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近日，以“碳路中國氫進萬家氫能世界綠色未來”為主題的2022山東氫博會系列活動：第二屆中日韓氫能產業高峰論壇，第二屆世界綠氫產業發展大會，首屆中國（山東）氫產業大會成功舉辦。國家燃料電池技術創新中心（簡稱“國創中心”）副主任、首席專家、正高級工程師潘鳳文作了主題為“氫燃料電池發電應用現狀與發展趨勢”的演講。他從發展氫能的重大意義、氫發電的應用現狀、國創中心概況及發電成果應用、主要問題與挑戰、發展展望與未來趨勢等幾個方面進行了分享。
發展氫能是我國能源結構變化的大趨勢
縱觀人類文明的進步，發展背后的推動力量就是能源的變革，能源的開發和利用推動了社會的快速發展。過去的工業革命和科技革命的本質就是整個能源的革命，從木材到煤炭，從煤炭到油氣，再到光伏、風電等可再生能源電解水制氫，脫碳加氫的趨勢越來越明顯，能源的發展與交通裝備發展相互作用，相互促進，推動了社會發展的一次又一次的工業革命和科技革命，再到現在能源革命，而且每次之間的間隔越來越短。
近年來，全球范圍內的惡性天氣發生的頻次越來越多，溫室氣體排放對氣候變化的影響成為了共識，減少溫室氣體排放，有利于減緩全球的變暖，有利于降低各種自然災害。
日前，聯合國環境規劃署發布了《2022年排放差距報告》，概述了2030年溫室氣體排放的預測值，警告地球正走向“氣候災難”。從2021年在英國格拉斯哥舉行的第26次締約方大會來看，各個國家最新承諾對2030年排放的貢獻非常小，甚至微乎其微，整個世界沒有走上實現巴黎協定目標的軌道，距離低于2℃，理想情況下接近1.5℃度的目標還差得很遠。到本世紀末，全球溫度可能會升高2.8℃。這個報告指出，全世界只有盡快減少45%的碳排放，才能避免全球性的巨大災難的發生。
解決方案是存在的，能源結構的轉型刻不容緩，而可再生能源氫能在這里面扮演了一個關鍵的角色，同時我們國家能源結構的變化是逐漸朝著降低煤炭的消費占比，發展氫能是中國能源結構變化的大趨勢。
我們要構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源的總量，著力提高利用效能，實施可再生能源的替代行動，深化電力體制的改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。實施以碳強度控制為主、碳排放控制總量為輔的制度。
發展氫能的重大意義
從過去20年能源歷史變遷，能源消費總量的構成來看，雖然各種能源的消耗量都在增加，但是電力、天然氣等能源也在逐漸增加。從煤炭消費的角度來看，煤炭在能源消費中的占比正在逐年下降，發展氫能具有重大意義，也是我國能源結構轉型的迫切需要。
非化石能源占比從2020年的15%，到2025年的20%，2030年提高到25%，2050年預計會提得更高。未來將主要以光伏、風電、核電等可再生能源和清潔能源為主。按照中國氫能聯盟白皮書，預計到2050年，氫能在我國整個能源消費體系中的占比將達到10%，2060年預計到15%，在交通、化工、工業、建筑等領域都會得到規模化的應用。其中在交通、建筑等領域是以氫燃料電池的發電應用為主，在化工行業和工業行業，氫扮演的角色是原料。
作為燃料屬性的氫氣，以能源的方式參與到這兩個領域，是關注的重點。氫能是傳統能源與可再生能源轉化的一個非常好的媒介，不管是從電到氫再到電，還是從氫到電，可以實現能源轉換的作用。
