綠色能源耦合正當(dāng)時(shí):風(fēng)光氫氨醇的綜合應(yīng)用探索
能源的耦合作戰(zhàn)正迎來(lái)難得的機(jī)遇。一方面,我國(guó)石油、天然氣對(duì)外依存度的日益增大,2023年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示我國(guó)原油對(duì)外依存度72.9%,較上年增加了1.7%;天然氣對(duì)外依存度42.2%,較上年增加1.8%。另一方面,2023年我國(guó)新增風(fēng)光裝機(jī)量已經(jīng)達(dá)到2.9億千瓦,2024年預(yù)計(jì)新增裝機(jī)量2億千瓦,我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)難以承擔(dān)更多的風(fēng)光能源裝機(jī)并網(wǎng),新增電力難以消納、綠色能源項(xiàng)目難以開發(fā)、技術(shù)難以驗(yàn)證成了新能源項(xiàng)目的“新三座大山”,極大的遏制了能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
中國(guó)承諾力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰,力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。面對(duì)能源消耗和環(huán)境污染,大力開發(fā)利用光伏和風(fēng)電等可再生能源是推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。但風(fēng)電、光伏可再生電力的波動(dòng)性、間歇性導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)定性增加,另外可再生電力目前產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成,富余電力難以消納。在當(dāng)前光伏、風(fēng)電產(chǎn)能過(guò)剩的危機(jī)下,盤活可再生能源項(xiàng)目就需要產(chǎn)業(yè)鏈的循環(huán)消納,利用富余的風(fēng)光能源和低谷電力電解水制氫,將氫作為中間原料去生產(chǎn)綠氨、綠醇、綠色航煤等合成能源,支撐起我國(guó)大規(guī)模的可再生電力消納,實(shí)現(xiàn)能源體系的再建構(gòu)。
氫能作為一種清潔低碳、靈活高效、來(lái)源廣泛、應(yīng)用多元的能源,以氫能為核心,實(shí)現(xiàn)氫基綠色能源轉(zhuǎn)化,是氫能代替石油、天然氣等化石燃料的可行路徑,實(shí)現(xiàn)富余風(fēng)光資源時(shí)間和空間的跨越,以物質(zhì)元素的形式將富余電力儲(chǔ)存,有助于實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化發(fā)展,同時(shí)可與綠氨、綠醇等后端合成能源耦合作戰(zhàn),從風(fēng)光—綠電—儲(chǔ)能—綠氫—綠氨綠醇,形成從資源端到消納端的全產(chǎn)業(yè)鏈,最后賦能化工、工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)认掠螒?yīng)用。
1、氫氨醇的耦合是能源體系構(gòu)建的關(guān)鍵
氫的沸點(diǎn)低至-253℃,而氨的沸點(diǎn)為-33.36℃,這使得氨與氫相比更易液化,液化儲(chǔ)運(yùn)成本相對(duì)更低。氨具有較高的熱容量,可以幫助控制儲(chǔ)存溫度,從而減少儲(chǔ)存成本。其不易燃,易液化、易儲(chǔ)存、便運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),使其成為了綠氫利用的重要載體;其更高的安全性、更可靠的儲(chǔ)存能力、更低的成本,使其成為了更安全的可持續(xù)性氫儲(chǔ)運(yùn)方式。
綠色氫基化工市場(chǎng)潛力巨大,氫氨醇一體化是耦合的能源技術(shù),旨在解決氫能大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的難題,拓寬氫能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景。國(guó)際上已形成綠色氫基能源標(biāo)準(zhǔn),為國(guó)際氫基能源交易提供了標(biāo)準(zhǔn)保障。例如2023年國(guó)際海事組織的規(guī)定,將會(huì)在2030年實(shí)現(xiàn)5%至10%的零碳航運(yùn)燃料使用,使得國(guó)際氫基能源需求訂單開始增多,隨著全球減碳市場(chǎng)逐步升級(jí)擴(kuò)容和技術(shù)設(shè)備的迭代升級(jí),氫基能源項(xiàng)目將有望在市場(chǎng)中獲得較大收益,抵消與傳統(tǒng)化石能源工藝之間的成本差距。
