氢能在电力行业的应用前景

2021/4/2 5:15:44    新闻来源：中国电力新闻网

引言

氢能作为一种清洁的可再生能源，具有可储可输的特点，对世界经济的可持续发展具有重要的战略意义。氢能可以通过一定的途径转化为电能，氢能燃料也正逐步应用于发电机和燃料电池。

据国际能源署的数据显示，2014年全球由于发电所产生的二氧化碳总排放量为323亿吨，其中中国已成为全球碳排放的大国，每年的碳排放增长量已超过北美和欧洲的总和。

（全球二氧化碳排放份额，图片来源：知乎@大树）

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近年来，虽然中国的发电技术取得了持续提升，例如超高压、超临界和超超临界机组相继推出，流化床燃烧和整体气化联合循环的发电技术不断取得使用，但整个电力行业仍然存在着能源效率偏低和碳排放过高的问题。因此，发展低碳经济，推进清洁能源更大范围的应用仍是一个艰巨的任务。

氢能作为一种重要的绿色清洁能源，具有零排放、高能利用率、高可靠性以及利于远程控制等优点。氢能是解决世界能源问题的一种优选方案，能极大限度地降低碳排放。氢能既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为原料应用于燃料电池，还可以转换成同态氢用作结构材料例。20世纪70年代以来，美国和日本等发达加快了氢能发电技术的研究步伐。目前，通过氢能发电在部分发达已经陆续进入了建设试点的阶段。但对中国电力行业而言．目前仍以火力发电为主，氢能技术的应用较少，已大幅落后于发达。

（河北沽源风电制氢综合利用示范项目，该项目利用大规模的风电进行电解水制氢）

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技术可行性

氢能是氢及同位素氘、氚为主体的反应或氢的状态变化过程中所释放的能量，氢能可以转化为电能、机械能和热能。通过氢能发电机和燃料电池两种技术手段，均可以实现由氢能向电能的转化。

氢能发电机

氢能发电机特指以氢气为原料的发电机，原理类似传统内燃机，经过吸气、压缩、爆炸、排气过程，带动电机产生电流输出。氢能发电机是一种环保型的发电设备，具有无噪音、零排放和移动性强的特点。

（胜动科技 氢气/汽油双燃料发电机组）

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将氢能发电机整合到电网电力输送线路中，可以与制氢装置协同作用，在用电低谷时电解水制备氢气，用电高峰时再通过氢能发电，以此实现电能的合理化应用，减少资源浪费。2013年德国建成一座500千瓦级别的混合能源试点电站，该电站以氢能源作为电力存储中介，电解制备得到的氢以燃烧的形式驱动氢能发电机，产生的电能可以直接进入电力输送网，也能用于发电站继续电解水。

PEMFC燃料电池

PEMFC燃料电池是当前在氢能应用领域的研发重点之一。其工作原理为氢气与氧气（或空气）发生电化学反应生成水并释放出电能，即电解水的逆反应。PEMFC燃料电池的结构与工作原理如下图，当阳极和阴极分别供给氢气和氧气(或空气)时，在催化剂的作用下，氢气在阳极上被氧化离解成电子和氢原子。氧气在阳极上被还原接受电子反应生成水。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，向外部释放电能。

PEMFC燃料电池工作原理示意图

与传统燃料电池相比，PEMFC燃料电池内的能量转化为化学能至电能，在能量转化过程中无燃烧放热，从而摆脱了经典热机理论——卡诺循环的限制，氢能的理论利用率可达80％。PEMFC燃料电池具有能在室温下快速启动、无电解质液流失、比功率高以及使用寿命长等优点。

氢能发电市场分析

PEMFC燃料电池可应用于固定或移动式电站、备用峰值电站、备用电源、热电联供系统等发电设备。小型PEMFC氢能发电机的商业化前景也被广泛看好，容量为3千瓦、5千瓦、10千瓦甚至200千瓦等级热电联用的PEMFC氢能发电机已经在旅馆、饭店、商厦等场所取得应用。

（HONDA 燃料电池发电机）

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在规模更大的发电站方面，2010年意大利建成投产功率为16兆瓦的氢能发电站，该发电站每小时消耗氢气1300吨，总发电效率约为42％，年发电量可达6000万千瓦时，不仅能够满足2万户家庭的用电量，而且每年可减少6万吨的二氧化碳排放量。2010年华南理工大学成功研发建造出PEMFC燃料电池示范电站，能源利用率达到90％，该电站产生的电能直接输送到学校的380伏低压电网上，可满足华工国际学术中心的正常用电需求。另外，2012年陶氏化学公司与通用公司在美国得克萨斯州合作建设了大型燃料电池发电系统，该发电系统可生产1兆瓦的电能，并终能够供应35兆瓦的电能。

