容量约为90 EJ(占最终年能耗的24%),几乎全部来自于化石能源。也没有看到任何迹象表明缓冲需求的数量在未来会显著减少。但是,随着消费者和电力部门转而使用替代能源载体,化石燃料作为后备能源的使用可能会减少,因为这种缓冲燃料只服务于消耗化石燃料的应用。最有效的缓冲机制是将反映(或可转化为)终端应用的能源载体混合在一起。这种混合将包括化石燃料、生物燃料/生物质/合成燃料和氢气。


四、运输业脱碳


燃料电池电动汽车(FCEV)在脱碳运输中发挥着重要作用。


今天,石油在满足世界运输需求的燃料组合中占主导地位。汽油和柴油占燃料总消耗量的96%,占全球碳排放量的21%(如下图4)。


图4:氢燃料电池汽车将在交通运输脱碳中发挥重要作用


像混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)这样的高效混合动力汽车已经在减少汽车排放。然而,完全脱碳的交通运输将需要部署零排放车辆,如氢动力FCEV和电池电动汽车(BEV),或它们的混合动力组合。技术进步和移动出行的新趋势(例如,互联汽车、自动驾驶技术和共享出行)将影响部署的相对水平和过渡速度。


两种类型的电动汽车都使用相似和互补的技术,并特别适合于服务不同的细分市场和客户。除了降低二氧化碳排放外,这两项措施还有助于改善当地空气质量和减少噪音。氢燃料电池汽车有几个显著的优点。首先,他们可以长距离行驶而不需要加油(已经超过500公里),这是消费者非常重视的一个特点。


其次,它们的加油速度很快(3到5分钟),类似于目前的汽油/柴油汽车,这增加了消费者的便利性。第三,由于储氢系统的重量能量密度(与电池相比)要高得多,FCEV动力系统的成本和重量对存储能量(千瓦时)的敏感性较低。这增加了它的吸引力和采用需要大量能量存储的车辆的可能性(例如,重载能力和/或长距离/大量使用)。


最后,FCEV基础设施可以建立在现有的汽油分销和零售等加油站基础设施上,创造成本优势,并保留当地的就业机会和资本资产。燃料电池汽车将出现在所有领域。考虑到上述指出的好处,它们在乘用车(例如,中型到大型汽车、出租车等)、重型运输、公共汽车和非电气化火车脱碳方面尤为重要。由氢制成的合成燃料在航运和航空领域的应用也在探索之中。