推动富余水电制氢 促进绿色低碳发展

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推动富余水电制氢促进绿色低碳发展　　摘要：当前，我国可再生能源弃电严重，尤其是每年存在大量富余水电得不到消纳，严重影响我国清洁能源的健康发展。氢能作为21世纪最具发展潜力的清洁能源，被视作解决未来人类能源危机的终极方案。2019年我国将氢能源首次写入政府工作报告，要求推动加氢等设施建设。基于此，国电大渡河流域水电开发有限公司（以下简称“大渡河公司”）积极响应国家号召，在国家能源集团指导和地方政府、相关单位支持下，正积极开展富余水电制氢项目的研究与应用。大渡河公司将充分发挥自身作为水电能源供应端的优势，依托氢能产业发展契机，力求服务氢能全产业链，实现企业业务转型升级，打造创新型综合能源服务商，促进地方绿色低碳发展。　　0引言　　当前，我国能源结构面临深刻调整，应对气候变化进入历史性新阶段，推动节能减排刻不容缓。我国提出到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降60%~65%。因此，未来中国将进一步提高可再生能源比重，努力打造绿色低碳的现代能源体系。《可再生能源发展“十三五”规划》要求2020年和2030年非化石能源占一次能源消费比重分别达到15%和20%的目标[1]。　　随着可再生能源装机容量不断增长，我国面临越来越严峻的弃风弃光弃水问题。从2016年到2018年，我国每年可再生能源弃电量均超过1000亿kWh。2016年以来随着多种新能源消纳举措的实施，弃风弃光有所缓解，但弃水的形势依然严峻。2018年全年弃水量691亿kWh，较2017年高176亿kWh[2]。因此，富余水电的消纳存储依然是当前我国能源健康发展亟待解决的重要难题。12

1　　四川大渡河流域当前也面临比较严重的弃水问题，2017年大渡河公司所属水电站弃水电量为120亿kWh，到2018年上升到125亿kWh。而且水电所呈现的季节性波动，规模大，时间长，传统的储能技术难以消纳。基于此，大渡河公司提出“推动富余水电制氢，打造创新型综合能源服务商”，旨在将富余水电通过高效的电解制氢技术转化为氢能，从而实现富余水电的消纳和长周期大规模存储，并充分发挥大渡河公司的清洁水电优势，构建氢能“源端”经济，服务氢能产业生态圈，同时借助国家能源集团在化工领域的技术优势，构建“绿色化工产业”。最终，推动公司从传统电力公司向创新型综合能源服务商转型。　　1大渡河水电现状与富余水电制氢　　1.1我国可再生能源弃电现状　　近年来，我国可再生能源装机容量不断增长，但受限于经济增长速度放缓，可再生能源发电设备平均利用小时数不高，弃风弃光弃水居高不下。在2016年以前，新能源弃电现象呈现逐年增大的趋势，2017年与2018年的新能源总体弃电量相对有所缓解。尽管如此，2018年我国可再生能源弃电量依然高达1020亿kWh，超过了三峡电站的总发电量，如图1所示[3-6]。其中，全年弃水电量691亿kWh，较2017年高176亿kWh。大规模可再生能源，尤其是水电富余电量的消纳存储依然是当前我国能源健康发展亟待解决的重要难题。　　1.2大渡河水电现状12

2　　大渡河公司是国家能源集团所属最大水电开发公司。公司主要负责大渡河干流17个梯级和西藏帕隆藏布流域共约3000万kW水电资源开发，目前投产装机1174万kW，装机容量约占四川省统调水电总装机的1/4。大渡河流域在我国十三大水电基地中位居第五。由于电源点距四川负荷中心较近，被誉为四川水电“一环路”。　　大渡河公司当前也面临比较严重的弃水问题。一方面大渡河公司装机规模持续增加，发电量逐年上升，另一方面富余电量也不断增长，如图2所示。加之水电所呈现的季节性波动规模大、时间长，传统的储能技术难以消纳。如果能将富余水电用于制氢，也就是将不易大规模储存的富余电能转化为容易大规模储存的氢能或者进一步转化为其他化学能的形式，便可以变废为宝，完成能量的“乾坤大挪移”，实现富余电力的大规模、跨季度存储。　　当前主流的电解水制氢技术每标方氢气消耗电量约5kWh，125亿kWh电制氢规模约为25亿标方。如果氢气价格按照1.6元/标方计算，相当于可增加40亿元人民币的产值。　　1.3世界氢能发展现状与前景　　当前全世界发达国家均高度重视氢能发展。截至2018年，全球拥有加氢站369座，同比增加12.5%。其中，日本、德国和美国位居前三甲，中国排名第四。其中日本96座、德国60座、美国42座、中国23座、法国19座、英国17座、韩国14座、丹麦11座。12

