氫能供熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

曹 權(quán), 王洪建, 吳 榮, 張 揚(yáng), 王建國(guó), 福 鵬

(1.北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司,北京100032;2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系, 北京100084;3.北京北燃實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,北京100000)

1 概述

當(dāng)前我國(guó)城鎮(zhèn)供熱的能源主要為煤炭、天然氣等化石能源,熱電廠和鍋爐房是主要的熱源[1]。2019年,我國(guó)北方城鎮(zhèn)供熱碳排放達(dá)到5.5×108t,占全社會(huì)一次能耗排放的4.1%[2]。雙碳目標(biāo)的提出給供熱領(lǐng)域帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),也促進(jìn)了我國(guó)清潔供熱產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。截至2021年,北方地區(qū)清潔供熱面積達(dá)225×108m2,清潔供熱率達(dá)到了70%,基本實(shí)現(xiàn)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》的發(fā)展目標(biāo)[1]。目前的清潔供熱實(shí)現(xiàn)了煤炭與天然氣的清潔高效利用,但仍然排放了大量的二氧化碳,按照目前的發(fā)展趨勢(shì),難以在供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標(biāo),因此需要尋求一種零碳的清潔能源,來(lái)應(yīng)對(duì)供熱領(lǐng)域低碳化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。

氫能是一種清潔、零碳的二次能源,可大規(guī)模儲(chǔ)存和運(yùn)輸。氫能供熱已成為眾多國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要選擇。2022年3月,國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》,明確了氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分。2021年我國(guó)氫氣產(chǎn)量約3 300×104t,居全球第一[3]。預(yù)計(jì)到2030年,中國(guó)氫氣年需求量將達(dá)3 500×104t,預(yù)計(jì)到2050年,氫在我國(guó)終端能源體系中占比至少10%[4]。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè),到2050年,氫能供熱將在目前使用天然氣供熱的地區(qū)開(kāi)展規(guī)?；瘧?yīng)用,在全球建筑供暖領(lǐng)域中,氫氣需求量將達(dá)到4 000×104t[5]。氫能可以多種方式應(yīng)用于供熱領(lǐng)域。2022年10月,北京市人民政府印發(fā)的《北京市碳達(dá)峰實(shí)施方案》指出,禁止新建和擴(kuò)建燃?xì)猹?dú)立供暖系統(tǒng),全面布局新能源和可再生能源供熱。2022年10月,北京市海淀區(qū)公布的“2023年可再生能源供熱領(lǐng)域市政府固定資產(chǎn)投資資金需求項(xiàng)目”中,包含氫能供熱項(xiàng)目。本文介紹氫能供熱技術(shù)原理與分類,總結(jié)國(guó)內(nèi)外氫能供熱的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)比各類氫能供熱方式的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),梳理氫能供熱技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)任務(wù)與發(fā)展建議,研究結(jié)果可為相關(guān)熱力、燃?xì)?、電力、能源等企業(yè)發(fā)展氫能供熱提供技術(shù)參考。

2 氫能供熱技術(shù)原理與分類

氫能供熱是指熱源直接或間接利用氫氣,將其轉(zhuǎn)化為符合供熱系統(tǒng)參數(shù)要求含能形態(tài)的技術(shù)?？芍苯訉錃庾鳛槿剂线M(jìn)行摻混利用或單獨(dú)利用,也可將氫氣與氮?dú)夂铣砂睔?、與二氧化碳合成甲醇或甲烷進(jìn)行利用。

氫能供熱系統(tǒng)的熱源按照系統(tǒng)形式分類,可分為熱電廠(摻氫/純氫燃?xì)廨啓C(jī))、鍋爐房(燃煤摻氨鍋爐、燃?xì)鈸綒溴仩t)等集中供熱方式,以及家用氫燃料電池(固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池)熱電聯(lián)供、家用純氫鍋爐(或純氫鍋爐與空氣源熱泵相結(jié)合)、摻氫燃?xì)夤┡療崴疇t、摻氫燃?xì)鉄崴鞯确植际焦岱绞健?/p>

3 國(guó)內(nèi)外氫能供熱發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)展氫能和燃料電池已成為許多國(guó)家的戰(zhàn)略選擇,截至2021年底,日本、韓國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等超過(guò)20個(gè)國(guó)家和地區(qū)都已制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略[6],并對(duì)氫能供熱進(jìn)行了探索和實(shí)踐。美國(guó)、歐盟和日本等國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)企業(yè)已經(jīng)在摻氫燃?xì)?、摻氨燃煤、純氫鍋爐供熱以及氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供等方面開(kāi)展了一系列的實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 美國(guó)

