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氢能投资火热中国如何用好“高能氢

时间:2018-08-30 14:12来源:未知 作者:秒速赛车 点击:
在火过一波一波后,氢能的春天真要来了。去年包括李嘉诚投资氢燃料产业链,业内还有些质疑的声音。现在,则是氢能项目千金难求,甚至出现有钱找不到项目、有项目投不进去的盛

  在火过一波一波后,氢能的春天真要来了。去年包括李嘉诚投资氢燃料产业链,业内还有些质疑的声音。现在,则是氢能项目千金难求,甚至出现有钱找不到项目、有项目投不进去的盛况。

  资金青睐是其中一方面,说明氢能技术已经逐渐成熟,具有投资价值。此外,各地对氢能产业链的支持政策正在陆续落地,长三角、珠三角一些城市已经出台加氢站建设规划,大型发电企业国家能源集团领衔氢能产业联盟热火朝天,在产业链上寻找投资项目的投资机构也是一拨一拨。

  国外发达国家已经有一些成熟经验,可资借鉴。氢能要真正成为主导,还需要适合中国特点的政策,有些产业链技术还需要评估经济性,比如制氢技术路线、储氢罐等。资金蜂拥而入是好事,真金白银的投入还要进一步评估技术、经济可行性,并找对项目。才可实现真正的突破,达到氢能社会的前景。

  氢能的春天,如何把握好机会?下面这篇去年的报告详细回答了这个问题。

  【无所不能文丨莫尼塔研究】中国经济正经历艰难转型,中国能源问题的焦点不再是能源安全和能源保障的问题,而是面对气候变暖,二氧化碳排放以及大气污染压力下的能源结构调整和能源效率提高的挑战。

  莫尼塔研究认为:氢能作为高效的多用途的能源媒质(energy carrier)在中国能源市场的社会和经济(social-economical)应用场景中优势突出。氢能在本质上并不存在同电力、化石燃料的竞争关系。

  相反,氢能的发展可以充分利用中国现有的世界级的能源供应基础设施(发电,输配电,石油和天然气管网),以交通运输和能源储存为核心市场,推动中国能源市场向以分布式供给和新能源主导的可持续(sustainable)能源模式转换。

  在能源模式转换(energy transition)过程中,中国政府应在氢能基础设施的发展初期给以更明确和坚定的扶植支持,尽快形成氢能经济生产(production)和流通(distribution)的规模效应。

  中国当前化工工业基础具有强大和广泛的制氢基础,2015年国内副产氢(by-product production)的商用剩余量约为38万吨/年(图1),是190万辆燃料电池车一年的燃料使用量(按每辆车年行驶两万公里计算)。

  中国另有198万吨/年的潜在专业制氢 (captive production) 产能可做后续氢源供应。不考虑物流运输问题,上述约240万吨氢源供应都无需新增资本投入。所以,在中国氢能经济发展的初期阶段,中国工业制氢基础有能力提供充足且廉价氢气资源。

  钾离子K+ 亚硝酸根离子NO2-磷酸二氢根离子H2PO4- 磷酸一氢根离子HPO42-

  保护器共有4路温度检测通道,对温度检测功能测试的方法是,将4路温度检测电路的热敏电阻和万用表的温度检测探头同时置入80℃的热水中,观察记录保护器传递给上位机应用程序显示的温度值与万用表测得的温度值。

  中国煤炭资源丰富且相对廉价,故将来煤制氢很有可能成为中国规模化制氢的主要途径。但煤制氢工艺过程二氧化碳排放水平高,所以需要引入二氧化碳捕捉技术(Carbon Capture and Storage, CCS),以降低碳排放。

  目前二氧化碳捕捉技术(CCS)主要应用于火电和化工生产中,其工艺过程涉及三个步骤:二氧化碳的捕捉和分离,二氧化碳的输送,以及二氧化碳的封存(图2)。据美国环境保护局的统计数据,二氧化碳捕捉技术(CCS)的应用可以减少火电厂80%-90%的二氧化碳排放量。

  二氧化碳捕捉技术(CCS)在国际上早已被深入研究和实践。2014年加拿大建成了世界上首个商业化的二氧化碳捕捉项目—边界大坝火电厂。该项目在火电厂的基础上整合了二氧化碳捕捉装置,降低了发电过程中的碳排放量。而国内的神华集团也早在2009年就在鄂尔多斯建设二氧化碳捕集和封存项目,近期神华集团已经在鄂尔多斯成功示范30万吨二氧化碳封存技术。