電網、道路管網、燃氣管網是我國在全球范圍內具有重要影響力的三網。電網不能消納的部分需要各種儲能的方式，但是在長周期大容量儲能方面，電解水制氫作為儲能方式進入了新的領域，通過燃料電池就可以轉化為電，繼續反饋到用電側。同時氫還可以作為原料進入工業，通過管網進入化工行業，所以說，氫在其中起到了一個傳統能源與可再生能源轉化媒介的作用。
氫能發電的應用現狀
首先，氫在移動交通領域的應用。我國以商用車為主，國外以乘用車為主，車輛的保有量逐年都在攀升，從2017年的1000多臺，到今年底會突破1萬臺，甚至到12000臺。國內加氫站以氣態為主，從2017年的11座到現在的300多座，建設成本大幅下降，建設的速度超過了燃料電池車輛的增速，這也是我國的一個優勢。車輛保有量逐年攀升，已經遠遠超過了國家中長期規劃的2025年5萬臺的要求。
第二，氫在固定綜合供能領域的應用，主要是發電和熱電聯供領域。主要有兩種應用方式，一種是以日本和歐洲為典型代表，以PEMFC和SOFC小型和微型的燃料電池綜合供能系統為主，目前發展最好的是日本。日本政府先后出臺了很多的補貼政策，支持相關產品開發和裝機，目前累計裝機超過50萬臺，在他們的路線圖規劃中，到2030年的目標是530萬臺。而歐洲在最近10年也逐漸推出了多項針對小型氫能燃料電池發電的一些項目，裝機量也接近1萬臺，其路線圖規劃是到2040年超過250萬臺。
第三，大型燃料電池分布式發電領域，以美國和韓國為代表，近年來示范項目在逐漸增多。它們大多采用多模組組合應用方案，集中式熱管理，呈現標準化、模塊化、定制化趨勢，正處于示范項目的驗證階段。如韓國現代、美國微軟、日本豐田等。
近年來，我國在燃料電池發電領域正在加大力度，國家層面陸續出臺了多項政策，支持燃料電池發電領域的產品應用和推廣，但是總體技術成熟度和運營驗證仍處于起步階段，大功率、集中式氫發電，更適合我們的國家。目前，我國的示范應用主要集中在兩種場景，典型的有前一段時間國家電網在浙江臺州大陳島氫能綜合利用示范工程正式投運，功率雖然不大，但已經實現了從制氫、儲氫到燃料電池發電綜合供能的一個模式。第二個還是國家電網，安徽六安兆瓦級PEM電解水制氫，清潔、零碳，一年制氫70余萬標立方，氫發電73萬千瓦時。在小型的氫燃料電池發電方面，有一些企業也在開展研究，比較典型的是江蘇鏵德，其采用的是天然氣重整分布式氫燃料電池熱電聯供，總效率可以達到93.5%。
國創中心概況及發電成果應用
2021年3月21日，國家燃料電池技術創新中心獲得科技部正式批復，以濰柴動力為主體，聯合有關高校、科研院所、行業骨干與產業鏈上下游企業共同建立。國創中心是行業首家同時可以開展氫燃料電池和固態氧化物燃料電池檢測的CNAS最大的實驗室，建成了現有的行業領先的燃料電池實驗測試設備，可以進行從關鍵的材料—單體—電堆—系統—動力總成—整車全技術鏈的測評能力。研究的領域方面，國創中心圍繞著行業的需求，進一步向氫制、儲等產業鏈進行技術的探索。圍繞以燃料電池的關鍵技術研發為核心，拓展上下游的應用，以場景應用為牽引，同時為氫的安全做好準備和研發。
過去幾年，國創中心在發電領域做了一些探索和嘗試，開發了幾款產品，比較典型的有兩款產品：
第一款是15千瓦的發電綜合供能裝置，圍繞著備用電源、冷鏈運輸的冷藏箱的供電，采用的是儲氫、電池和散熱系統一體化集成設計，可以滿足72小時以上的用電需求。集成度和緊湊度比較好，這可以是一個標準的模塊化。
