一次能源与二次能源循环实现能源清洁利用

发布日期:2021-03-18· 能源高质量发展 苑舜

而可再生能源制氢利用的载体是氢能。积极发展可再生能源制氢。可再生能源制氢将使氢能从制备到使用实现完全清洁零碳。

“十三五”以来,国家能源局坚持贯彻“四个革命、一个合作”能源安全新战略,在推动能源供给革命、消费革命等方面取得显著成绩。

据统计初步核算数据显示,我国2020年能源消费总量约为49.7亿吨标准煤,煤炭消费所占比重已降至56.7%,同比下降1.0个百分点,清洁能源消费占比已升至24.5%,同比上升1.1个百分点;我国非化石能源发电装机占总装机比已达到44.8%,煤电占比首次降至50%下,同时,天然气作为一种低碳能源,在我国一次能源消费中的占比不断提升,2020年我国生产天然气1888.5亿立方米,已连续四年增产超过100亿立方米。

为进一步推进生态文明建设,实现我国能源清洁利用,可以通过电力网和燃气网的双网融合发展,形成一次能源和二次能源循环发展格局,优化发电行业内部机制,升级为电力工业与燃气工业的双网循环优化,更重要的是,将探索出一条二次能源与一次能源的转换途径。

一次能源开发利用和发展

从取火到机械能、水能、煤、油、天然气、核能、光能、风能、潮汐能、可燃冰和氢能等,人类对于能源的利用虽然经历了不同阶段和类型,但每种能源的使用时间都并不漫长,尤其是化石能源的开发利用所耗时间,与其形成过程相比微不足道。

按照能源类型分类,人类对一次能源的利用大致经历了四个发展阶段:第一个阶段是相对漫长的薪柴时代;第二个阶段是煤炭时代,第一次工业革命特别是蒸汽机的发明和使用,促进了煤炭的大量使用,使之成功替代薪柴,大大促进了世界工业化进程;第三个阶段是石油时代,随着内燃机的发明和使用,动力机械中石油迅速取代煤炭,成为第三代主体能源,煤炭转为电力、制造和热力能源主体;第四个阶段是目前正在发生的向多能利用转型过渡的阶段,为了保障能源供应安全,降低环境污染,减缓气候变暖,世界各国能源结构不断优化,向低碳化发展的进程持续推进,天然气和以新能源为代表的各类非化石能源成为能源发展的主要方向。

《BP世界能源展望》(2020年版)显示,在现有的政策及技术发展趋势不变的情景下,到2050年以风、光为主的非水可再生能源在一次能源中的占比将达到20%,天然气需求将在未来30年持续增长,到2050年比2018年增加三分之一(见图1)。

图1 2050年一次能源消费预测

二次能源的产生和发展

在能源的使用过程中,一次能源往往不能直接利用,需通过加工或转换,得到其他形式的能源,即二次能源,包括焦炭、汽柴油、蒸汽、热水、电能等类型。在各类二次能源中,电能是使用最广泛、最清洁的二次能源,并且,随着技术的进步,几乎所有一次能源都可以转换为电能。

从爱迪生发明电灯起,尤其是自交流电出现后,电力使用进入快速发展阶段,很快从单一的点对点发用电,形成垂直一体化的发输配用电力网络,实现了能源的大范围、远距离输送。值得注意的是,在这期间,由于早期使用了大量化石能源,特别是煤,造成了大气污染现象,产生的二氧化碳也成为导致气候变暖的主要原因之一,对人类经济发展和生态环境带来了巨大压力与挑战。这也促使世界各国开始思考对现有的一次能源结构进行优化。

尽管各类一次能源看似独立,但它们之间可以通过一个共性因子——二次能源中的电能相互关联,形成闭环的能源系统。通过合理配置各种来源电能的比例,可使能源系统更加均衡、运转更加稳定,生命周期延长。并且,可在确保能源安全的基础上,提升系统弹性和协调性,提高运行效率。尤其是风、光等新能源,由于很难单独大规模直接利用,还具有间歇属性,需要通过转换为电能,并与其他一次能源或储能协调配合,才能发挥效用。因此,电能是二次能源对一次能源优化的最佳方式。

此外,由于庞大的电力网的建设,电能可实现大空间维度下的一次能源优化。

构建气电双网循环,实现一次能源和二次能源循环发展

双网循环发展的构想,即充分发挥电能作为共性因子的作用,构建电力网和燃气网的双网融合发展,实现一次能源和二次能源循环发展格局(见图2)。

图2 双网循环发展结构图

双网循环结构中的一次能源,包括可再生能源、化石能源、核能等,通过发电装置形成电能,实现一次能源到二次能源的转换。其中的储能装置,可通过对电能的存储和释放,实现电能生命周期的延长。而清洁能源发电,可以通过电解水制氢,形成氢能,掺入燃气管网,形成一种新类型的一次能源——混氢天然气,实现二次能源到一次能源的转换,通过发电反馈回电网。最终,整个过程形成了一个完整的一次能源与二次能源的循环链,其中,通过调节电能制氢和储能,可以实现对整个系统的调节和优化。