美國(guó)積極推動(dòng)氫能供熱技術(shù)的研究與示范。2022年9月,美國(guó)能源部發(fā)布了《能源部國(guó)家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》草案,以確保開(kāi)發(fā)和采用清潔氫氣作為有效的脫碳工具。目前,美國(guó)政府對(duì)天然氣摻氫和氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供項(xiàng)目提供了大量資金支持,以促進(jìn)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。2020年11月,美國(guó)開(kāi)展了HyBlend項(xiàng)目,該項(xiàng)目將石油加工制得的氫氣注入天然氣管道中,與天然氣摻混形成摻氫天然氣,用于滿足終端用戶的供暖和發(fā)電需求,最高摻氫比(指氫氣體積分?jǐn)?shù))為30%。喬治亞州電力公司實(shí)現(xiàn)了摻氫比為20%的燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果顯示,與天然氣相比,碳排放減少了約7%。2022年5月,卡特彼勒公司宣布了將在明尼蘇達(dá)州啟動(dòng)氫燃料的熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)示范項(xiàng)目,該項(xiàng)目由美國(guó)能源部和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室提供支持和部分資金,氫燃料電池產(chǎn)生的電力和熱量將供應(yīng)明尼蘇達(dá)州圣保羅市中心及鄰近地區(qū)的建筑和獨(dú)棟住宅。

3.2 歐洲

歐洲在氫能供熱方面已開(kāi)展一系列項(xiàng)目示范,其中家用純氫鍋爐已在荷蘭、英國(guó)等地開(kāi)展應(yīng)用示范,燃料電池?zé)犭娐?lián)供已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。2021年11月,歐盟委員會(huì)醞釀出臺(tái)新的居民供暖鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),擬全面推行“至少混合20%”氫氣的供熱鍋爐,甚至計(jì)劃“在2030年全面禁止化石燃料供熱鍋爐設(shè)備”[7]。英國(guó)是歐洲國(guó)家中最早開(kāi)始實(shí)施氫能供熱的國(guó)家,2019年,英國(guó)開(kāi)展了H21氫供暖項(xiàng)目,該項(xiàng)目擬將天然氣重整所制得的氫氣以體積分?jǐn)?shù)20%的比例摻入天然氣供暖管網(wǎng),供應(yīng)利茲市的終端供暖用戶[7]。從2026年開(kāi)始,英國(guó)將正式啟用氫能供暖。英國(guó)利茲市計(jì)劃從2028年開(kāi)始,對(duì)居民供暖管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行氫配套改造,替代居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求[7]。荷蘭BDR Therme公司已在洛赫姆12個(gè)家庭住宅中啟動(dòng)純氫鍋爐供熱測(cè)試,此外,該公司還開(kāi)發(fā)了純氫鍋爐與空氣源熱泵相結(jié)合的混合供暖系統(tǒng)。

在燃料電池?zé)犭娐?lián)供方面,歐洲通過(guò)callux、ene.field、PACE、KFW433等項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱FC-CHP)產(chǎn)品的示范試驗(yàn)和市場(chǎng)化初步探索,進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段,目前多款產(chǎn)品面向市場(chǎng)銷售。截至2021年,歐洲已經(jīng)部署逾3×104套FC-CHP,并計(jì)劃2040年前部署250×104套[8]。歐洲主要的氫能供熱項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 歐洲主要的氫能供熱項(xiàng)目