3　　全球燃料电池的装机容量也在过去5年直线增长，如图3所示[7]。从2014年接近200MW，到2018年全球燃料电池的装机量增长了3倍，达到约800MW，其中北美燃料电池安装9800套，装机容量达415MW；亚洲燃料电池安装55300套，装机容量达340MW；欧洲燃料电池安装8600套，装机容量达43MW。　　全球主要发达国家从资源、环保等角度出发，都十分看重氢能的发展。世界氢能发展前景广阔，具有巨大想象空间。图4为对未来世界氢能发展的预测。2015年，世界氢能为8EJ（1EJ=2780亿kWh），预计到2030年，将增加约1倍，达到15EJ，从此氢能将迅速增长，到2050年，增长到2015年的10倍，达到80EJ，届时氢能占全球能量消耗的13%，年减排CO275亿t，进入“氢能经济”时代。12

4　　为促进氢能技术在全球能源转型中的作用，遏制全球变暖，2017年，国际氢能委员会于达沃斯世界经济论坛成立。目前成员除各大汽车制造商之外，还包括能源及油气公司英美资源集团、法国液化空气集团、壳牌、挪威国家石油等知名集团。中国共有5家企业入会，分别是国家能源集团、长城汽车、潍柴动力股份有限公司、中国石油化工股份有限公司、国鸿重塑科技。　　1.4我国氢能发展政策　　我国政府近几年高度重视氢能发展，出台了一系列支持氢能发展的政策。2014年6月国务院办公厅发布了《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》[8]，将“氢能与燃料电池”作为能源科技创新战略方向。2016年出台了《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》[9]，规划到2020年，加氢站达到100座，行业总产值达3000亿元，2030年，加氢站达1000座，燃料电池汽车达到200万辆，总产值达到10000亿元。同年11月，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》[10]，提出系统推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。2017年发布《促进燃料电池中长期发展的政策体系》，明确大力发展氢燃料电池产业，促进氢燃料电池在新能源汽车领域的应用。2018年2月，我国财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展和改革委员会等四部委发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》推出财政补贴政策，给予小型、轻型、大型燃料电池车补贴20万元/台、30万元/台、50万元/台、加气站400万元/个补贴。2019年将氢能源首次写入政府工作报告，要求推动充电、加氢等设施建设[11]。　　与此同时，全国各地积极响应国家号召，出台了相应的氢能发展支持政策。近年来四川省也高度重视氢能产业的发展，制定并出台了相应的发展规划。2017年《四川省“十三五”能源发展规划》提出建设水电解制氢系统、“天然气-氢气”一体化燃料加注站、制氢储氢用氢设施，进行氢能综合利用的低碳交通示范运营[12]。2018年四川省发展和改革委员会提出“对电解氢等绿色高载能产业，输配电价比照藏区留存电量输配电价每千瓦时0.105元收取，到户电价实现每千瓦时0.30元左右水平。”12

