從可再生能源利用和工業(yè)副產(chǎn)氫資源情況看我國氫能供給潛力

0 引言

應(yīng)對氣候變化，脫碳經(jīng)濟勢在必行。在全球減排背景下，氫能發(fā)展成為熱潮。氫經(jīng)濟被認為是21世紀世界經(jīng)濟新的增長極，對加快推進我國能源生產(chǎn)和消費革命，加速新時代能源轉(zhuǎn)型發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義

。氫能作為二次能源是全球能源系統(tǒng)脫碳的關(guān)鍵支柱，是實現(xiàn)碳中和的最佳能源載體

。

本試驗在設(shè)計時，就以5%大豆卵磷脂濃度組為中間點，因為這與卵黃中卵磷脂的含量相當(dāng)，結(jié)果也證明了5%大豆卵磷脂組的保存效果，但試驗結(jié)果卻為1. 25%大豆卵磷脂濃度組更好，其原因可能是：大豆卵磷脂的濃度的高低會影響精子的活力和復(fù)蘇率，在較高濃度的溶液中對精子運動產(chǎn)生阻力較大，造成大量能量消耗，從而精子的存活率、活力等都大大降低。也可能是因為卵磷脂生產(chǎn)廠家、純度等不同以及不同品種之間具有一定差異造成。所以推測是否在1. 25%濃度下還有更優(yōu)的濃度組，需進一步試驗驗證。

近年來，為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標，我國新一代能源系統(tǒng)正處于向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期?？稍偕茉窗l(fā)展實現(xiàn)歷史性突破。2020年底，我國風(fēng)電、光伏累計裝機分別達到2．8億、2．5億kW

。風(fēng)電、光伏等新能源的固有波動性和隨機性給我國電力系統(tǒng)運行帶來前所未有的安全隱患問題。大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)將對電力系統(tǒng)的靈活性提出更高的要求。此外，因為用能需求與資源稟賦存在不匹配現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)電、水電等難以即時、就地消納，造成大量棄風(fēng)棄光。氫能作為一種零碳排、可存儲、可與電雙向轉(zhuǎn)化的靈活性資源載體，能夠?qū)崿F(xiàn)新一代能源互聯(lián)網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲”的協(xié)調(diào)互動和高度融合。且氫的儲能屬性使其具備跨長時空靈活應(yīng)用的潛力，能與可再生能源有效銜接，助力可再生能源消納與更大規(guī)模發(fā)展，有效提高能源系統(tǒng)靈活性。

為了更好地挖掘氫能在區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用潛力，必須了解各區(qū)域的氫能資源狀況。目前，氫的制備方法已比較成熟，主要分為工業(yè)副產(chǎn)提純制氫、電解水制氫、化石燃料制氫等，各技術(shù)路線的供應(yīng)成本、環(huán)保效益、產(chǎn)品純度不盡相同。本文通過統(tǒng)計并分析我國各省市可再生資源的分布情況，以及工業(yè)副產(chǎn)氫資源現(xiàn)狀，預(yù)測國內(nèi)氫能資源的開發(fā)潛力。

1 中國可再生能源資源稟賦及利用情況

1.1 風(fēng)電資源

2020年，風(fēng)電新增裝機7 167萬kW，平均利用小時數(shù)達2 097 h，風(fēng)電平均利用小時數(shù)較高的地區(qū)是福建、云南、廣西和四川。至2020年底，全國風(fēng)電累計裝機2．81億kW，各地區(qū)累計風(fēng)電裝機量如圖1所示

。至2020年底，全國棄風(fēng)量約166億kWh，全國平均棄風(fēng)率達3%。全國各地區(qū)棄風(fēng)量如圖2所示，其中棄風(fēng)率超過5%的地區(qū)分別有新疆（棄風(fēng)率10．3%、棄風(fēng)電量49．7億kWh），內(nèi)蒙古（棄風(fēng)率9．3%、棄風(fēng)電量39．6億kWh），甘肅（棄風(fēng)率6．4%、棄風(fēng)電量16．8億kWh），湖南（棄風(fēng)率5．5%、棄風(fēng)電量5．8億kWh）。上述4個省份棄風(fēng)電量共計111．9億kWh，約占全國棄風(fēng)電量的70%