  随着二氧化碳捕捉技术(CCS)的逐步成熟,煤制氢加二氧化碳捕捉技术的制氢工艺路线也会日益清晰,将为中国氢能经济中长期发展提供充足的氢气资源。

  3.中国氢能经济发展后期:可再生能源制氢将实现能源的清洁生产与利用

  此次与山东重工达成合作的加拿大巴拉德动力系统公司是全球氢燃料电池领军企业,两者将在山东研发制造氢燃料电池动力系统,并将第二代技术率先在中国市场使用,共同开发第三代、第四代技术。而加拿大西港燃料系统公司则是天然气发动机技术全球领先者,潍柴将引入其缸内高压直喷(HPDI)技术,在山东研发制造高端天然气发动机。

  国家能源局发布的《2015年度全国可再生能源电力发展监测评价报告》显示,2015年我国弃风电量339亿千瓦时(图3),同比增加213亿千瓦时,甘肃、新疆和吉林的弃风率均超过30%;西北地区出现了较为严重的弃光现象(图4),甘肃弃光电量26亿千瓦时、弃光率31%,新疆弃光电量18亿千瓦时、弃光率26%。

  西南地区弃水现象也同样严重,四川弃水电量达到102亿千瓦时,云南弃水电量152.6亿千瓦时。据此推算,2015年我国至少有642亿千万时的可再生能源没有利用。如这些可再生能源用来电解制氢,则可以制备160.5亿立方米的氢气(按照制备每立方米氢气耗费4度电来计算)。

  测试时,通过调整电池模拟器中某节电池的电压,分别使之低于设定的锂电池最低放电电压和高于最高充电电压,观察保护器中的充放电状态指示灯,测量充放电控制MOS管的管压降,观察上位机显示的保护板工作状态来判读是否实现了相应的保护功能。

  目前弃光、弃风和弃水发电的成本价格为0.15元/度,据此计算出的电解水制氢成本为1.5元/立方米,这已经远低于利用上网电电解水制氢的成本,且与化石燃料(煤、焦炭和天然气)制氢的成本上限接近(表1)。所以,未来氢能产业链下游储运等环节一旦取得突破,新能源支持的大规模电解水制氢的市场份额将出现增长,氢能成本也会进一步降低。

  目前市场对氢能使用存在一个明显的误区,即将氢能的应用范围局限于传统化工生产领域这一单一应用场景,由此而担忧氢能基础设施投入开销巨大,且使用成本高昂。事实上,氢能作为储能介质能够横跨电力、供热和燃料三个领域,促使能源供应端融合,提升能源使用效率,其应用模式可以抽象为以下三个方面:

  a. 电能到电能的转换(power to power):电解制氢实现电能向氢能的转化,必要时氢能可通过燃料电池再次转化为电能。

  b.电能到燃气的转换(power to gas):电解制氢后,将氢气直接混入天然气管道,或者合成甲烷后混入天然气管道;混合天然气在终端作为燃料提供热能。

  c. 电能到燃料的转换(power to fuel):电解制氢后,氢气作为燃料电池车的燃料,为汽车提供动力。

  而氢能作为能源载体的具体应用模式涉及新能源制氢补充发电、燃料电池汽车、分布式发电等领域。所以氢能的应用场景具有很强的多样性,如未来能够形成电力、供热和燃料相互交叉的应用网络,将大幅降低其使用成本。

  中国目前年产氢气2000万吨,其中50%用于石油和煤化工领域,45%用于合成氨。所以中国对于氢气的应用主要集中在石化生产领域,即氢气的传统使用领域(表2)。在这些生产过程中,氢气是直接参与反应的原材料。相对于传统应用领域,氢能在新能源方面的应用份额很低,说明中国氢能经济的发展还处于萌芽阶段。

  近几年,以德国为首的西欧国家正尝试探索风电、太阳能电解制氢,并用天然气管道输送氢气或氢气制甲烷的氢能发展模式,即电转气(power to gas, P2G)模式(图6)。电转气(P2G)模式的第一步是利用风能和太阳能等可再生能源产生的电能电解水制取氢气。