52019年制定《成都市氢能产业发展规划（2019—2023年）》规划推广燃料电池汽车5000辆以上，建设燃料电池有轨电车示范线2条；建设覆盖成都全域的加氢站30座以上[13]。　　1.5大渡河公司的社会义务　　当前，我国能源结构调整面临以下挑战。其一，我国于2016年加入《巴黎气候变化协议》，提出到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降60%~65%。其二，我国天然气严重依赖进口，2018年我国天然气进口量约为1254亿m3，面临巨大的能源安全风险。其三，可再生能源面临严峻的弃风弃光弃水问题。从2016年到2018年，我国每年可再生能源弃电量连续3年超过1000亿kWh。　　作为大型央企，开展水电制氢项目具有很大的现实意义：首先，当前社会面临严峻的环境问题，城市雾霾要求大力发展清洁能源，巴黎协定的承诺要求积极推动节能减排。第二，我国当前面临能源结构的深刻调整，供能端要求用清洁能源替代，用能端鼓励电能替代，化石能源积极向可再生能源过渡。第三，我国面临大规模可再生能源消纳的难题，而电转气技术有望从根本实现富余电力的大规模跨季度消纳，有助于打造能源源端经济，服务综合能源产业链。最后是新兴产业发展，氢能产业处于市场推广阶段，基础设施有待完善，推动氢能产业的布局与落地有重大的社会意义。　　基于上述背景分析，大渡河公司在国家能源集团指导下，在地方政府及相关单位支持下，正积极开展水电制氢项目研究与应用。目前大渡河公司正与有关高校努力开发高效的电解水制氢装置，积极构建氢能“源端经济”，并借助国家能源集团煤化工的优势推动“绿色化工产业”，构建氢能产业生态圈，而且在业界率先提出打造“川西氢能天路”，以最终实现向创新型综合能源服务商转型的目标。　　2打造创新型综合能源服务商　　2.1开发高效的电解水制氢装置　　水电制氢项目的技术关键是开发高效的电解水制氢装置。电解水制氢技术目前主要有3种方式：（1）碱性电解技术；（2）质子交换膜电解技术；（3）固体氧化物电解技术，见表1[14-15]。12

6　　碱性电解技术（AEC）是现有大规模工业应用的水电解技术。该技术起始于20世纪20年代，发展最为成熟，拥有相对成熟的堆叠组件，并且避免了贵金属的使用，从而投资成本相对较少。但是碱式电解技术低电流密度和低功率密度的问题增加了系统尺寸和制氢成本。此外，该技术动态响应水平有限，频繁启动和变化的功率输入可能会对系统效率和气体纯度产生负面影响。碱式电解技术开发的重点是增加电流密度，工作压力以及优化设计动态操作的系统，以便使用可再生能源进行电解水制氢。　　质子交换膜电解技术（PEM）是基于固体聚合物电解质的电解水制氢技术。该技术最早于20世纪60年代由通用电气首次引入以克服AEC的缺点，因此，该技术不如AEC成熟，目前主要用于小规模制氢。该技术主要优点是高功率密度和电流密度，能提供高压的纯氢，操作灵活。缺点是使用昂贵的铂催化剂和氟化膜材料导致投资成本较高。由于操作压力高和进水纯度高，PEM电解水系统结构复杂，目前比AEC使用寿命短。因此，当前的PEM开发重点是降低系统复杂性，开发更便宜的材料和更简易的堆叠工艺，从而扩大系统规模和降低投资成本。12

7　　固体氧化物电解技术（SOEC）是目前正在大力开发的一种电解技术。它尚未广泛商业化，但系统已经在实验室规模上得到验证和示范，目前正致力于将这项技术推向市场。SOEC使用固体氧化物氧离子导电陶瓷作为电解质，可在高温下运行。它拥有以下潜在的优势：能量转换效率高，材料成本低，可同时作为燃料电池运行，可用于水蒸汽和二氧化碳共电解生成合成气。该技术面临的一个关键挑战是高温对电池材料和组堆工艺要求很高。因此，目前SOEC的研究重点是提升现有的组件材料性能，开发新型材料，以及新型组堆工艺并将操作温度适当降低，从而实现该技术的商业化应用。　　SOEC能量转换效率高，材料成本低，还可同时作为燃料电池运行，并可用于水蒸汽和二氧化碳共电解生成合成气。目前大渡河公司和所属的新能源公司正在与清华四川能源互联网研究院合作开发新型固体氧化物电解系统。　　2.2构建氢能“源端经济”　　大渡河公司将利用富余水电制氢，构建了氢能“源端经济”。氢能产业包含制氢，输氢，用氢等环节，消耗氢能产生的水又可以循环用于水力发电，因此，可以构建以氢能为媒介的循环经济，如图5所示。大渡河水电制氢项目可以为氢能全产业链提供清洁的电力与氢气资源，有助于构建清洁的循环产业链。　　大渡河水电制氢的一条技术路线是从发电侧制氢，将电解水制氢站建设在水电站附近，就近消纳水电，产生的氢气通过加压储存，通过拖车运输至加氢站，供燃料电池汽车等使用。另一条技术路线是从需求侧制氢，将电解水制氢站建设在加氢站附近，水电通过电网输送到需求侧，制氢站从电网购电直接站内制氢提供给加氢站，然后供燃料电池汽车等使用。　　2.3构建“绿色化工产业”12

