氢能和燃料电池技术路线图

ERR能研微讯 2019/05/19 00:29

国际能源署发布《氢能和燃料电池技术路线图》

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

国际能源署发布《氢能和燃料电池技术路线图》,在此ERR能研微讯研究团队对报告的主要发现和未来十年的关键行动进行了翻译,分享给大家,欢迎转发扩散! 本文获取方式:关注本订阅号,不分组转发朋友圈,朋友圈获得10个赞,保存 10 小时以上,截图给 ERR 能研君微信(扫上方二维码)获取地址。

主要发现

1

氢和燃料电池提供的整合机会

  • 氢是一种灵活的能量载体,可以由各种各样的区域主要一次能源产生。此外,它可以有效地转化为任何形式的能量,以满足各种终端用能需求。氢气特别适用于利用氢气发电的燃料电池。

  • 具有低碳足迹的氢有可能促进能源相关二氧化碳排放的显著减少,并有助于将全球温度上升控制在 2°C 以内,正如国际能源署能源技术展望( ETP )中描述的高氢发展 2°C 情景一样。此外,与直接化石燃料燃烧相比,氢气的使用可以降低局部空气污染物排放和噪音污染。通过在 2°C 情景下继续使用化石燃料资源满足终端用能需求,氢气与 CCS 结合可以提供保障能源安全的措施并帮助维持多样化的燃料组合。

  • 作为能量载体,氢能够以集中或分散的方式实现能源供需之间的平衡,有助于提高能源系统的整体灵活性。通过联结不同的能量传输和分配( T&D )网络,低碳能源可以满足对脱碳具有挑战性的终端用能领域,包括运输、工业和建筑。在几乎无法接入电网的偏远地区,这些联结可以扩大对离网地区提供能源服务,同时最大限度地减少排放。

图1 今天与未来的能源系统

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:氢能可以连接不同的能源形式和能源传输网络,因此能提高未来低碳能源系统运行的灵活性

2

运输、工业和建筑领域的能量储存和利用

  • 氢气非常适用于作为能量载体,因为它可以储存低碳能量。少量具有低碳足迹的氢气可以在有限的空间和重量要求下存储,以通过燃料电池电动车辆(FCEV)实现长距离低碳运输。大量氢气可以长期储存,有助于将大量间歇性可再生能源(VRE)整合到发电和供热的能源系统中。以氢为能量载体的系统可以充分利用间歇性可再生能源,例如实施电力-燃料、电力-电力或电力-燃气的转换,否则在供应超出需求时间歇性可再生能源会出现丢弃现象。

  • 燃料电池汽车可以替代当今传统汽车提供碳排放量极低的出行和运输服务。到2050年,在公路运输中部署25%的燃料电池汽车比例可以贡献高达10%的累计运输相关碳减排量,促使ETP 6°C情景(6DS)转变为2DS,具体减排程度取决于不同地区的情况。假设燃料电池汽车销售快速增长,在推出首批10000辆燃料电池汽车后,预计15~20年内将形成一个自我维持的市场。

  • 虽然氢和燃料电池在终端用能领域具有很大的发展空间和能源安全优势,但氢气发电、输配和零售基础设施的发展仍具有挑战性。例如,燃料电池汽车市场发展相关的风险一直是基础设施投资的重大障碍。对于从现在到2050年之间假定销售1.5亿辆燃料电池汽车中的每一辆,根据地区的不同,需要花费900~1900美元用于氢气基础设施的开发。

    1

图2 不同技术路线条件下排放水平VS行驶里程

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:燃料电池汽车与当前传统汽车相比,可在较低WTW碳排放水平下提供交通运输服务

图3 加氢站市场早期阶段的累计现金流曲线

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:“死亡谷”可能会持续10~15年,直到累计现金流转为正值

图4 欧洲当前不同氢能技术路线的碳足迹

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:根据生产、输配和零售的技术路线不同,氢能的碳足迹可在20~230 gCO2/MJ的范围内变化

未来十年的关 行动

氢和燃料电池提供的整合机会

  • 通过市场驱动、技术和燃料中性政策,鼓励所有能源部门应用提高燃料利用效率和减少温室气体排放的技术。稳定的政策和监管框架—包括碳定价、关税、燃料经济性标准,可再生能源标准或零排放车辆发展规划—对于提高投资者和企业家的市场确定性非常重要。