。

1.2 光伏資源

公開數(shù)據(jù)顯示，中國2017年的焦炭產(chǎn)能超6億t，產(chǎn)量在4億t以上。2018至2020年，中國每年仍有4 000萬t以上的焦炭新增產(chǎn)能持續(xù)釋放。與此同時，“十三五”期間，焦化行業(yè)落后產(chǎn)能大量淘汰。從區(qū)域上來說，中國焦炭產(chǎn)能與粗鋼產(chǎn)能基本匹配，具體分布情況如圖7，華北地區(qū)和華東地區(qū)是兩大焦炭生產(chǎn)區(qū)，其中華北地區(qū)焦炭產(chǎn)能占全國38%，華東地區(qū)產(chǎn)能占比21%。

“我們的策略就是熬，有風(fēng)險的產(chǎn)品不敢碰，高投入的行業(yè)都不做?！睆埲A說，公司處于半停半開的狀態(tài)，有了流動資金才敢考慮開工投入下一批項目。

1.3 水電資源

氯堿工業(yè)中，每生產(chǎn)1 t燒堿約副產(chǎn)氫氣量280 m

，而目前大多數(shù)氯堿企業(yè)都忽略了副產(chǎn)氫的利用價值。若將氯堿企業(yè)高達30%的副產(chǎn)氫氣放空率加以利用，那么此類副產(chǎn)氫也可以成為我國氫能產(chǎn)業(yè)的一個重要來源。但相對PDH、乙烷裂解項目來說，氯堿化工單個企業(yè)可利用放空副產(chǎn)氫量較小，且產(chǎn)能更加分散。2017年，中國燒堿產(chǎn)量排名前十的上市公司燒堿總產(chǎn)量僅有500萬t左右（如表1所示)，占全國總產(chǎn)量的15%，企業(yè)內(nèi)部利用規(guī)模均不超過1萬t/a。因此，氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫更符合就近原則，降低運輸成本。

地方政府在構(gòu)建和維護良好的市場環(huán)境秩序中發(fā)揮著不可替代作用。也就是說，地方政府這只“看得見的手”，與市場機制“看不見的手”一起協(xié)同發(fā)揮不同的重要作用。但當(dāng)前我國對中小微企業(yè)合法權(quán)益的保護，特別是知識產(chǎn)權(quán)保護仍存在漏洞；有些地方政府下屬主管部門對小微企業(yè)擔(dān)保抵押條件辦理手續(xù)，如對企業(yè)動產(chǎn)、不動產(chǎn)權(quán)屬證明的辦理拖拉滯后；缺乏專門針對提高小微企業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)的培訓(xùn)等，這些都給小微企業(yè)發(fā)展帶來極大的負面影響。

綜上所述，截至2020年底我國可再生能源裝機情況和棄風(fēng)棄光情況如圖6所示。由此可以得出，我國水電資源主要集中在華東、華南以及西南東部地區(qū)；風(fēng)電和光伏資源西北和華北地區(qū)較為豐富，且消納不足，有大量富余可再生能源浪費。而華東地區(qū)部分省市雖然風(fēng)電和光伏裝機容量較大，但由于用戶負荷較高，均能夠完全消納。若利用棄風(fēng)棄光以及富余水電制氫，使無法并網(wǎng)的可再生能源就地消納，在當(dāng)電力質(zhì)量較差或者電力不足時，通過氫儲能反向向電網(wǎng)送電，快速調(diào)節(jié)功率，不僅可以降低高比例可再生能源并網(wǎng)的不穩(wěn)定性，還可以充分利用棄風(fēng)棄光，提高可再生能源發(fā)電的利用小時數(shù)。此外，通過氫轉(zhuǎn)運跨區(qū)域調(diào)度使用，將多余綠電向負荷集中地區(qū)輸送，提高光伏、風(fēng)電經(jīng)濟效益，有效利用可再生能源，降低碳排放。

2 中國工業(yè)副產(chǎn)氫資源現(xiàn)狀及預(yù)測

2.1 焦爐煤氣副產(chǎn)氫

至2020年，全國光伏發(fā)電累計裝機容量約為2．53億kW，累計發(fā)電量達2 245．11億kWh，比2019年增長了15．13%，各地區(qū)累計光伏裝機量如圖3所示