我國(guó)政府已出臺(tái)相關(guān)政策,鼓勵(lì)氫氨融合技術(shù)的發(fā)展。例如《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》提出擴(kuò)大工業(yè)領(lǐng)域氫能替代化石能源應(yīng)用規(guī)模,并積極引導(dǎo)合成氨等行業(yè)向低碳工藝轉(zhuǎn)變?!?ldquo;十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》提出依托可再生能源制氫(氨)的氫(氨)儲(chǔ)能等試點(diǎn)示范,將探索風(fēng)光氫儲(chǔ)等源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)的儲(chǔ)能發(fā)展模式列入“十四五”新型儲(chǔ)能區(qū)域示范。
2024年綠氫最熱的下游是綠氨和甲醇,綠氨的制備原料獲取相對(duì)簡(jiǎn)單,相比之下制備綠色甲醇、航煤的原料獲取相對(duì)復(fù)雜。2022年《浙江沿海地區(qū)可再生能源制氫的成本研究》中,分析了可再生能源制氫方案中風(fēng)電、光伏與制氫設(shè)備的配置方案并測(cè)算了制氫成本,成本分別為34.18~36.56元/kg和41.07~42.82 元/kg,并且還分析了光伏結(jié)合谷電制氫的可能性,計(jì)算得出制氫成本約為25.56~26.95元/kg,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。2022年在《可再生能源轉(zhuǎn)化為氨氫能源體系技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析》中,以四川省涼山州可再生能源電解水制氫、空分制氮為原料生產(chǎn)30萬(wàn)t/a合成氨裝置為例,裝置總投資134935萬(wàn)元,按液氨生產(chǎn)消耗定額和消耗品的市場(chǎng)價(jià),其中電價(jià)按四川上網(wǎng)價(jià)0.18元/kWh計(jì),計(jì)算“綠氨”單位生產(chǎn)成本為1672元/噸,具有很高利潤(rùn)空間。當(dāng)采用可再生能源電價(jià)為0.1元/kWh,每噸“綠氨”成本為900.55元,考慮運(yùn)輸成本(每噸約270元),終端用每噸液氨成本是1170.55元,采用分布式氨裂解制氫每公斤成本為18.13元,每公斤氫氣利潤(rùn)約50%,經(jīng)濟(jì)效益很明顯。
通過(guò)“綠氨”運(yùn)輸體系,建立可再生能源合成氨氫醇系統(tǒng)。以清潔且資源量豐富的可再生能源為動(dòng)力進(jìn)行氨醇的合成,通過(guò)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),采用分布式供氫,解決氫能社會(huì)的氫能源供應(yīng)體系,真正建立可再生能源儲(chǔ)存體系。因此,建立可再生能源-氨氫醇體系,能降低化工和能源板塊的化石能源消費(fèi)的比重,助力實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),符合我國(guó)綠色低碳的能源發(fā)展方向。
綠色航煤合成的技術(shù)路徑離不開氫,同時(shí)航煤的使用和制備在航天使用過(guò)程中逐漸形成了完備的體系。歐盟政策和法律鼓勵(lì)在民用航空領(lǐng)域使用可持續(xù)航空燃料,強(qiáng)制航空燃料供應(yīng)商從2050年開始,確保在供給燃料中含有最低比例的綠色航煤。從2030年開始,燃料還需包含最低比例的合成燃料,綠色航煤和合成燃料的比例將逐步提高,到2050年將達(dá)到70%和35%。但航煤屬于管制能源,出口需要獲得配額,生產(chǎn)需要獲得資質(zhì),雖然綠色航煤的全球市場(chǎng)隨著減碳需求逐步擴(kuò)大,但如何行之有效的生產(chǎn)出口仍然需要國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)花費(fèi)時(shí)間去探索。
2、氫氨醇與風(fēng)光的耦合,底層的邏輯是低碳化的能源互聯(lián)