  • 通过有效的政策支持来降低成本,促进氢和燃料电池技术及其基础设施的投资和早期市场部署。国家和区域优先事项应明确其价值链和目标市场障碍。

  • 为了推动氢能在终端领域的安全可靠应用和计量,需要继续加强和协调相应的国际规范和标准。

  • 通过为燃料电池和电解槽等关键氢能技术研发和设计提供公共和私营资金,不断支持技术进步和创新。加强对交叉领域研究的关注,例如材料,这些领域可以在提升效果方面发挥变革作用。在可能的情况下,通过国际合作项目,以最大限度地提高资金使用效率。

  • 通过采用综合建模方法,加深对不同能源部门之间特定区域相互作用的理解,以量化能源系统整合的效益。

  • 在相关联的区域,加快推进旨在将从化石衍生的氢生产中捕获和储存二氧化碳推向成熟商业应用的活动。

运输、工业和建筑领域的能量储存和利用

  • 通过将数万辆汽车投入使用,推动制氢、氢气输配网络和加氢站(在全球适当区域建设至少500到1000个站点)等基础设施的建设和跨境项目,以证明燃料电池汽车的技术可行性和经济性。加强欧洲、日本、韩国和加利福尼亚的部署计划以及固定车队的使用。

  • 让来自于相关行业以及地区、国家和地方当局参与制定降低风险的战略,包括开发金融工具和创新业务模式,为燃料电池汽车市场引入降低氢能输配和零售基础设施开发风险。

  • 增加适用于集成间歇性可再生能源的氢基储能系统的规模,并实时收集和分析性能数据。

  • 建立监管框架,消除电力存储系统(包括电力—燃料和电力—燃气应用)的电网接入障碍。在相关联的区域,建立将氢气混入天然气网格的监管框架。

  • 在国家和区域层面增加资源可用性和制氢成本的数据。根据间歇性可再生能源集成、其他电力系统灵活性选项以及对剩余可再生电力的竞争性需求,分析未来可能用于制氢的弃风弃光电力供应潜力。

  • 解决在工业领域使用低碳氢能存在的潜在市场障碍(例如在炼油厂)。

  • 扩大宣传活动和培训计划,以提高对氢的认识。

图5 电储能应用和技术

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:氢能储电可以应用于大规模和长期储能

图6 以间歇性可再生能源(VRE)为一次能源的不同氢能应用技术路线对应的能量转换效率

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

图8 2009~2014年 Ene-Farm燃料电池微型联产设备累计销售量、补贴和价格估计

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:Ene-Farm燃料电池微型联产系统的价格自2009年以来降幅已经超过50%

表9 关键制氢技术现状

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

图9 不同电解技术的发展潜力示意图

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:虽然碱性电解槽已经很成熟并已商业化应用,质子交换膜和固体氧化物电解槽在降低初投资和提高效率方面有更大的发展潜力

图10 不同应用领域燃料电池发展规模

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:目前,超过80%的燃料电池应用在固定发电领域

图11 PEMFC和燃料电池汽车生产成本随年产量的变化情况

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:虽然目前应用于燃料电池汽车的PEMFC系统成本约为300~400美元/kW,但该成本由于规模效应会大幅降低

图12 ETP 2DS中不同领域能源相关的碳减排量

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:为了实现ETP 2DS的目标,所有相关领域都应有所贡献

图13 在2DS高氢方案下美国、欧盟四国、日本轻型乘用车市场份额(按技术类型区分)

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:在所有地区传统汽车的数量到2050年都会降至10%左右,但具体不同技术的份额构成在不同地区会有所区别

图16 典型的氢能输配和零售基础设施示意图

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:随着氢能技术的发展,不同的氢气生产、输配和零售技术路线将会得到应用。

图17 2DS高氢方案情景下美国、欧盟4国、日本的制氢情况

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

图18 2DS高氢方案下不包含输配体系的制氢成本

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

图19 2DS高氢方案下美国、欧洲四国、日本加氢站建设情况

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

图23 6DS和2DS情形下全球发电结构

知识图谱,氢能和燃料电池技术路线图

关键点:为了实现2DS目标,发电结构需要大幅调整—当前化石燃料发电占主要部分,未来可再生能源发电在2050年前需要增加63%