第二款產品是100千瓦的一個模塊化的綜合供能裝置，應用場景圍繞數據中心、商業樓宇、社區住宅等，采用的是1+N+1的模式，可以進行多模組的組合應用，最大可實現兆瓦級供能需求。集成度和標準化比較高。
氫發電行業面臨的問題和挑戰
首先，標準和法規不完善。氫發電相關頂層設計不健全，技術標準和法律法規仍不完善，標準不統一，運營不規范。車用標準大約有100項，而發電領域相對較少。據統計，氫發電標準分布占比，安全性和性能試驗方法只有13項，占比65%，安全維護性和技術條件只有4項，各占10%，系統只有3項，占15%。可以說在發電領域標準法規的不完善程度，比車用在交通領域的應用還要欠缺，這是行業面臨的非常大的一個問題。
第二，發電的經濟性。與傳統的發電效率相比，氫的制、儲、運各個環節成本非常高，終端用戶一次性投資和使用的成本也比較高，投資大、回報周期長，性價比較低，挑戰非常大。
第三，關鍵技術還有待提升。我國和國外還有一定的差距，我們的產品和工程樣機都屬于示范驗證階段，沒有實現商業化運營，穩定性、可靠性、耐久壽命都需要進一步驗證。未來，交通領域的規模化推廣將大幅提升燃料電池的技術成熟度，氫能發電會圍繞不同場景的差異化需求進入終端應用。
中國、日本和美國對比來看，日本聚焦微型家用，美國是大型分布式為主。技術路線，我國是以PEMFC為主，日本是PEMFC/SOFC為主，美國是SOFC/MCFC為主；功率上，我國是從15千瓦—1兆瓦，日本從700瓦—5千瓦，美國是200千瓦—1兆瓦。我國仍處于示范應用階段，而日美已經走上商業化道路。
總的來說，我國和國外的發展還有一定差距，由于國情不同，決定了我們的技術路線不同。最近，十四五國家氫能技術專項在多個領域圍繞氫能發電出臺了技術研究支持，山東省的“氫進萬家”二期項目就是典型的工程示范項目。它圍繞著社區住宅、商業領域、工業園區等場景，開發4款大功率的燃料電池的綜合供能裝置，目標是突破500臺套以上，要求累計運行不少于100萬小時。相信通過類似項目的實施，可以進一步推動產品技術的提升和整個示范項目的推廣。雖然氫發電還存在很多的問題，但未來的前景非常光明。
氫能發電展望與未來趨勢
商業模式的創新和突破是下一步發展的重點。通過集成可再生能源的發電、氫儲能和氫發電的耦合微網，將成為未來氫能規模化發展與應用的重點方向。“電-氫-電”深度融合，可以助力提前實現碳達峰、碳中和目標。通過多途徑的制、儲、輸、用開展全局式規模化的示范應用，能夠帶來和探索一些新的商業模式。只有商業模式的創新才能帶動產業破局，實現商業化的應用。
氫發電在我國應用場景非常豐富。首先，在各種各樣的海島和孤島，偏遠和孤立的地方，都可以考慮充分利用光伏風電資源，通過電-氫-電的方式實現離網的供能需求。
第二個場景是富氫和富電區域，可以通過電-氫-電的方式來實現高效的能源轉換，提高綜合經濟效益。
第三個應用場景，可再生能源電解制氫具有非常高的競爭力，管道輸氫實現規模化。預計到2050年，基于電網的電解成本將大幅下降，可再生能源電解氫將會具備充分的競爭力。同時，管道輸氫也會實現規模化的應用，全球超50%的天然氣管網可以用來輸運氫氣，大幅降低氫氣輸運成本，給終端應用帶來收益，這也是未來實現氫能社會很關鍵的解決方案。
綜合來看，氫能產業已經進入一個新的發展時期，窗口期已經到來，氫發電將會扮演至關重要的角色，只要產業鏈上下游企業共同努力，就會加速這個產業的突破和跨越式大發展。
