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氢储能发展为什么需要中国政府主导

2019-07-08    来源:观察者网
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[ 导读 ]:中国氢储能虽然发展晚,但在近期政策的引导下,也成开始成为了热门投资方向和研究领域。
前段时间,笔者对于美国取消中国光伏行业关税(201调查)背后的“来龙去脉”进行了梳理,在文章的最后,提到由于“531新政”和光伏技术价格跟着成本一起降低,获利有限,一些公司已经把目光投向了储能产业。恰巧的是,上星期受邀参观了一家大型电力设备制造公司的氢燃料电池制造,了解了氢储能相关情况,并对目前的储能技术发展近况进行了交流。



(氢燃料电池汽车正在组装)

这里所说的储能主要是针对电储能,将电能储存起来的技术。按照储存介质进行分类,可以分为机械类(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能)、电气类(超级电容储能、超导储能)、电化学类(各种二次充电电池)、热储能(储热、储冷)、化学类(合成天然气和氢气储能)。前面所说氢燃料电池就是氢储能的关键一环。



为什么要进行电储能?因为发电厂所供应的电力是持续不断的,以水利发电为例,一旦发电开始,就会稳定输出电流,但是居民用电量在不同的时间段,用电的需求不同,白天是用电高峰,夜晚进入用电低谷。那么夜晚多余的电力怎么处理?发电厂不可能频繁地开启关闭发电机组。所以为了避免夜晚电站的电力的浪费,就需要将低谷时期的电能储存起来,在用电高峰是再将储存的电力输出,缓解用电高峰。

当然,这是针对大规模电力剩余进行储能,在一些发达国家,企业或居民建立自发自用的电力设备,通常利用小型的储能设备储存电力,供企业或家庭使用。而前者的大型储能与后者的小型储能所需要的技术是不同的。

大规模电力储存,使用最多的技术是抽水蓄能,国内对这项技术的使用已经非常成熟,中国抽水蓄能装机容量已是世界第一。而对于小规模电力储存,使用最多的是化学电池储能,我们最常见的电动公交车就是利用化学电池储能,使用便捷,无尾气排放。

不过相比于前两者,氢储能因其独特优势,也成为储能界的“新宠儿”,欧、美、日等发达国家早在很多年前就对氢储能技术进行研究。中国氢储能虽然发展晚,但在近期政策的引导下,也成开始成为了热门投资方向和研究领域。

抽水蓄能与化学电池储能 成熟的储能技术

在大规模储能方面,我们国家目前应用最广泛的是抽水蓄能。大型的电力企业,如:国家电网、三峡集团等,已经在地理条件合适的地区(上下游能够形成水位落差)建立有大型抽水蓄能电站。今年2月,国家电网有限公司开工建设河北抚宁、吉林蛟河、浙江衢江、山东潍坊、新疆哈密抽水蓄能电站。此前,三峡集团也投资建设了浙江天荒坪与内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站。



(抽水蓄能)

众所周知,抽水蓄能在调频、调相、事故备用和削峰填谷方面有着无可替代的优点。在居民用电低谷时将水抽取到地势高的地方储存起来,在用电高峰时进行发电。人们一般对“抽水蓄能电站如何运行”的问题存在疑惑,实际上,电站的抽水泵不是单独存在的,它和发电机(水轮机)是一体的,即水流正向冲击叶片,机组发电。叶片逆向转动,进行抽水蓄能。而且,据专家透露,东方电气公司已经为中国电网和三峡集团集团提供了这种蓄水发电一体的水轮机,这种抽水发电技术在国内已经较为成熟。

但是抽水蓄能也有缺点,它受到地理限制,在平原地区,地势平坦,无法抽水蓄能形成高水位差,难以将水的势能转化为电能。对于环境也存在影响,蓄水后,周边生态肯定会受到影响,可能形成小气候。而且,上游地下岩石是否可以承受巨大的水重力也需要评估。

与大型的抽水蓄能不同,化学电池是将电能转变为化学能储存起来,它具有分布式储能特点,直接面向用户,按照用户需求就地供应能量,满足中、小型电能需求(如:电动汽车用电需求)。



(锂电池组,便捷灵活)

不过,化学电池能量密度低,大约是汽油的二十分之一,所以电动汽车只能在有限的范围内行使。电池的突破难以实现,这是由于基本的物理学原理限制,因此,今天的锂电池和电动汽车活动范围还无法有效改善。有一些理论上的电池化学物质,如锂-硫和锂-氧,有朝一日可能接近汽油,但目前还没有制造商将它们用在汽车上。