3.3 日本

日本海嘯地震多發(fā),能源資源短缺,日本政府主要將氫氣作為發(fā)電燃料應(yīng)用。作為全球小型熱電聯(lián)供的最大市場(chǎng),日本通過(guò)ENE-FARM項(xiàng)目,在燃料電池?zé)犭娐?lián)供領(lǐng)域走在了世界的前列,實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化推廣應(yīng)用。ENE-FARM項(xiàng)目由燃?xì)夤局鲗?dǎo)銷售,電器和關(guān)鍵技術(shù)公司負(fù)責(zé)產(chǎn)品的研發(fā)集成,采用固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)雙技術(shù)路線。ENE-FARM項(xiàng)目2005年開(kāi)始實(shí)施,2009年開(kāi)始商業(yè)化,在2005—2016年,主流裝機(jī)是PEMFC,自2017年開(kāi)始,新增燃料電池幾乎全部為SOFC。截至2021年,日本燃料電池家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)已售出逾42.4×104臺(tái),計(jì)劃在2030年達(dá)到530×104臺(tái),相當(dāng)于日本家庭總數(shù)的10%[14]。日本斗山恒能公司正在與韓國(guó)機(jī)械研究院共同執(zhí)行國(guó)策課題“用于300 MW級(jí)氫燃?xì)廨啓C(jī)的50%氫混燒環(huán)保燃燒器的開(kāi)發(fā)”,于2022年8月進(jìn)行氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器摻氫比30%氫混燒試驗(yàn)獲得成功,之后將進(jìn)行摻氫比50%氫混燒試驗(yàn)。日本的電力公司JERA計(jì)劃在2030年前關(guān)閉所有的燃煤發(fā)電廠,并在2040年前將氨燃燒技術(shù)引入到燃煤發(fā)電廠中。JERA和IHI公司還將聯(lián)合研發(fā)適用于1 000 MW級(jí)燃煤電廠的20%氨混燃技術(shù)。其中,JERA公司主要負(fù)責(zé)采購(gòu)氨和相關(guān)建造,IHI公司則主要負(fù)責(zé)改進(jìn)燃燒器。

3.4 中國(guó)

我國(guó)的氫能供熱產(chǎn)業(yè)尚處于初步探索階段,已經(jīng)開(kāi)展了一系列課題研究與示范驗(yàn)證。在摻氫燃?xì)忮仩t、摻氨燃煤鍋爐、摻氫燃?xì)廨啓C(jī)等集中供熱領(lǐng)域已完成了多項(xiàng)示范項(xiàng)目建設(shè)。國(guó)內(nèi)具有代表性的氫能集中供熱示范項(xiàng)目見(jiàn)表2。表2中第5個(gè)項(xiàng)目摻混比指氨的熱量占氨、煤總熱量的比例(簡(jiǎn)稱熱量比),其余均為氫氣體積分?jǐn)?shù)。

表2 國(guó)內(nèi)具有代表性的氫能集中供熱示范項(xiàng)目

在政策的推動(dòng)下,我國(guó)以燃料電池?zé)犭娐?lián)供為代表的分布式氫能供熱示范項(xiàng)目已有序展開(kāi),在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展了多處熱電聯(lián)供示范項(xiàng)目。山東“氫進(jìn)萬(wàn)家”科技示范工程,旨在打造“4個(gè)氫能園區(qū)、5個(gè)氫能社區(qū)”。項(xiàng)目覆蓋濟(jì)南、淄博、濰坊、青島,已落地1.2×104套燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)。目前4個(gè)氫能園區(qū)的選址和方案設(shè)計(jì)已完成,正在選址氫能社區(qū),將采用純氫、天然氣摻氫等方式,利用社區(qū)樓宇用熱電聯(lián)供系統(tǒng)為家庭生活供電供熱[15]。2021年11月,全國(guó)首座氫能進(jìn)萬(wàn)家智慧能源示范社區(qū)項(xiàng)目在佛山市投運(yùn),已安裝4臺(tái)440 kW商用燃料電池?zé)犭娐?lián)供設(shè)備,將繼續(xù)安裝家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供設(shè)備394套,以推動(dòng)佛山市氫進(jìn)萬(wàn)家[16]。

由于氫氣體積熱值約為天然氣的1/3,導(dǎo)致天然氣摻混氫氣后,終端燃具的燃燒工況發(fā)生改變,進(jìn)而影響燃具的燃燒性能。根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴?以我國(guó)目前使用的12T基準(zhǔn)氣為衡量標(biāo)準(zhǔn),按甲烷摻混氫氣計(jì)算,摻氫比小于29.1%時(shí)滿足12T基準(zhǔn)氣的互換要求。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已對(duì)終端利用可接受的摻氫比開(kāi)展了一系列的理論與實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明在不進(jìn)行改造的情況下,燃?xì)鉄崴髋c燃?xì)夤┡療崴疇t可接受的摻氫比為20%[17-21]。

