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英国国家氢能战略四大应用场景及氢气的储运解决方案

2021-10-20 11:34
香橙会
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英国于今年8月17日发布了首个国家氢能战略,该战略清晰地描述了英国发展氢能的原因、氢能发展现状以及如何进一步发展氢能,展现出了占领氢能制高点的野心。

众所周知,发展新能源、发展氢能最重要的目的就是减少污染,减少碳排放。英国制定了2035年碳排放相比于1999年减少78%的减排目标(Carbon Budget Six,CB6)和在2050年减少碳排放100%的“净零”目标,并希望氢能在其中发挥重要作用。然而,按照全生命周期碳排放理论,氢能生产过程中也会产生不同程度的碳排放,因此氢能也被分为灰氢、蓝氢和绿氢三种。

01英国低碳氢来源
英国于今年8月17日发布了首个国家氢能战略,该战略清晰地描述了英国发展氢能的原因、氢能发展现状以及如何进一步发展氢能,展现出了占领氢能制高点的野心。

众所周知,发展新能源、发展氢能最重要的目的就是减少污染,减少碳排放。英国制定了2035年碳排放相比于1999年减少78%的减排目标(Carbon Budget Six,CB6)和在2050年减少碳排放100%的“净零”目标,并希望氢能在其中发挥重要作用。然而,按照全生命周期碳排放理论,氢能生产过程中也会产生不同程度的碳排放,因此氢能也被分为灰氢、蓝氢和绿氢三种。

英国对各种可能的氢生产方式及其对应的成本和碳排放做了整理,如表1所示。英国政府将于2022年初启动2.4亿英镑的氢能基金,用于鼓励氢能的早期生产,并设立6000万英镑的专项资金用于低碳氢研发。

表1 英国氢能生产方式总览

如表1所示,生物能源与碳捕获和储存技术(BECCS)能够创造非常多的负碳排放,据政府间气候变化专业委员会介绍该技术是一个实现低大气浓度二氧化碳目标的关键技术,但该技术需要进一步的科研创新和发展。目前传统且大量使用的氢气生产方式具有非常高的碳排放,碳捕捉、利用与封存技术(CCUS)技术能够减少该过程中产生的二氧化碳。利用可再生能源制氢是另一种降低氢能生产碳排放的重要技术,英国是海上风电利用最多的国家,并将持续扩大产能,希望2030年能够达到40GW。故而英国目前打算采用“双轨”制氢的方式:基于电解模式制氢和基于CCUS模式制氢,力图打造多个基于CCUS和海上风电制氢的低碳化工业集群,如图1所示。该机构UK Research and Innovation (UKRI) Industrial 在Decarbonisation Challenge项目中将为该计划配套资金1.7-2.61亿英镑。英国公司ITM Power、Johnson Matthey 和 Ceres Power在该行业领域具有领先地位。

图1. 英国电解水项目和CCUS项目产业集群

02氢气的储运解决方案

当解决了低碳氢的生产来源之后,第二个需要解决的问题便是氢气的输运与存储。氢气输运分为管道输运和非管道输运。该战略对管道输运进行了比较详细地论述。首先,英国打算在现有天然气管道中加入20%左右的氢气,从而让氢气真正服务于广大终端消费者。为此,对Project Union项目立项以解决其中的安全问题、立法问题和收费问题等;第二,英国打算建立全新的用于100%输送氢气的管道,由Ofgem资助的H21项目应运而生,该项目主要从事纯氢管道的工业层级的应用示范性研究。

氢气存储分为三个方面。一种办法是采用专业的储存容器,这种办法能够存储的氢气能量可以达到MWh。具有前期投资成本低,容易部署,容易获得的优点。另一种办法是采用地下存储的方式,如地下盐穴,枯竭的可燃气或油田,这种方法可以存储大量的氢气,能够达到TWh的储存量级。鉴于氢能预计在供热中的广泛运用,地下存储氢气具有非常重要的战略意义,能够满足能源利用的季节性需求变化并平滑可再生能源的供电不稳定性。第三种便是基于氢气化合物(如氨,甲醇、甲苯等)和金属储氢的方式,这些方式会随着研究和创新降低成本,可能会得到更广泛地运用。另外,长久储存氢气也是一个具有挑战性的课题,英国政府为该项科研攻关提供了6800万英镑。

03英国氢能四大应用场景

要想扩大氢能经济,进入真正清洁高效的氢能社会,必须为氢能找到应用场景。英国为氢能运用找到了4个主要的场景。

1. 工业生产的原料和燃料。英国设立了3.15亿英镑的工业能源转换基金,以支持工业生产过程中的碳减排技术。英国耗资2000万英镑进行工业燃料转换竞赛,刺激对燃料转换工艺和技术的早期投资。该项目在推进新燃料转换开发方面取得了巨大的成功-世界上首次以商业规模级供应氢气燃烧制造水泥和石灰的示范。绿色酿酒厂基金使用1000万创新基金,资助一系列不同计划,以帮助酿造工业走向绿色生产。在资助的第一阶段17个可行性研究中,有9项针对低碳氢的使用。英国耗资4000万进行红色柴油燃料转换竞赛,旨在将用于采石、采矿和建筑的非道路移动机械从红色柴油转换为氢气或其他低碳燃料。