电化学储能在环境污染,经济性和储量大小上的劣势明显,一定时期内无法取代抽水蓄能。不过,在多种非抽蓄储能技术中,电化学储能被认为是最具发展前景的技术之一。与抽水蓄能相比,电化学储能具有建设周期较短、选址要求低和建设规模灵活等特点,应用范围广泛。近几年我国电化学储能市场发展迅速,但是由于经济性和续航性的制约,电化学储能仍无法实现大规模推广

氢储能备受关注 原因何在

氢未来可以作为像石油、天然气一样的化石原料进行运输,而且无污染,能量密度高。作为动力而言,氢气的能量密度约为今天电池的三倍,延长汽车的运行里程没有障碍,加氢速度快,比起电池充电节省时间。

未来氢能应用的关键是燃料电池技术,它是一种把燃料的化学能直接转换为电能的发电装置。氢燃料在装置内的催化剂作用下,与氧进行化学反应产生电能。这种燃料电池发电率高,反应产物为无污染的水,反应温度低,噪声小。



氢燃料电池与锂电池各有优缺点,细分下来,在充电/补充燃料时间、污染程度、续航里程、充电站成本、电池成本上,两位各有强项。

比如氢燃料电池只需要几分钟就可以补充燃料,但锂电池即使使用快速充电方法一般也得一个多小时。

氢燃料电池应用领域包括:发电系统、交通动力和特种电源。以特种电源为例,军队使用的柴油发电机,会被敌方卫星扫描检测到军队的分布,而使用氢燃料电池可以有效避免这种情况。

燃料电池对中国有许多优势,可以帮助中国减少对进口能源和原材料的依赖,像锂电池需要许多贵金属,如钴、锂和镍,但大多数燃料电池仅需要铂,作为催化剂,其水平为每千瓦约0.5至0.6克。

虽然大多数氢气是由化石燃料(甲烷)产生的,并用于炼油和化学工业。但中国有另一解决方案,通过电解水产生氢气,因为过去对可再生资源(风能和光伏发电)的投资,产生了大量剩余的电力,可以可利用这些电能制氢,避免了电力的浪费,同时也解决了间歇性风能和太阳能不能很好的融入电网的难题。

据估计,中国每年约有150千兆瓦的可再生能源发电量,它无法整合到电网中。国际氢燃料电池协会副秘书长表示,这些电能可用于为1800万辆乘用车提供动力,中国不需要担心氢气供应。

国内的氢燃料电池技术瓶颈

氢燃料电池最核心的就是膜电极与催化剂,需要在膜电极上喷涂催化剂(含有铂金属),然后将膜电极与双极板压制在一起,形成膜燃料电池堆。在这方面,东方电气集团走在前列,其膜电极产品已经成功应用于交通动力,备用电源、发电等领域。



(氢燃料电池内部结构)

但该集团相关负责人也表示,国内公司可以制造膜电极制造设备,但是设备的效果不太理想,所以公司进行膜电极制造设备采购时,选用的是美国的设备。膜电极上喷涂的催化剂目前主要由美国或日本进口,国内对于催化剂这种新材料的研究与国外还有差距。

氢燃料电池制造的上游设备和原材料目前还需要依赖国外,这与十年前的中国光伏产业发展情况有点类似,制造电池板的设备和多晶硅原材料需要依赖进口。

氢燃料电池里面催化剂含有铂金属,这种金属含量不高,但是对于氢燃料电池非常关键。铂金属的高价值,也是氢燃料电池高成本的主要原因。所以需要技术突破,在降低铂金属含量的同时,提高燃料电池的效率。同样,如果氢燃料电池如果可以批量大规模生产,也可以将旧电池中的铂金属进行回收再利用,降低成本。



(铂金属目前仍然是氢燃料电池最有效的催化剂)

电堆是发生电化学反应的场所,将双极板与膜电极交替叠合,构成燃料电池的电堆。国外车企大多自行开发电堆,并不对外开放。由于空间限制,所以家用小轿车氢燃料电池的双极板采用的是金属板技术方案,不过金属板容易被腐蚀。欧美正在运营的燃料电池公交车大多数采用石墨板技术方案,石墨板不易腐蚀,使用寿命长。国内东方电气公司生产的氢燃料电池也是采用石墨板技术方案,其与成都客车厂联合开发的10辆示范客车累计运行里程超过40万公里。