。光伏利用小時數(shù)達1 160 h，比2019年的1 169 h低0．8%。全國棄光電量為46．99億kWh，棄光率為2%。從地區(qū)劃分上看，西北和西南地區(qū)的光伏消納出現(xiàn)問題較為嚴重，棄光電量為31．65億kWh，占全國的67%以上。全國各地棄光量分布如圖4所示，其中，西藏棄光率達25．4%、棄光電量4．8億kWh；青海棄光率8．0%、棄光電量14．4億kWh；新疆棄光率4．6%、棄光電量7．2億kWh；內(nèi)蒙古棄光率4．0%、棄光電量5．3億kWh。除山西、陜西、河北、吉林以及山東棄光率在1%以上，其余省份均無明顯棄光現(xiàn)象。

截至2020年12月，全國各地有關(guān)丙烷脫氫項目落地信息層出不窮，預(yù)示著未來我國丙烯產(chǎn)能將迅速增長。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，未來將有30多個丙烷脫氫項目投建，丙烯總產(chǎn)能超過3 000萬t/a，副產(chǎn)氫約120萬t/a。

2.2 氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫

創(chuàng)新意味著突破傳統(tǒng)，走不同尋常的道路，與創(chuàng)新相伴左右的便是風(fēng)險，風(fēng)險管理是考量一個新創(chuàng)企業(yè)面對市場環(huán)境的動蕩所體現(xiàn)出來的能力，風(fēng)險管理即營銷職能尋求降低企業(yè)對外部環(huán)境的脆弱性和依賴性，通過協(xié)同營銷方案提高企業(yè)的靈活性?！叭凰墒蟆币呀?jīng)走過了6個年頭，取得了巨大的成就，成為中國互聯(lián)網(wǎng)休閑食品的第一品牌，但在其成長過程中面臨著眾多風(fēng)險與挑戰(zhàn)，如食品質(zhì)量問題、來自于同行的模仿、資金鏈運轉(zhuǎn)等，其中章燎原認為“三只松鼠”最大的風(fēng)險是食品安全。為了將風(fēng)險控制到最低程度，“三只松鼠”利用互聯(lián)網(wǎng)信息化、數(shù)據(jù)綜合處理等手段，制定未來發(fā)展的四大戰(zhàn)略：大健康、大娛樂、大品類、大消費，這構(gòu)成了松鼠未來新消費主義。

我國水電站裝機容量約為3．7億kW，主要分布在西北、西南地區(qū)，地區(qū)差異大。其中，四川、云南、湖北是我國水電資源最為豐富的省份，從水電裝機容量布局看，這3個省份裝機容量分別為7 892萬kW、7 556萬kW、3 757萬kW，以大型常規(guī)水電站為主，領(lǐng)先于其他省份。截至2020年12月，全國水電裝機分布占比如圖5所示。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2020年全年水力發(fā)電量達13 000億kWh以上，同比增長3．9%，目前中國水力發(fā)電量占總發(fā)電量的17．4%。全國主要流域棄水電量約301億kWh，水能利用率約96．61%

。

2.3 丙烷脫氫

目前，基于環(huán)保與碳排放要求，大部分焦爐煤氣已經(jīng)有下游利用方式，除一半用于回爐助燃，另外一半副產(chǎn)品常被用于制合成氨或制甲醇等物質(zhì)。雖已有眾多下游利用路徑，但焦爐煤氣凈化技術(shù)與PSA分離技術(shù)的成熟，使焦爐煤氣制氫成本可以低于1元/Nm

，這有利于焦爐煤氣副產(chǎn)氫資源有繼續(xù)挖掘的潛力。從圖7餅狀圖分析得知，華東、華北兩地焦爐煤氣生產(chǎn)裝置多，產(chǎn)能也較大，有利于就近供應(yīng)南部沿海負荷需求大的城市。目前只需投入較低的成本就能對現(xiàn)有的焦爐煤氣制化學(xué)品裝置進行改造，從而建成一套氫氣分離、提純和壓縮環(huán)節(jié)，這樣不僅能生產(chǎn)出滿足氫燃料電池需求的高質(zhì)量氫氣，還能實現(xiàn)下游產(chǎn)品的多元化，以對沖合成氨、甲醇等化學(xué)品價格波動的市場風(fēng)險?！吨袊鴼淠芘c燃料電池汽車年度報告2018》指出2013-2017年中國焦炭產(chǎn)量與副產(chǎn)氫氣潛力如圖8。