氫氨醇一體化是將氫能、氨能和醇能耦合的能源技術(shù)方案,它是新能源在時(shí)空中耦合的新介質(zhì),是未來(lái)的重要長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能手段。氫能作為一種清潔能源,其開發(fā)和利用對(duì)于減少碳排放具有重要意義。通過(guò)電解水制氫,并與氨、醇結(jié)合,可以解決氫能大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)的難題,并拓寬氫能產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景。
光伏,風(fēng)電,天然氣,氫氨醇,電網(wǎng),儲(chǔ)能構(gòu)成了能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)與消納,在“雙碳”目標(biāo)下,不同的能源形式之間相互轉(zhuǎn)化,互聯(lián)互通,以低碳高效為目標(biāo)價(jià)值導(dǎo)向,實(shí)現(xiàn)更高程度的集成優(yōu)化是能源互聯(lián)的出路。比如,氨能利用分為傳統(tǒng)行業(yè)和新能源行業(yè)兩種。氨能在化肥、軍工、環(huán)保、制冷等傳統(tǒng)行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用,是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)化工產(chǎn)業(yè),同時(shí)在氫氨一體、氨燃料電池、氨內(nèi)燃機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)等新能源領(lǐng)域利用場(chǎng)景迅速發(fā)展。
盡管目前“風(fēng)光氫儲(chǔ)氨醇一體化”賽道熱度很高,但產(chǎn)業(yè)的普遍虧損、技術(shù)要求和能源系統(tǒng)的協(xié)同把控讓國(guó)內(nèi)的企業(yè)進(jìn)退兩難。首先一個(gè)典型的風(fēng)光氫儲(chǔ)氨醇一體化項(xiàng)目,投資規(guī)模巨大,項(xiàng)目前期資金要求較高,其次綠電的波動(dòng)性和時(shí)段性導(dǎo)致項(xiàng)目需要配置儲(chǔ)能裝置,柔性用電的技術(shù)尚需時(shí)間,低比例儲(chǔ)能難以解決電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題,再者需要合理配置電化學(xué)儲(chǔ)能和儲(chǔ)氫罐比例,一方面實(shí)現(xiàn)投資的最優(yōu)解,確保產(chǎn)業(yè)設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性,另一方面考驗(yàn)運(yùn)營(yíng)企業(yè)的優(yōu)化調(diào)度和系統(tǒng)集成能力,此時(shí)系統(tǒng)組織的前端輸入和整體化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。
中國(guó)立足于全球化視野,在世界上率先提出“構(gòu)建全球能源互聯(lián)”倡議,提出按照“先國(guó)內(nèi)、后洲內(nèi)、再洲際”的總體推進(jìn)原則,將全球能源互聯(lián)建設(shè)分為國(guó)內(nèi)互聯(lián)、洲內(nèi)互聯(lián)和洲際互聯(lián)三個(gè)階段,按照每個(gè)階段的發(fā)展重點(diǎn)和實(shí)際情況統(tǒng)籌推進(jìn)。第一階段,加強(qiáng)各國(guó)國(guó)內(nèi)能源互聯(lián)建設(shè),開發(fā)各國(guó)內(nèi)部的清潔能源。第二階段,實(shí)現(xiàn)洲內(nèi)的跨國(guó)能源互聯(lián)和清潔能源基地的開發(fā)。第三階段,建設(shè)“一極一道”清潔能源基地(北極的風(fēng)電基地和赤道的太陽(yáng)能基地)的開發(fā),基本形成全球能源互聯(lián)大構(gòu)想。
未來(lái)的能源互聯(lián),可能不僅僅是多樣化綠色能源的耦合利用,同時(shí)需要通過(guò)對(duì)各種清潔能源的開發(fā)利用,將各種能源相互關(guān)聯(lián),結(jié)合日新月異的數(shù)字化技術(shù),構(gòu)建一個(gè)立體化、智能化、高端化的能源互聯(lián)網(wǎng)。這樣的系統(tǒng)可以使每一種能源都實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的供需平衡,達(dá)到最大的能效水平。因此,構(gòu)建未來(lái)的“全球能源互聯(lián)+”基礎(chǔ)平臺(tái)和能源互聯(lián)網(wǎng),是能源可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的有效解決方案。