氢储能实用的关键是降低成本

发达国家,例如:美国、日本、韩国将氢储能提升至国家战略。以日本为例,其在1994年就开始了氢储能的研究,日本掌握的氢燃料电池技术非常先进,像丰田、本田、三菱等公司都掌握成熟的技术。我国的氢储能研究起步较晚,前期只有一些研究机构进行这方面的研究,如:中科院大连化学物理研究所、清华大学。虽然之前对氢能有所关注,但基本上还是由国企牵头。在国营企业中,东方电气集团在十年前就开始氢燃料电池的研究,与此同时,一些大型车企(如:东风汽车)也在进行相关技术研究,民营企业由于成本问题,涉足较少。



(日本丰田公司的Mirai)

不过东方电气集团的专家指出,在对日本氢储能产业进行考察时,他们发现日本虽然氢能领域方面的技术较为成熟,但是成本仍然较高,超过50%的成本由日本政府“掏腰包(补贴)”。现实的例子就是,一辆日本产的氢能汽车,售价30万元,其成本却高于30万元。日本政府为支持氢能发展,补贴了额外的成本。

为什么成本高?主要原因是日本的氢能全产业链还没有发展起来,技术成熟并不表示产业也已经成熟,所以成本居高不下。只有氢能相关的配套全产业链发展起来,总体成本才能降下来。

值得注意的是,日本经济产业省官员此前表示,日本的自然资源非常少,很难用可再生能源覆盖超过一亿的人口,对清洁能源和能源安全的需求意味着氢气正在受到关注。

在国内,国营企业的前期探索也取得了成果。东方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司与成都客车厂联合开发的氢燃料电池客车2017年正式下线,10辆客车在成都市的郫都区示范应用,载客运行。

由于近几年,国家将氢能提升到了战略高度,关注的人越来越多,热钱也开始地涌入,导致氢储能市场的秩序出现了混乱。这种前期无序的情况与我国光伏产业刚兴起时有点类似,当时,无序市场会造成大量的光伏产业的资源浪费。





(氢能与燃料电池已经被列入2016版目录)

现在许多企业从观望转向涌入,但氢储能市场需要避免“重蹈光伏产业的覆辙”。专家也给出了建议,氢能发展的前期需要政府进行主导,像日本一样拿出国家战略规划,避免资源浪费。找出有能力企业,进行技术研究,将资源整合集中。在一些地区进行示范建设,如:成都。先行先试,摸索经验,并且建立以企业为主,高等研究所参与的路线,突破核心技术,缩短研发周期。

虽然国家已经出台氢储能的发展计划,但是具体政策(如何补贴氢能发展的政策)还没有落地,只有某些地方政府出台了一些政策,所以相关企业(包括国企)也不太敢在氢能产业领域大步迈进。具体产业政策出台是非常必要的,这样可以调动企业积极性,氢能发展的前期成本高,没有政府进行补贴,公司无法承担高成本。业内人士表示,如果国家电价4毛钱,氢能要5毛钱成本,企业亏损的1毛钱,需要有人补贴。

国际电池储能市场竞争激烈 中国正在抢占

燃料电池面临来自充电化学电池的激烈竞争。根据伯恩斯坦研究公司(Bernstein Research)的数据,预计到本世纪中叶,全球电池市场将增长10倍,达到5000亿美元,预计到2023年成本将降至与汽油发动机相当,这是没有任何政府补贴的。从特斯拉到戴姆勒的汽车制造商也推出了将与燃料电池竞争的电动卡车。



(特斯拉的锂电池组合)

中国在燃料电池方面技术排名靠后,稍逊于日本,韩国、美国和欧洲。丰田公司一直在押注这项技术,于2014年底推出首款燃料电池车Mirai,售价约为65000英镑。韩国现代公司的Nexo燃料电池型号今年以同样的价格上市销售。

为了克服这种落后状态,去年,中国公司开始齐心协力收购和整合外国技术。5月,比亚迪宣布与美国混合动力公司合作开发氢燃料电池公共汽车,在檀香山机场运行。11月,中国最大的柴油发动机制造商潍柴动力以1.84亿美元收购巴拉德20%的股份。潍柴还以4800万英镑的价格收购英国燃料电池制造商Ceres Power 20%的股份。



(山东省潍柴动力)

对于此次收购,Ceres Power首席执行官Phil Caldwell 给出了自己的看法,中国市场的规模太大,他的公司无法忽视。该公司计划将其技术转让给潍柴,并共同投资于山东省的一家制造工厂。

中国在燃料电池领域不断发力,所以借用Phil Caldwell的一句话,当欧洲谈论这些技术时,中国政府实际上正在推进,中国可以创造市场并创造需求,未来可将这些技术推向成本曲线。 

责任编辑: 彭思雨
 
关键词: 氢储能 政府主导
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