亚博:氫儲能發展為什麼需要中國政府主導

日期:2019-07-20 15:54:15 作者:亚博APP官方下载

氫儲能發展為什麼需要中國政府主導 來源:科工力量專欄 更新時間:2019-07-04 14:35:43 [我要投稿]

  前段時間,筆者對於美國取消中國光伏行業關稅(201調查)背後的“來龍去脈”進行瞭梳理,在文章的最後,提到由於“531新政”和光伏技術價格跟著成本一起降低,獲利有限,一些公司已經把目光投向瞭儲能產業。恰巧的是,上星期受邀參觀瞭一傢大型電力設備制造公司的氫燃料電池制造,瞭解瞭氫儲能相關情況,並對目前的儲能技術發展近況進行瞭交流。

(氫燃料電池汽車正在組裝)

  這裡所說的儲能主要是針對電儲能,將電能儲存起來的技術。按照儲存介質進行分類,可以分為機械類(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、電氣類(超級電容儲能、超導儲能)、電化學類(各種二次充電電池)、熱儲能(儲熱、儲冷)、化學類(合成天然氣和氫氣儲能)。前面所說氫燃料電池就是氫儲能的關鍵一環。

  為什麼要進行電儲能?因為發電廠所供應的電力是持續不斷的,以水利發電為例,一旦發電開始,就會穩定輸出電流,但是居民用電量在不同的時間段,用電的需求不同,白天是用電高峰,夜晚進入用電低谷。那麼夜晚多餘的電力怎麼處理?發電廠不可能頻繁地開啟關閉發電機組。所以為瞭避免夜晚電站的電力的浪費,就需要將低谷時期的電能儲存起來,在用電高峰是再將儲存的電力輸出,緩解用電高峰。

  當然,這是針對大規模電力剩餘進行儲能,在一些發達國傢,企業或居民建立自發自用的電力設備,通常利用小型的儲能設備儲存電力,供企業或傢庭使用。而前者的大型儲能與後者的小型儲能所需要的技術是不同的。

  大規模電力儲存,使用最多的技術是抽水蓄能,國內對這項技術的使用已經非常成熟,中國抽水蓄能裝機容量已是世界第一。而對於小規模電力儲存,使用最多的是化學電池儲能,我們最常見的電動公交車就是利用化學電池儲能,使用便捷,無尾氣排放。

  不過相比於前兩者,氫儲能因其獨特優勢,也成為儲能界的“新寵兒”,歐、美、日等發達國傢早在很多年前就對氫儲能技術進行研究。中國氫儲能雖然發展晚,但在近期政策的引導下,也成開始成為瞭熱門投資方向和研究領域。

  抽水蓄能與化學電池儲能 成熟的儲能技術

  在大規模儲能方面,我們國傢目前應用最廣泛的是抽水蓄能。大型的電力企業,如:國傢電網、三峽集團等,已經在地理條件合適的地區(上下遊能夠形成水位落差)建立有大型抽水蓄能電站。今年2月,國傢電網有限公司開工建設河北撫寧、吉林蛟河、浙江衢江、山東濰坊、新疆哈密抽水蓄能電站。此前,三峽集團也投資建設瞭浙江天荒坪與內蒙古呼和浩特抽水蓄能電站。

  眾所周知,抽水蓄能在調頻、調相、事故備用和削峰填谷方面有著無可替代的優點。在居民用電低谷時將水抽取到地勢高的地方儲存起來,在用電高峰時進行發電。人們一般對“抽水蓄能電站如何運行”的問題存在疑惑,實際上,電站的抽水泵不是單獨存在的,它和發電機(水輪機)是一體的,即水流正向沖擊葉片,機組發電。葉片逆向轉動,進行抽水蓄能。而且,據專傢透露,東方電氣公司已經為中國電網和三峽集團集團提供瞭這種蓄水發電一體的水輪機,這種抽水發電技術在國內已經較為成熟。

  但是抽水蓄能也有缺點,它受到地理限制,在平原地區,地勢平坦,無法抽水蓄能形成高水位差,難以將水的勢能轉化為電能。對於環境也存在影響,蓄水後,周邊生態肯定會受到影響,可能形成小氣候。而且,上遊地下巖石是否可以承受巨大的水重力也需要評估。

  與大型的抽水蓄能不同,化學電池是將電能轉變為化學能儲存起來,它具有分佈式儲能特點,直接面向用戶,按照用戶需求就地供應能量,滿足中、小型電能需求(如:電動汽車用電需求)。

  不過,化學電池能量密度低,大約是汽油的二十分之一,所以電動汽車隻能在有限的范圍內行使。電池的突破難以實現,這是由於基本的物理學原理限制,因此,今天的鋰電池和電動汽車活動范圍還無法有效改善。有一些理論上的電池化學物質,如鋰-硫和鋰-氧,有朝一日可能接近汽油,但目前還沒有制造商將它們用在汽車上。

