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下一步的重点是要使燃料电池系统成本十年内下降80%以上。
过去十年锂电池就是如此,燃料电池滞后了十年。系统成本要从2020年的5000元/千瓦下降到2030年的600元/千瓦。
2020年下半年以来,行业价格战已经开打,但目前看存在非理性因素,而从长期看,燃料电池价格下降应该是完全可以达到预期。
燃料电池汽车不仅需要燃料电池系统成本降低,还有很重要的是车载储氢的成本,这个成本预计会比燃料电池下降速度而言会相对慢一些。
现在国内已经投产塑料内胆碳纤维缠绕的700大气压车载高压储氢瓶。由于刚开始生产,目前成本很高。预计到2025年储一公斤氢的氢瓶成本3000元。主要材料成本来自碳纤维,现在中石化已经建立了大型的高强度碳纤维工厂来解决这个问题。
往前看氢能燃料电池的技术路线图,2025年目标是推广5-10万氢燃料电池车;2030-2035年实现80-100万辆应用规模,这都是以商用车为主体。
在这个情况下,氢需求量到2030年大概三百万吨左右,这个可能比预期的低。这还是按商用车为主体预测的,如果主要是轿车,只需要几十万吨就能满足。
在加氢站环节,数量可能比想象的要多。因为加氢效率比加天然气要低,氢是最轻的一种气体,只是天然气密度的1/8。
当前氢燃料电池汽车发展还面临一些挑战,比如说氢燃料产业链自主化程度与技术水平和燃料电池还有差距,电解绿氢技术、氢储运技术、氢安全技术还需要改进提升,氢燃料的成本总体偏高,这是今后5-10年必须努力解决的。
2能源低碳化视野下的氢能制备与应用
可再生能源只有两个载体,电和氢能。
面向碳中和前景,氢能汽车只是氢能利用的一部分,或者说是先导部分,氢能不仅仅是为了汽车,发展氢能汽车使命之一就是为了带动氢能全面发展。
因为交通行业对氢价格的容忍度最好,以后还有炼钢、化工,发电,大型燃气轮发电机组也是要用氢。
氢能目前主要通过电解水制得。电解水制氢和氢燃料电池恰巧是一个逆过程。氢和氧结合生成水,发出电,但是有电和水就可以产生氢气和氧气,所以把燃料电池成本降下来也可以带动把制氢成本降下来,这是一个问题的两个方面。
现在主要有三种燃料电池,也就有三种主要制氢方式。碱性燃料电池对应碱性电解、质子交换膜燃料电池对应质子膜电解,固体氧化燃料电池对应固体氧化物电解,它们技术成熟度各不相同。
现在成熟的、中国有价格优势的是碱性电解技术,正在进行商业化的是质子交换膜电解技术,5-10年后质子交换膜电解技术会大规模发展起来。
正在发展的未来一代是固体氧化物电解技术,因为它的效率极高。可再生能源制氢成本和可再生能源电价密切相关。目前在张家口风电制氢电价0.15元/度,氢的电耗成本为7元/kg。
此外还有很多氢的载体,比如说液氨,做尿素的氨,它的质量储氢比可以达到17.8%,体积储氢密度更高,100升可以做到12公斤,比液氢要高一倍以上,液氢大概100升能够到6公斤。
所以国际上也有所谓的氨经济、氮循环等很多新的概念。氨可直接用于化肥和塑料橡胶等产品和发电,分解出氢后又可以用于更多方面。制氨的过程是先电制氢,然后再捕捉空气中的氮,氮和氢结合生成氨,可以用传统的工业催化合成氨,现在正在发展电催化合成氨新技术。
3储能视角下的氢能机会
从储能的功率和存储的时间看,电池是中小功率短周期存储。它与分布式光伏匹配还可以,但对有些大规模风电厂就不一定合适了。比如这个月有风、下月没风等场景,这时主要要靠氢。
氢是大规模长周期储存,所以电池和氢能这两种储能必须组合才能构成一个总的储能系统。
氢能是集中式可再生能源大规模、长周期存储的最佳途径。理由是:
第一,能源利用的充分性。氢能大容量、长周期储能模式对可再生电力的利用更充分。有些电力电池储不了,比方说四川的季节性水电,只有氢能储得了。所以说制氢的电价比充电的电价便宜是有可能的。
第二,规模储能的经济性氢能比电池好,车下固定储氢大概比储电成本上大约要低一个数量级。
第三,与电网基础发电电源的互补性。氢能可作为大容量、长周期、高功率灵活能源使用,如用于燃料电池发电,或者用于大型氢燃气机发电。大电网不可能全是风电、光伏。德国能源转型早,可再生能源比例高,由于当时储能技术不成熟,只能保留大部分传统发电机组作为灵活能源用于调节和稳定电网,实施的是双保险措施,导致电价很贵。现在靠储能可以把传统机组规模降下来,但是不可能降的很低,必须要有基础电源,这时氢可以发挥重大作用。
第四,氢的制、储、运方式灵活。我国的大规模集中式可再生能源基地在新疆、内蒙、宁夏等西部偏远地区,这些地方的氢能需要千公里以上长途输运。同时绿氢的输送通道和特高压电输送通道是重合的,发挥超高压输电的中国优势,开展长途输电当地制氢也是一种选择。
这两类方式从储能角度没什么太大差别,关键是谁的经济性更好。初步分析比较发现,长途输电当地制氢方案总体看是有一定优势的。
按电力专家介绍的特高压千公里输电成本为8分钱/度电为基准计算,当可再生能源发电在0.1元/千瓦时左右时,可以大致实现加氢枪出口价格30元/kg左右的目标,与柴油比具有价格竞争力。
这样一来就形成一种中国特色的长途输氢方案,而且利用了我国的能源互联网优势。
展望一下未来十年交通智慧能源生态的建设,大概有两个组合。一个黄金组合,就是分布式光伏+电池+电动汽车+物联网+区块链;还有一个白银组合,集中式的远距离的风电与光伏+氢能储能及发电+燃料电池汽车+物联网+区块链。
一个是分布式的智慧能源,一个集中式智慧能源,两者结合,共同构成面向碳中和的未来智慧能源大系统。
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