  在电池接口模块PCB中,M43T器件位于通信部分的边缘,它将通信部分与高压检测子系统隔离开来,而这个高压检测子系统还被更深PCB层中的地平面进一步屏蔽。隔离接口提供3个独立的M43T光耦,分别用于从每个检测电路引出的3根线即飞思卡尔S9S08DZ32 CAN Tx输出引脚、MCU CAN Rx输入引脚和来自MCU的高电压故障信号。举例来说,MCU CAN Tx引脚的输出信号将通过PCB中的屏蔽信号层到达M43T器件的引脚1阳极给嵌入式LED供电,并导致引脚5 Vo发生状态改变(图8)。隔离后的信号再传送到电池接口模块的通信输出级电路。

  第二步是氢气与二氧化碳反应制备甲烷,再通过天然气管道与天然气混合储存运输;或者直接将制得的氢气与天然气按一定比例混合后,再通过天然气管道进行储存运输。截至2016年1月,欧洲地区已经建成了50个电转气(P2G)示范项目(图7)。

  我们的锂离子电池技术有个特点,即在给定的温度和输出电流值条件下,锂离子电池能够在其容量范围的中段保持近似平坦的电压输出(图2)。虽然这个特性提高了锂离子电池作为一种能源的优势,但也使工程师试图使用简单的电池电压测量方法向用户提供保持电池电量或荷电状态(SOC)的手段变得复杂起来。对于Volt汽车司机来说,精确地SOC测量是准确估计汽车剩余可行驶里程的关键。事实上,在新兴的电动汽车市场中,“里程焦虑”是阻碍电动汽车普及和销量攀升的一个关键因素,因此精确描述SOC非常重要。

  目前中国主要城市的天然气管道建设已经较为完备,具有发展电转气(P2G)的初步基础。中国发展电转气(P2G)具有多重重大意义。

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  一是通过发展电转气(P2G)可实现可再生能源补充发电。目前风能和太阳能等可再生能源发电的难点在于发电的波动性。波动的可再生能源使发电高峰和用电高峰产生错配,造成并网困难。但如果波动的可再生能源先转化成氢能储存起来,在用电高峰时,再转化为电能,就可实现可再生能源补充发电。

  二是降低氢能的储运成本。目前氢气主要通过高压压缩和液化等方式储存和运输,储运费用占氢气售价的40%至70%。储运费用过高成为阻碍氢能推广的一个重要原因。如果通过现有天然气管道输送氢气,则输送压力较低,且能够连续供气,所以氢气的储运成本可以大幅降低。

  三是电转气(P2G)的应用能够提高可再生能源在中国能源消费中的占比,减少化石燃料的使用,有助于减少污染和碳排放。

  3.  中国氢能应用场景三:以氢燃料电池为核心的分布式能源网络可提高能源利用效率

  氢能不但能够实现前文所述的并网发电,还因其储运的机动性,可以依托氢燃料电池技术,建立分布式能源网络,做到区域或城市电力、热能和冷能的联合供应(图8)。燃料电池自身的能源转化效率高(图9),且分布式能源系统的能源输送距离短,以氢燃料电池为核心的能源网络的能源利用率明显高于传统能源网络。

  日本东京天然气公司和松下公司联合研发的家庭分布式能源系统Ene-Farm已经在日本成功推广。该系统的燃料电池以天然气管道输送的氢气为燃料,发电和用电地点相同,且发电产生的热量也被用来供热。整个系统的能源利用效率高达95%,而传统天然气发电加锅炉供热的能源效率仅有68.7%(图10)。

  山东重工、潍柴集团董事长谭旭光表示,“山东聚焦高质量发展、加速新旧动能转换,我们迎来了最好的机遇。”据悉,未来潍柴将向社会供应2000台氢燃料电池商用车。

  根据东京天然气公司和松下公司公布的数据,Ene-Farm可以减少37%的一次能源使用量和49%的二氧化碳排放量。

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  4. 中国氢能应用场景四:燃料电池客车或成为中国燃料电池汽车发展的突破口

  英飞凌TLE6250G CAN收发器位于通信信号链的末端,是一款经过AEC认证的IC,可以提供物理电缆和CAN协议处理器这里是S9S08DZ32 MCU(通过光耦隔离)之间的CAN物理层信号。这个器件的额定CAN传输速率是1M波特率,它能处理差分信号线上的CAN_H和CAN_L信号之间的转换,以及由S9S08DZ32发送和接收的CAN占有(dominant)位和空闲(recessive)位。