4 氫能供熱技術(shù)分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外氫能供熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,按照不同的供熱形式與熱源類型,對(duì)氫能供熱技術(shù)進(jìn)行分類,對(duì)比分析了應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)成熟度等,見(jiàn)表3,其中,第3種供熱技術(shù)摻混比指熱量比,其余均為氫氣體積分?jǐn)?shù)。氫能集中供熱可以大幅降低供熱碳排放量,實(shí)現(xiàn)電能、氫能、熱能等多能耦合,還可以降低NOx等污染物的排放。氫能分布式供暖的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低溫可快速啟動(dòng)、熱輻射低、環(huán)境友好、噪聲小、適應(yīng)不同熱功率要求、減少污染物與碳排放等優(yōu)勢(shì),家用純氫鍋爐、摻氫燃?xì)夤┡療崴疇t和摻氫燃?xì)鉄崴饔谢鹧娣€(wěn)定、熱效率高,擴(kuò)展天然氣的穩(wěn)定熄燃極限,減少污染物與碳排放等優(yōu)勢(shì)。

表3 氫能供熱技術(shù)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

① 國(guó)內(nèi)外已積極開(kāi)展多項(xiàng)氫能集中供熱的示范項(xiàng)目。燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)等分布式氫能供熱系統(tǒng)在美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,但我國(guó)還并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

② 氫能供熱可以大幅降低供熱行業(yè)的碳排放量和NOx等污染物的排放量,實(shí)現(xiàn)電能、氫能、熱能的多能耦合。

③ 發(fā)展氫能供熱符合我國(guó)能源系統(tǒng)深度脫碳的要求,可以有效提高我國(guó)供熱領(lǐng)域的能效,有利于保障國(guó)家的能源安全。

5.2 對(duì)我國(guó)發(fā)展氫能供熱產(chǎn)業(yè)的建議

① 制定氫能供熱專項(xiàng)規(guī)劃?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》明確了氫能的戰(zhàn)略地位,提出開(kāi)展摻氫天然氣管道試點(diǎn)示范,因地制宜布局氫燃料電池分布式熱電聯(lián)供設(shè)施。這在頂層設(shè)計(jì)上指明了氫能供熱的方向,但尚缺乏氫能供熱的專項(xiàng)規(guī)劃。氫能供熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展事關(guān)我國(guó)供熱領(lǐng)域雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),應(yīng)制定符合我國(guó)國(guó)情的氫能供熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑與實(shí)施方案,推動(dòng)氫能供熱領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)與技術(shù)攻關(guān),重點(diǎn)規(guī)劃氫能供熱的應(yīng)用場(chǎng)景,建立氫能供熱的補(bǔ)貼政策,打通覆蓋制氫-儲(chǔ)運(yùn)-利用-運(yùn)營(yíng)的氫能供熱全產(chǎn)業(yè)。

② 構(gòu)建符合我國(guó)國(guó)情的氫能供熱安全監(jiān)管、技術(shù)與運(yùn)營(yíng)管理標(biāo)準(zhǔn)體系。國(guó)內(nèi)氫能供熱的標(biāo)準(zhǔn)基本處于空白狀態(tài),應(yīng)當(dāng)協(xié)同行業(yè)優(yōu)勢(shì)力量建立和完善全方位、系統(tǒng)化的氫能供熱標(biāo)準(zhǔn)體系,理清標(biāo)準(zhǔn)化工作的重點(diǎn)。應(yīng)以需求為導(dǎo)向,加快制定氫能供熱的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系,包括氫燃料鍋爐、燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)等供熱系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)等,保障氫能供熱產(chǎn)業(yè)健康安全有序發(fā)展。

③ 加強(qiáng)氫能供熱安全檢測(cè)能力和保障技術(shù)。氫氣相對(duì)分子質(zhì)量小,無(wú)色無(wú)味,一旦發(fā)生泄漏,逸散速度極快且不易被察覺(jué)。應(yīng)對(duì)氫能供熱應(yīng)用場(chǎng)景下氫氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)、火災(zāi)危險(xiǎn)、燃爆危險(xiǎn)、安全防控手段開(kāi)展研究,建立氫能供熱產(chǎn)業(yè)的安全監(jiān)管體系。

④ 加大對(duì)氫能供熱的補(bǔ)貼政策及金融支持。目前我國(guó)氫能來(lái)源主要以煤制氫為主,利用可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解水制氫可得到清潔的綠氫,但是成本較高,因此利用綠氫進(jìn)行氫能供熱目前不具有經(jīng)濟(jì)可行性。綠氫價(jià)格與燃料電池制造成本下降是未來(lái)氫能供熱規(guī)模化發(fā)展的必然要求,因此需要加大氫能供熱產(chǎn)業(yè)鏈的補(bǔ)貼政策與金融支持,為氫能供熱的市場(chǎng)拓展空間。