绿电制氢 | 助力中国实现能源自由

文摘   2024-07-14 14:17   浙江  
2023年,中国全年原油进口量5.64亿吨、进口金额2.37万亿元,分别比去年同期增加11%、减少2.6%;进口天然气1.20亿吨,进口金额0.45万亿元,分别比去年同期增加9.9%、减少3.4%。
原油和天然气对外依存度分别为72%和42%,国家能源安全问题严峻。

伴随着国内风电、光伏装机量的大幅提升,新能源电力价格已经接近甚至比煤电价格更低。而利用绿电来制氢,进而生产一系列基础化学原料,将能确保中国能源安全。

1、中国风光发电已具备成本优势
随着上游各大厂商卷技术、疯狂爆产能,下游发电成本越来越低。
2022年以来,光伏组件成本从2元/w,降低到0.9元/w以下。如果是大型集中式光伏项目招标,TOPCon组件价格基本稳定在0.8-0.85元/w。
中国电建集团2024年度光伏组件框架入围集中采购招标中,P型组件最低报价为0.806元/W,N型组件最低报价为0.87元/W。

现在一些大项目都不采购组件了,开始整体EPC招标,价格来到2元/w。

2024年7月10日,国投电力控股企业雅砻江流域水电开发有限公司公示了凉山木里茶布朗光伏发电项目光伏场区设计施工总承包中标候选人,总规模1.23GW,共划分3个标段。

主要参与企业包括中国电建、中核工业、中国安能集团旗下子公司参与,价格为1.85-2.1元/w。
按照25年运营周期,2,000元/kw的总包造价,一年发电时间1,600小时,绝对成本为

2,000/1,600/25=0.05元

如果将财务成本、运营成本、企业利润等考虑进去,光伏电站全周期的绝对电力成本也低于0.1元

对于风力发电,10MW风机价格降低到1元/w,风电epc每千瓦来到2,300元,已经在华北、东北和西北(“三北”)地区沙戈荒大基地实现!
2023年底,内蒙古能源集团阿鲁科尔沁100万千瓦风储基地项目的风力发电机组(含塔筒)及附属设备招标采购中,单机容量10MW的风力发电机组最低投标报价扣除塔筒后单价约为908元/kW,这创下了陆上风电机组单价的历史新低。

同样借鉴光伏电站的计算逻辑,风电电站全周期的绝对成本为

2,300/2,225/25=0.04元。

考虑到期间的各种成本,依然不会超过0.1元
所以,风光全生命周期的绝对成本都低于0.1元,这样绿电制氢的基础就有了。

2、绿电水解制氢的原理

中国是产氢大国,年产氢量达到3,300万吨。氢源包括化石原料制取的“灰氢”,碳捕集利用获得的“蓝氢”,可再生能源电解水制取的“绿氢”。

目前氢源严重依赖煤制氢。技术上,煤制氢会产生大量的二氧化碳,显然并不符合政策上描述的发展氢能促进产业脱碳的目的。

发展绿氢才是推广氢能的关键。
绿电水解制氢是指利用可再生能源(如太阳能、风能等)产生的电能,在电解槽中通过电解水的方式制取绿色氢气(绿氢)的过程。这一过程基于电解水的基本化学反应式:
2H₂O = (通电) 2H₂↑ + O₂↑
由于整个过程中使用的电力来源于可再生能源,因此所制得的氢气被称为“绿色氢气”,具有零排放、低碳的特点。

电解水制氢主要有3种工艺路线,包括碱性电解水技术(ALK)、质子交换膜电解水技术(PEM)、固体氧化物电解水技术(SOEC)
  • 碱性电解水技术,工艺成熟,单槽产氢量高,适合规模化应用。

    华能集团成功研发了1,300m³碱式电解槽,具备1.15倍过载运行能力。

    近年来,电极技术、隔膜技术不断突破,为碱式电解技术注入了新的生命。ALK技术不断升级,在未来依然是重要的电制氢方式。

  • 质子交换膜电解技术,响应快、功率密度高,适合新能源供电。
    2019年,大化所与阳光电源联合开发千瓦级质子膜制氢设备。2021年,中国石化首台质子交换膜装置在燕山石化投入使用,使用光伏绿电为冬奥会制氢。PEM催化剂材料代替金属效果较差,减小膜厚度后,通过能力变差。
    PEM技术,产氢纯度高、压力高,单槽功率不断增大,在未来高比例接入新能源的电力系统中,会发挥更大作用。