  国外汽车生产厂商经过多年技术积累,已经为燃料电池车的商业化打下了良好基础。配合灵活的销售方案,包括美国、德国、丹麦、英国在内的国家的燃料电池汽车,正在从概念车逐步向商业化生产过渡(图11)。目前丰田Mirai、现代iX35以及本田Clarity燃料电池汽车已实现商业化生产。

  而燃料电池的研发和技术进步速度也在加快(图12),预计未来2-3年内,会有多辆概念车型步入商业化。

  而燃料电池客车因技术门槛相对较低、具有良好的宣传推广效应、以及加氢站布局存在优势的原因,有可能成为中国燃料电池汽车发展的突破口。2015年中国燃料电池客车的订单数量出现了明显增长。

  2015年4月,宇通与北京亿华通公司签订了100辆燃料电池客车合作意向书;5月福田汽车接到了有车(北京)新能源汽车租赁 有限公司购买100    辆欧辉氢燃料电池电动客车的订单;6月佛山飞驰宣布签署了28辆燃料电池客车订单。

  图5:无源电池平衡技术(左)将高电压电池切换到放电电阻;有源电池平衡技术可以依次累积电量到电容上(右)或电感上,或者使用变压器将电量分配给低电压电池。(意法微电子提供)。

  氢能经济是富国经济,穷国发展不了氢能经济。单一、少量氢能的生产和应用并不困难,但是要把氢能作为绿色经济的支柱进行规模化发展,其难度是很大的。这不仅需要投入大量人力、物力和财力,还需要有丰富的氢能产业链知识积累和实践经验。因此氢能经济在中国得以发展,离不开经济水平(人均GDP)的提高,配套基础设施的跟进,以及发展初期政府的大力扶持。

  2015年中国一线美元/年,已步入高收入国家行列(图13),而中国沿海地区的人口密度远高于其他地区(图14)。从上述两点出发,中国沿海发达地区已经具备了规模化发展氢能经济的基础。

  图13:中国东部、东南部一线城市人均GDP已达到高收入国家水平

  从环境角度来看,全国40%的汽车集中于东部地区,高水平的汽车保有量造成城市拥堵,加剧空气污染(图15,图16,图17,表4)。据OECD组织估算,中国大气污染造成的死亡人数将长期高于全球平均水平,中国环境压力已接近极限(图18)。

  (1)根据锂的原子结构示意图可知,其最外层电子数为1,在化学反应中易失去1个电子而形成带1个单位正电荷的阳离子;根据元素的正化合价数等于其原子的最外层电子数,氧元素显-2价,写出其氧化物的化学式即可.

  在二氧化碳排放方面,中国作为《巴黎气候变化协定》的缔约国,承诺在2030年使二氧化碳排放达到峰值,并且将非化石能源在一次能源中的比重提升到20%。中国作为全球碳排放第一大国,加上以煤炭为主的能源结构,未来二氧化碳减排压力巨大。综合上述因素,在条件成熟的情况下,中国东部发达地区将会率先开展氢能经济的发展建设。

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  图17:中国东部整体PM2.5水平远超国际标准(25微克/立方米)

  2.  基础建设是发展氢能经济的突破口,而政府补贴和明晰的发展规划是关键

  不同于其他新能源,氢能经济的中间环节至关重要。以加氢站为例,其前期投资巨大,单个产业和个体企业无法独立承担。据IEA的估计,加氢站的累计现金流在加氢站运营后的10-15年都处于负值(图19)。

  图4:L9763 ASIC包含有用于测量Volt电池组的电压和电流以及通过无源电阻电池平衡技术平衡这些电池中电量的片上电路。(意法微电子公司提供)

  为了确保氢能经济在发展初期能够顺利开展,德国和日本的政府部门都为氢能经济制定了清晰、周密的发展方针,并提供全面的政策及资金支持。而目前中国政府对氢能经济的补贴主要集中在加氢站建设和燃料电池车的销售环节:

  b. 每销售一辆燃料电池商用车最高可获得50万元的地方补贴和50万元的国家补贴。

  对比德国和日本,中国政府对于氢能全产业链的扶持力度还需进一步加强。

  德国氢能经济走的是一条由上至下的发展道路。首先重点发展P2G模式,以期尽快为下游氢能应用提供便捷的基础设施,进而激活下游应用场景。在氢能基础设施布局方面,德国政府采取以核心城市为中心,并依托完备的天然气管道系统逐步向外延扩展(图20,图21)。