8　　大渡河水电制氢项目的有序开展还可促进电转多种能源形式，并积极参与构建“绿色化工产业”，如图6所示。该项目的思路是利用电力，水，二氧化碳，以及一定的热能经过电解装置生成氢气，或者合成气，再经由特殊的催化剂催化反应便可以制备一系列化工产品或者燃料，比如氨、氢、CO、燃气、甲醇等。该项目的应用推广将促进传统的化工向电气化转型，从而推动绿色化工产业发展。同时，国家能源集团是世界最大煤制油、煤化工公司，具有丰富的化工技术经验，为绿色化工产业发展奠定了良好基础。　　2.4构建氢能产业生态圈　　大渡河水电制氢项目将有助于构建氢能产业生态圈，如图7所示。氢能产业生态圈的核心环节是清洁电力制氢，这也是大渡河公司水电制氢的主要任务。围绕电解水制氢技术，可以构建一个由水力发电，电解制氢，氢气储运，加氢，氢能汽车等组成的的氢能汽车运营平台。外围以氢能为纽带，形成包含可再生能源，先进制造，绿色化工，新能源汽车等产业的氢能产业链。更外层由氢能基金+氢能产业园完成产业培育，资本投资，人才汇聚，企业集聚。12

9　　2.5打造“川西氢能天路”　　大渡河水电制氢项目推广将进一步提升四川的产业模式，帮助打造“川西氢能天路”，形成氢能生态旅游的名片。“川西氢能天路”12

10是大渡河公司和清华四川能源互联网研究院率先提出的一种氢能实施愿景，它也是一张靓丽的名片。川西氢能天路将以成都市作为起点，利用成都市的加氢站为汽车供氢，首先经过拥有丰富的水电资源的雅安，将石棉作为川西氢能天路的加氢补给站，再路经西昌，在该地规划建设加氢补给站，最后终点在攀枝花，该地区水电丰富，适合规划制氢站以及加氢站。该项目将可再生能源与氢能交通完美结合，它将是未来能源和交通的重要的解决方案之一。　　综上所述，大渡河水电制氢项目的实施将推动公司从传统电力公司向创新型综合能源服务商转型。大渡河公司能更充分发挥自身的能源供应端优势，依托氢能产业发展契机，力求服务氢能全产业链，实现企业业务转型升级。形成包含清洁电力，车用氢能，绿色化工以及分布式储能的综合能源系统。　　3结论　　目前我国可再生能源每年弃电超过1000亿kWh，弃水问题最严重，2018年全年弃水达到691亿kWh，其中大渡河水电富余电量达到125亿kWh。因此，大渡河公司将推动富余水电制氢，作为打造创新型综合能源服务商的重要实施路径，积极开展富余水电制氢项目的研究与应用。首先与清华四川能源互联网研究院合作研发新型高效的固体氧化物电解水制氢技术（SOEC），该技术电解效率高达95%以上，单位标方氢气生产耗电量低于4.0kWh，与碱性电解技术（AEC）、质子交换膜电解技术（PEM）电解技术相比，可减少约20%的电解水制氢成本。其次，大渡河公司目前富余水电相当于25亿标方的制氢潜力，接近40亿元人民币的产值，大渡河公司将充分利用自身能源供给端的优势，积极构建氢能“源端”经济，并借助国家能源集团在化工领域的积累，将电解水制氢制气技术引入化工生产，推动“绿色化工产业”的发展。第三，大渡河公司将积极拓展氢能利用，帮助打造“川西氢能天路”，形成四川特有的氢能生态旅游路线。最后，大渡河公司将利用自身氢能“源端”优势，努力服务氢能全产业链，实现企业向创新型综合能源服务商转型，并为地方经济实现绿色低碳发展作出应有的贡献。12

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