  電化學儲能在環境污染,經濟性和儲量大小上的劣勢明顯,一定時期內無法取代抽水蓄能。不過,在多種非抽蓄儲能技術中,電化學儲能被認為是最具發展前景的技術之一。與抽水蓄能相比,電化學儲能具有建設周期較短、選址要求低和建設規模靈活等特點,應用范圍廣泛。近幾年我國電化學儲能市場發展迅速,但是由於經濟性和續航性的制約,電化學儲能仍無法實現大規模推廣

  氫儲能備受關註 原因何在

  氫未來可以作為像石油、天然氣一樣的化石原料進行運輸,而且無污染,能量密度高。作為動力而言,氫氣的能量密度約為今天電池的三倍,延長汽車的運行裡程沒有障礙,加氫速度快,比起電池充電節省時間。

  未來氫能應用的關鍵是燃料電池技術,它是一種把燃料的化學能直接轉換為電能的發電裝置。氫燃料在裝置內的催化劑作用下,與氧進行化學反應產生電能。這種燃料電池發電率高,反應產物為無污染的水,反應溫度低,噪聲小。

  氫燃料電池與鋰電池各有優缺點,細分下來,在充電/補充燃料時間、污染程度、續航裡程、充電站成本、電池成本上,兩位各有強項。

  比如氫燃料電池隻需要幾分鐘就可以補充燃料,但鋰電池即使使用快速充電方法一般也得一個多小時。

  氫燃料電池應用領域包括:發電系統、交通動力和特種電源。以特種電源為例,軍隊使用的柴油發電機,會被敵方衛星掃描檢測到軍隊的分佈,而使用氫燃料電池可以有效避免這種情況。

  燃料電池對中國有許多優勢,可以幫助中國減少對進口能源和原材料的依賴,像鋰電池需要許多貴金屬,如鈷、鋰和鎳,但大多數燃料電池僅需要鉑,作為催化劑,其水平為每千瓦約0.5至0.6克。

  雖然大多數氫氣是由化石燃料(甲烷)產生的,並用於煉油和化學工業。但中國有另一解決方案,通過電解水產生氫氣,因為過去對可再生資源(風能和光伏發電)的投資,產生瞭大量剩餘的電力,可以可利用這些電能制氫,避免瞭電力的浪費,同時也解決瞭間歇性風能和太陽能不能很好的融入電網的難題。

  據估計,中國每年約有150千兆瓦的可再生能源發電量,它無法整合到電網中。國際氫燃料電池協會副秘書長表示,這些電能可用於為1800萬輛乘用車提供動力,中國不需要擔心氫氣供應。

  國內的氫燃料電池技術瓶頸

  氫燃料電池最核心的就是膜電極與催化劑,需要在膜電極上噴塗催化劑(含有鉑金屬),然後將膜電極與雙極板壓制在一起,形成膜燃料電池堆。在這方面,東方電氣集團走在前列,其膜電極產品已經成功應用於交通動力,備用電源、發電等領域。

(氫燃料電池內部結構)

  但該集團相關負責人也表示,國內公司可以制造膜電極制造設備,但是設備的效果不太理想,所以公司進行膜電極制造設備采購時,選用的是美國的設備。膜電極上噴塗的催化劑目前主要由美國或日本進口,國內對於催化劑這種新材料的研究與國外還有差距。

  氫燃料電池制造的上遊設備和原材料目前還需要依賴國外,這與十年前的中國光伏產業發展情況有點類似,制造電池板的設備和多晶矽原材料需要依賴進口。

  氫燃料電池裡面催化劑含有鉑金屬,這種金屬含量不高,但是對於氫燃料電池非常關鍵。鉑金屬的高價值,也是氫燃料電池高成本的主要原因。所以需要技術突破,在降低鉑金屬含量的同時,提高燃料電池的效率。同樣,如果氫燃料電池如果可以批量大規模生產,也可以將舊電池中的鉑金屬進行回收再利用,降低成本。

(鉑金屬目前仍然是氫燃料電池最有效的催化劑)

  電堆是發生電化學反應的場所,將雙極板與膜電極交替疊合,構成燃料電池的電堆。國外車企大多自行開發電堆,並不對外開放。由於空間限制,所以傢用小轎車氫燃料電池的雙極板采用的是金屬板技術方案,不過金屬板容易被腐蝕。歐美正在運營的燃料電池公交車大多數采用石墨板技術方案,石墨板不易腐蝕,使用壽命長。國內東方電氣公司生產的氫燃料電池也是采用石墨板技術方案,其與成都客車廠聯合開發的10輛示范客車累計運行裡程超過40萬公裡。