（全球首座氢能发电站：意大利弗西纳氢电站）

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据统计，2012年氢能发电占美国全国发电的比例为7.9％，该数值低于火力发电、水力发电和核能发电，但却高于风能发电。2012年，全球燃料电池系统的出货量近3万台，同比增长约34％，相较于2008年增长超过321％，其中，固定式燃料电池增长为显著，从2008年的2000台迅速上升至2012年的2.5万台。据日经BP清洁技术研究所预测，随着氢能各项技术的应用推动，全球氢能源市场规模将从2015年的7万亿日元左右逐步上升至2050年的约160万亿日元。而随着氢能发电市场规模的日益扩大，氢消费量也将随之增加，预计从2015年的小于1万亿立方米上升到2050年的6.5万亿立方米。
早在2006年即已将氢能技术列为中长期科学和技术发展规划战略的重点之一，近年来更是持续加大研发和示范投入。当前，中国已经形成了从基础研究到示范演示的氢能利用格局，并初步建立了一支包括高等院校、科研院所和电力企业的氢能研究与应用队伍。对中国的电力行业而言，在分布式风力发电、光伏发电、电网储能和智能微电网等多个领域，氢能发电技术均具有广阔的应用前景。

氢能发电成本收益分析

目前，燃料电池发电成本大约在2.5-3元/度，而中国传统发电方式的电价都在1元/度以下，例如，风电发电成本约为0.5元/度，太阳能发电成本约0.8-1元/度，而火电发电成本仅有0.25元/度。

重金属催化剂铂使用量和电解槽装置是燃料电池发电高成本的原因之一。值得指出的是，PEMFC燃料电池的成本正处于下降趋势。据美国能源部数据统计，2012年PEMFC燃料电池的成本为47美元/千瓦，相比2002年下降了82.9％，并已接近美国能源部设定的2017年的目标价30美元/千瓦。
在发电站建造成本方面，传统火力发电站的建造成本约为1300美元/千瓦。而在北美固定式燃料电池价格明显下降的背景下，燃料电池发电站的建造成本目前为1500—2000美元/千瓦，相对于传统发电方式而言已不存在太大差距。
总体而言，由于成本过高和配套设施的不完善，氢能发电技术的普及度并不高。相信随着氢能发电技术的不断更新，氢能市场规模的日益扩大，以及在政策上的持续支持，氢能发电成本会在未来大幅降低。考虑到氢能发电的诸多优点，未来氢能技术在电力行业的应用前景仍然值得期待。

氢能发电风险分析

技术风险

储氢技术是利用氢能的关键技术，也是难点所在。氢在常温常压下呈气态，密度很小，仅为空气的十四分之一。压缩储氢是常用的储氢方式，目前高压储氢密度较低，普通钢瓶在20.0MPa压力下储氢的重量百分比仅为1.6左右。

采用复合材料气罐可以提高耐压力和储氢量，如玻璃纤维增强铝金属罐、碳纤维增强铝金属罐等，储氢压力可达30MPa，储氢密度可增加到3.9的重量百分比。但是，压缩储氢的方式存在着泄露和氢脆现象等安全隐患，并且增加金属罐内压力时，需要消耗更多的压缩功。

政策风险

当前世界各个发达均在大力开展氢能发电的研究和试点，部分项目已经实现商业化，将氢能利用作为未来可持续发展和实现低碳经济的一项重要内容。中国在氢能的研究和利用方面也相继出台了一系列利好政策，当前中国在氢能发电领域的投资多来源于资金。可见，的支持是目前中国发展氢能产业的关键因素。
而氢能在电力行业大规模应用之前，尚存在着基础设施建设不健全，氢能发电成本过高，制氢、储氢和输氢技术存在安全风险等一系列问题。上述问题的解决不能一蹴而就，因此在电力行业推进氢能技术的应用，采取先试点再推广的策略。特别是大规模项目的开展更不能盲目，需要预先制定可行性方案，并鼓励科研机构和电力企业共同参与。从而科学合理地加快氢能产业化步伐。

结语

氢能是可再生的清洁能源，在电力行业具有广阔的应用前景。利用氢能发电机和PEMFC燃料电池等技术手段将氢能有效地转化为电能，不仅为应对化石能源的日益枯竭提供了一条可行之路，更能有效解决二氧化碳超量排放所产生的环境问题。
但氢能在电力行业的推广面临着以下问题：氢能发电成本较高，基础设施配套不完善，极大地阻碍了市场化进程；中国的电网结构基础薄弱，并网不稳定，电网规划的进度落后于新能源技术的发展速度；氢能技术的发展很大程度上依赖政策引导，内在动力不足。因此，中国在电力行业推广氢能利用时，需要结合我国现状进行科学规划，先试点再推广，积极稳妥地将氢能技术纳入到低碳经济发展战略中来。