2. 电力行业的脱碳。英国的目标是完全脱碳,到2050年实现可靠、低成本的电力系统,可再生能源的发展一直是主要推动力。为了满足CB6,英国力争到2030年代中期实现电力行业的低碳化。随着更多行业转向电气化,对电力的需求将增加,可再生能源的部署将进一步扩大,将越来越依靠风能和太阳能,发电将变得更加分散、多变和间歇性。为了支持这种转变,需要更加灵活的储能和需求侧响应技术,以管理需求高峰并平衡电力所需。低碳氢在这个领域将发挥战略作用。首先电解和储存技术能够实现系统灵活性。另外,基于氢气混合燃烧或100%氢气燃烧的氢气锅炉、涡轮机、热电联产系统等低碳设备正在抓紧研发制备。

3.建筑行业的供暖和生活燃料。供暖占英国建筑物排放的74%和英国所有碳排放的23%,这是因为大多数建筑物仍然使用天然气取暖和日常生活。为了实现2050年的低碳目标,需要开始逐渐采用低碳燃料,如低碳氢,该需求预计在2035年达到45TWh。相关工作正在广泛开展。在英格兰西北部实施的的Hynet及其北部实施的H21项目,以及国家电网牵头的HyNTS和 LTS Futures项目都在探索天然气网络内氢气的分配和运输。英国商务能源与产业战略部(BEIS)资助的2500万英镑的Hy4Heat主要用于100%氢气使用设备的开发和演示,并为氢气加热工程师制定了技能认证框架。根据英国“十点计划”所预定的,将在2023年实现村庄规模的氢加热实验;将在2025年打造氢能城镇平台。H100法夫邻里实验(H100 Fife Neighbourhood Trial)将在2023年提供世界上第一个天然气到户网络。该实验提供的氢气可为300个家庭提供供暖和烹饪。这些氢气是利用当地海上风电生产。该项目由天然气公司SGN负责,多家企业如Cadent、NGN等和苏格兰政府协助参与。H100实验还将收集消费者氢气使用习惯,提供基本的研究资料,为建设和运用氢网络以及以后的电网改造工程提供依据。

4.在交通领域的运用。交通领域的碳排放是英国温室气体排放的最大贡献者,占27%。氢能在这一领域的减排作用被寄予厚望。氢能可以直接作为燃料在现有动力设备中使用,也可以借助燃料电池进行能量转换。氢能可以为公交车、火车、重型交通工具等设备提供一种低碳方案,也可以为航运和航空等无法完全脱碳的行业提供解决方案。如图所示,英国目前道路上有超过300辆氢燃料电池汽车。英国将启动ZEBRA计划,设定柴油车的禁止销售日期,也将投资1.2亿英镑资金交付1400辆零排放公交车。

Hyseas项目旨在提供一艘采用无碳氢作为能源的客运渡轮。该船计划在奥克尼及其周边地区运营,使用的氢气由可再生能源在岛上生产。HyFlyer Ⅰ和Ⅱ为ZeroAvia提供了1500万英镑资金,用于六座飞机的氢燃料系统改装并完成首飞。在该资金的继续支持下,公司继续将燃料电池系统提升至19座飞机,并计划于2024年提出首款产品。H2GEAR项目投资2700万英镑用于液氢推进器系统。该项目由GKN Aerospace承担并计划于2026年提出第一代氢动力飞机。此外,氢还可以用于提炼和生产可持续航空燃料,可在短期碳减排中发挥关键作用。

04总结

1.氢能应用场景开发应着眼全局,广泛布局,联动发展。比如关于氢气法律法规的修订;关于氢气燃烧用设备的研发(包括日常用的生活器件,如氢气燃气灶和大型设备,如燃气轮机);关于氢能行业从事人才的资格认定等等。氢能应用需注重多元化,促使整个工业的低碳化发展。

2.氢能是一个正在快速发展且闭合的产业链。在该领域的技术领先不仅能创造经济效益,还能带动高质量就业,如英国预计在2030年氢能可以产生9亿英镑总附加值并提供9000个岗位,在2050年提供100000个岗位。18世纪,蒸汽机在英国发明,带动了第一次工业革命,使英国完成财富积累,奠定了世界大国地位。如今,英国在氢能发展方面展现出雄心壮志,表示要在2025年初步实现1GW低碳氢产能,在2030年进一步实现5GW的低碳氢产能。英国也不止一次在该《国家氢能战略》中指出,希望在氢能产业领域保持世界一流的领先地位。美国能源部(DOE)最近也上马了30多个氢能项目,总统拜登也签署行政令支持FCEV的发展。氢能风口逐渐形成,竞争开始加剧,谁能乘势而上,引流潮流,接下来10年至关重要。

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