  氫儲能實用的關鍵是降低成本

  發達國傢,例如:美國、日本、韓國將氫儲能提升至國傢戰略。以日本為例,其在1994年就開始瞭氫儲能的研究,日本掌握的氫燃料電池技術非常先進,像豐田、本田、三菱等公司都掌握成熟的技術。我國的氫儲能研究起步較晚,前期隻有一些研究機構進行這方面的研究,如:中科院大連化學物理研究所、清華大學。雖然之前對氫能有所關註,但基本上還是由國企牽頭。在國營企業中,東方電氣集團在十年前就開始氫燃料電池的研究,與此同時,一些大型車企(如:東風汽車)也在進行相關技術研究,民營企業由於成本問題,涉足較少。

  不過東方電氣集團的專傢指出,在對日本氫儲能產業進行考察時,他們發現日本雖然氫能領域方面的技術較為成熟,但是成本仍然較高,超過50%的成本由日本政府“掏腰包(補貼)”。現實的例子就是,一輛日本產的氫能汽車,售價30萬元,其成本卻高於30萬元。日本政府為支持氫能發展,補貼瞭額外的成本。

  為什麼成本高?主要原因是日本的氫能全產業鏈還沒有發展起來,技術成熟並不表示產業也已經成熟,所以成本居高不下。隻有氫能相關的配套全產業鏈發展起來,總體成本才能降下來。

  值得註意的是,日本經濟產業省官員此前表示,日本的自然資源非常少,很難用可再生能源覆蓋超過一億的人口,對清潔能源和能源安全的需求意味著氫氣正在受到關註。

  在國內,國營企業的前期探索也取得瞭成果。東方電氣(成都)氫燃料電池科技有限公司與成都客車廠聯合開發的氫燃料電池客車2017年正式下線,10輛客車在成都市的郫都區示范應用,載客運行。

  由於近幾年,國傢將氫能提升到瞭戰略高度,關註的人越來越多,熱錢也開始地湧入,導致氫儲能市場的秩序出現瞭混亂。這種前期無序的情況與我國光伏產業剛興起時有點類似,當時,無序市場會造成大量的光伏產業的資源浪費。

  現在許多企業從觀望轉向湧入,但氫儲能市場需要避免“重蹈光伏產業的覆轍”。專傢也給出瞭建議,氫能發展的前期需要政府進行主導,像日本一樣拿出國傢戰略規劃,避免資源浪費。找出有能力企業,進行技術研究,將資源整合集中。在一些地區進行示范建設,如:成都。先行先試,摸索經驗,並且建立以企業為主,高等研究所參與的路線,突破核心技術,縮短研發周期。

  雖然國傢已經出臺氫儲能的發展計劃,但是具體政策(如何補貼氫能發展的政策)還沒有落地,隻有某些地方政府出臺瞭一些政策,所以相關企業(包括國企)也不太敢在氫能產業領域大步邁進。具體產業政策出臺是非常必要的,這樣可以調動企業積極性,氫能發展的前期成本高,沒有政府進行補貼,公司無法承擔高成本。業內人士表示,如果國傢電價4毛錢,氫能要5毛錢成本,企業虧損的1毛錢,需要有人補貼。

  國際電池儲能市場競爭激烈 中國正在搶占

  燃料電池面臨來自充電化學電池的激烈競爭。根據伯恩斯坦研究公司(Bernstein Research)的數據,預計到本世紀中葉,全球電池市場將增長10倍,達到5000億美元,預計到2023年成本將降至與汽油發動機相當,這是沒有任何政府補貼的。從特斯拉到戴姆勒的汽車制造商也推出瞭將與燃料電池競爭的電動卡車。

  中國在燃料電池方面技術排名靠後,稍遜於日本,韓國、美國和歐洲。豐田公司一直在押註這項技術,於2014年底推出首款燃料電池車Mirai,售價約為65000英鎊。韓國現代公司的Nexo燃料電池型號今年以同樣的價格上市銷售。

  為瞭克服這種落後狀態,去年,中國公司開始齊心協力收購和整合外國技術。5月,比亞迪宣佈與美國混合動力公司合作開發氫燃料電池公共汽車,在檀香山機場運行。11月,中國最大的柴油發動機制造商濰柴動力以1.84億美元收購巴拉德20%的股份。濰柴還以4800萬英鎊的價格收購英國燃料電池制造商Ceres Power 20%的股份。

  對於此次收購,Ceres Power首席執行官Phil Caldwell 給出瞭自己的看法,中國市場的規模太大,他的公司無法忽視。該公司計劃將其技術轉讓給濰柴,並共同投資於山東省的一傢制造工廠。

  中國在燃料電池領域不斷發力,所以借用Phil Caldwell的一句話,當歐洲談論這些技術時,中國政府實際上正在推進,中國可以創造市場並創造需求,未來可將這些技術推向成本曲線。(【文/科工力量專欄作者 程小康】)

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