調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，直至2017年底，中國燒堿總產(chǎn)能達4 100萬t以上，比2016年底凈增加了150萬t以上，燒堿產(chǎn)量約達3 400萬t。從各省份發(fā)展來看，中國燒堿產(chǎn)量排名前五的分別是山東、江蘇、內(nèi)蒙古、新疆與河南5省份，總產(chǎn)量達到2 000萬t以上，約占全國產(chǎn)量的60%（如圖9所示)。氯堿廠以NaCl溶液為原料，經(jīng)過PSA提氫裝置處理去除雜質(zhì)后，可獲得純度高達99%以上的氫氣，其生產(chǎn)成本約1．3元/m

。

該方法既能鞏固“測量基礎(chǔ)”課程中地形圖測繪的理論知識、減少了一些繁瑣的計算又能和后續(xù)的數(shù)字測圖更好的銜接，同時又能激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生實訓(xùn)的積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

根據(jù)丙烷脫氫項目的發(fā)展現(xiàn)況看，通過丙烷脫氫副產(chǎn)氣產(chǎn)生的氫量在未來5年將有大幅提升，預(yù)估產(chǎn)能如圖10。從氫能發(fā)展角度看，工業(yè)副產(chǎn)氫應(yīng)結(jié)合地域資源稟賦，分階段發(fā)展，與多種其它氫源相協(xié)調(diào)。發(fā)展初期，氫資源多用于示范項目或燃料電池汽車，需求量較小，對生產(chǎn)、生活的影響不大，著眼于氫源經(jīng)濟便利性。到中后期不僅要考慮大量工業(yè)需求，更應(yīng)當(dāng)注重能源轉(zhuǎn)型和綠色可持續(xù)發(fā)展問題，結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源，統(tǒng)籌規(guī)劃工業(yè)副產(chǎn)氫的應(yīng)用方式，與其它氫源一起實現(xiàn)多元供應(yīng)。

3 中國各區(qū)域氫能潛力預(yù)測

綜合以上可再生能源及工業(yè)副產(chǎn)氫狀況分析，本文通過計算、預(yù)測并繪制出2025年中國氫資源潛力系列圖（圖11至圖14）。由全國各省份能源量數(shù)據(jù)可知，不同區(qū)域的資源稟賦差異較大，單一氫源無法滿足氫能行業(yè)發(fā)展，未來氫源應(yīng)因地制宜、多元發(fā)展。

目前，利用富余水電進行電解水制氫是現(xiàn)階段產(chǎn)生大量高純度氫氣的推薦途徑。從地域劃分上看，沿海地區(qū)臨近港口，可以用氯堿、煉化、石化等副產(chǎn)氫，隨著海上風(fēng)電項目的增多，風(fēng)電制氫在沿海地區(qū)也是可發(fā)展的新方向。華北、東北地區(qū)工業(yè)發(fā)達，可用工業(yè)尾氣副產(chǎn)氫，但這其中的部分氫源僅可用于工業(yè)領(lǐng)域，達不到氫燃料電池可用標準。西南地區(qū)、華中和華南部分地區(qū)可利用豐富的棄水電量電解水制氫。“三北”地區(qū)可利用棄風(fēng)棄光電量電解水制氫。隨著可再生能源裝機比例的不斷攀升，可再生能源制氫的優(yōu)勢將更加凸顯。

從產(chǎn)氫總量上看，西南地區(qū)由于人口密度小，負荷需求量低，卻擁有豐富的水資源（四川、云南、貴州），因此本文認為其是最適合大量產(chǎn)氫的地區(qū)。東北地區(qū)由于可再生能源裝機量相對較小，但用能需求大，幾乎沒有可支配的富余能源，因此不適合產(chǎn)氫儲氫。

4 總結(jié)

本文通過對中國國內(nèi)各地區(qū)可再生能源開發(fā)利用現(xiàn)狀及工業(yè)副產(chǎn)氫資源情況的分析，預(yù)測2025年國內(nèi)各地區(qū)氫能資源的開發(fā)潛力。得到以下結(jié)果：西南地區(qū)、華中和華南部分地區(qū)可再生能源富余，負荷密度相對較低，可利用豐富的棄水電量電解水制氫；“三北”地區(qū)可利用棄風(fēng)棄光電量電解水制氫產(chǎn)氫?？稍偕茉粗茪涫侨芷诶碚撎寂欧泡^低的制取方式，也是促進該地區(qū)可再生能源消納且具備經(jīng)濟性優(yōu)勢的適宜選擇。

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