  • 固体氧化物电解技术,因工作温度降低了反应要求。
    包含质子-固体氧化物、氧离子-固体氧化物以及二氧化碳联合电解3种方式。SOEC技术有望被广泛应用于二氧化碳回收、燃料生产和化学合成品,这是欧盟近年来的研发重点。
    清华大学开展了千瓦级小试实验,考虑预热、辅机损耗,效率仍达到90%。SOEC技术在材料方面仍未取得突破,目前处于实验室阶段,未来会在热电联供领域起到支撑作用。
碱水电解技术工艺成熟,应用广泛,占比近60%;质子交换膜技术转换效率高,市场占有率不断提升接近30%;固体氧化物电解技术可实现热电联产,技术先进,是实验室研究热点。
3、绿氢的常见应用场景
  • 能源领域

在能源领域,绿电水解制氢技术可用于发电站、分布式能源系统等场景。此外,氢气还可作为燃料电池汽车的能源来源,替代传统的燃油车,实现交通领域的低碳转型。

  • 工业领域

在工业领域,绿电水解制氢技术可以为钢铁、化工等高碳排放产业提供低碳解决方案。通过电解水获取氧气和氢气,可以替代传统的高温炉渣工艺,减少碳排放。同时,绿氢还可作为石油化工行业的新型绿色原料来源,推动产业结构的优化升级。

  • 储能领域

氢气作为一种高效的储能介质,在储能领域具有广阔的应用前景。通过绿电水解制氢技术,可以将间歇、不稳定的可再生能源转化为化学能储存起来,在需要时通过燃料电池等方式释放能量,为能源系统提供稳定的电力供应。


4、绿氢的资源化利用

风光制氢后,氢气是不方便储存的,比如极为恶心的超低密度、氢脆、管道运输超高成本,安全性让人头大,所以在制氢气的基础上,需要继续向前走一步。

常见的主要有两种技术路线:绿氢制绿氨,绿氢制甲醇。

  • 绿氢制绿氨

在合适的条件下,将制备好的氢气与氮气进行反应,生成氨气。这一反应是合成氨生产中的关键步骤,其反应方程式为:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

该技术不仅能减少温室气体的排放,还有助于推动能源结构的优化和转型升级。


吉林大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目该项目是国内首个也是全球规模最大的绿氨项目,于2023年全面开工。项目总投资63.32亿元,主要分为光伏、风电与制氢合成氨三部分。项目预计2024年投产,建成后可年产绿氢3.2万吨、绿氨18万吨。

  • 绿氢制甲醇

绿电制甲醇主要以H₂和CO₂为原料,在高温高压条件下通过催化剂进行反应,生成甲醇。
CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O
甲醇分子结构简单,利用CO制备甲醇,可以依托现有的化工体系来实现,CO加氢合成甲醇是实现CO资源化利用的重要途径之一,也是解决温室效应、发展绿色能源和实现经济可持续发展的现实选择,对CCUS产业链条的发展具有的重要支撑作用。
赤峰市风光制氢百万吨绿色甲醇项目:该项目于2023年6月13日签约,中广核新能源投资(深圳)有限公司、扬州吉道能源有限公司协议投资约260亿元,项目落地巴林左旗和阿鲁科尔沁旗。该项目包含多个子项目,如中广核赤峰市巴林左旗百万吨甲醇一期年产20万吨生物质制甲醇项目,于2024年1月7日获备案,计划2024年5月开工,2026年4月建成,年生产量按实际新能源发电及制氢量为准,本项目甲醇规模为20万吨/年(规模),实际产量为17.5万吨/年。


5、绿电水解制氢未来发展趋势
按照浙江大学能源工程学院教授、氢能研究院院长郑津洋院士团队的研究结论,绿氢对于中国实现“双碳”目标意义重大。
除了自身是化工产品直接使用外,还可以作为基础化学原料,制备更加多元化的产品。同时电解水制氢,能够帮忙解决目前广大三北地区,由于电网吸纳能力有限,而普遍存在的弃风弃光问题。

绿电与绿氢输用结合,可提高可再生能源利用率、减轻外送压力。管道输氢和直流特高压输电有互补性,超大规模输送或终端使用氢气时,管输更经济。

绿氢应用广泛,但是现阶段还存在不少障碍。
  • 制取成本高昂,整体制氢成本仍高于煤制氢等传统方式。
  • 储运与输送难题,风光发电存在间歇性和波动性,无法保证绿氢生产的连续性,需要配套储能系统,但这也增加了整体成本;氢原子体积小,能够轻易地扩散进入金属材料的晶格,使金属的韧性和延展性降低,导致材料变脆,不易运输。
  • 安全性氢气是所有气体中密度最小、扩散速度最快的气体,一旦泄露,容易爆炸。


碳中和投资研究
浙江大学新能源硕士,专注双碳产业链投资!
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