  与此同时,德国政府和产业资本也积极推动氢能基础设施的发展和建设。德国政府牵头成立了国家全资公司(National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology, NOW GmbH),以支持氢能经济的初期发展(图22)。该公司的管理层由德国联通署、建筑与城市发展部等5个部门组成。

  募集资金中的7亿欧元由德国政府出资,剩余资金则按项目合作制度由产业提供。除此而外,由Air Liquide,Daimler,Linde,OMV,Shell 和 Total六家氢能产业的龙头企业结成 了H2 Mobility 联盟,以社会产业资本的身份通NOW一同支持德国氢能产业发展。

  德国其他氢能产业资本也全力支持氢能经济发展,目前有约300家上下游公司(包括汽车厂商和各类配件供应商)准备投入超过20亿欧元,用于推动氢能基础设施建设。

  因能源匮乏,日本很早就将氢能经济视为未来国家能源的发展方向,并已持续推广氢能经济多年。2014年6月日本通过了新的氢能发展政策,从更广的维度加速推进氢能经济发展。该政策主要内容包括以下几点(图23):

  c. 建立廉价的氢气系统,促使氢能应用多样化,并于2020年初步构建国际氢能供应链;

  过流保护主要是由单片机依据电流采集所获得的采样值和设置的电流保护阈值进行比较,来决定是否关断充电或放电回路。测试电路结构图如图7.5所示。

  从日本氢能经济三阶段任务可以看出,其选择的是自下而上的发展路径。日本希望在前期着重普及氢能及燃料电池的下游应用,并不断拓展下游市场规模。

  为了推进氢能经济的初期发展,2014年日本提供约46亿日元的财政补贴资金,2015年则为89亿日元。这些资金将用于补贴50%的加氢站建设成本(表5)。在基础设施布局方面,日本与德国一样,秒速赛车平台:首先在人口密集的区域建设基础设施。日本将前期的基础设施建在车辆集中且可能首先商业化的城市,并将加氢站布局在四个核心地区之间的高速公路上(图24,图25)。

  虽然中国氢能是否成为电力一样广泛适用的能源载体尚有很大的不确定性,但作为融合分布式能源供应转换、无污染和高效灵活的能源媒介,其市场潜力和未来贡献却是毋庸置疑的。

  中国的环境压力远远大于其他国家,同时中国现行体制又适合高效的基础设施建设和政府推动的产业发展。在中国经济增速放缓,传统经济投资发力的市场环境下,氢能经济在中国无疑具有天时地利与人和的优势,不可错失良机。而参考发达国家氢能经济的发展经验,面对氢能经济的发展机遇,大型能源企业及汽车厂商更有实力与动力参与氢能经济的建设。

  在日本,加氢站的建设主要由大型企业担当,其中又以传统燃气及能源供应商最为积极。

  莫尼塔研究认为,相比中小企业,大型企业在氢能经济发展方面具有以下优势:

  a. 具有较强发展氢能经济动力:充分利用当前资产和生产能力,为氢能发展开发新的应用场景;

  b. 资金实力雄厚:大型国企或行业龙头有进行产业链整合的实力(收购核心技术和公司);

  一旦中国氢能行业前景进一步向好,大型企业对氢能经济的推动意愿和能力不容小觑。因此,我们看好国内有雄厚资金实力、且具备产业链整合能力的大型能源集团上市公司。

  标签:二氧化碳 燃料电池 基础设施 新能源 产业链 天然气 能源 经济 燃料

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  此外,将SOC保持在特定范围内对于延长电池寿命而言也很重要。电池的荷电状态太低或太高都将比保持在中间值更快地发生性能劣化,而中间这个特定范围一般是根据经验得到的。如果允许完全放电,锂离子电池成分性能将开始恶化,并导致永久损坏。如果允许将锂离子电池充电到推荐的上限电压之上,电池可能会发生过热,或造成结构的永久变形。

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