从结构图中可以看出,氢能在一、二次能源循环链中发挥了重要作用。氢能易存储性,可以通过电能制备,在能源转换中互为补充,承担优化调节作用。氢能不仅是一种高效零碳的能源,有着非常广泛的应用场景,而且是一种灵活的可存储能源载体,通过可再生能源制氢(P2G),提升风、光消纳能力,并通过存储以及燃料电池发电,完成对风、光的优化调节。可再生能源制氢的原料是水,氢能利用后产生的依然是水,在整个自然系统中是可循环的。

制氢和氢能利用

目前,氢气制取主要有以下三种较为成熟的技术路线:一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢;二是以焦炉煤气为代表的工业副产制氢;三是电解水制氢。可再生能源制氢属于电解水制氢,通过电解槽实现,相较其他两种制氢方式,属于零碳排的绿氢。

可再生能源制氢是完全可以实现的,其中碱性电解制氢商业应用成熟,质子交换膜制氢逐步成为主流。电制氢制取成本受电价影响最大,占到总成本的70%以上,现行终端电价政策下,无经济性可言。但是,随着风电、光伏实现平价甚至低价上网(目前部分利用小时数上网电价可以做到接近0.1元/千瓦时),可通过直接交易模式,利用富余可再生能源电制氢,经济上已经初步具备可行性。同时,随着电制氢的规模加大,风电、光伏并网规模也相应加大,规模效应下未来成本被市场接受是完全有可能的。

氢能利用前景也非常广泛,涉及交通运输、工业及能源、建筑等多个领域。在交通运输领域,氢燃料电池车是氢能利用的一个主要方向;在工业及能源领域,主要应用在氢能炼钢、化工生产以及天然气掺氢,特别是化工生产需要由灰氢向绿氢转型;在建筑领域,主要应用在家用小型燃料电池热电联产系统,天然气管道掺氢为商户或家庭供能等。

在应对气候变化、保障能源安全等因素的驱动下,全球很多发达国家都提出了未来氢能发展战略。例如,日本是全球较早试点推动氢燃料电池汽车和家用热电联产项目的国家,并取得了一定成效。为了进一步发展氢能,2017年底,日本公布了“基本氢能战略”,意在创造一个“氢能社会”,主要目标是实现氢能平价,建设加氢站,逐步替代燃油汽车、天然气及煤炭发电,积极发展家用小型燃料电池热电联产系统,同时,重点推进海外氢能供应链建设。

双网循环发展实践

天然气作为一种低碳能源,有着较为成型的网络,可以满足现在能源清洁利用的快速发展需求,因此,对于天然气充足的地区,可以发展燃气机组,提升电网调峰能力,减少对煤电的依赖,从而提升风电、光伏、核电等新能源的消纳水平。燃气供热可以增加热网供热来源,亦可减少对大型热电机组依赖。新能源占比提升后,可以通过余电制氢和燃气掺氢技术,降低燃气成本,也将实现一次能源燃气和二次能源电能的循环。

双网循环发展的具体措施有如下三点:

一是加快推进完善天然气管网建设,实现天然气管网在全国范围内的互通;同时,完善相关省内燃气网络,研究利用现有管道的燃气掺氢技术,提高燃气利用效率,降低燃气成本,也为用户侧“煤改气”创造条件。

二是推动电网向“网源荷储”方向布局发展,实现各大区域间良性互补循环,提升非化石能源发电接纳能力,也为将来用户侧“煤改电”创造条件;同时,提前规划燃气机组和可再生能源(风电、光伏发电等)发展布局,配套开展接入线路建设工作。

三是推动大容量电储能、电制氢和燃气掺氢技术的产研转化,开展氢燃料电池推广利用。

双网循环长远发展方向

在双网循环发展中,可再生能源制氢扮演着重要角色。电储能的载体为各种物理能、化学能,除了热(冷)能,大部分情况下需转换成电能送回电网,而可再生能源制氢利用的载体是氢能,不仅可实现储能,而且作为一种清洁能源,利用场景非常广阔。

从长远看,可再生能源制氢将使氢能从制备到使用实现完全清洁零碳,有利于加速能源的清洁转型,加之氢能产业链条长,也有望为当地经济增长提供新动能。积极发展可再生能源制氢,也有利于风、光等可再生能源的大规模并网,从而进一步降低制氢成本,形成双向互动的良性循环。天然气掺氢促使氢能使用比例提升,同时也会减少对进口天然气的依存度,远期来看可提高我国的能源自给率和能源供应安全水平。

但不可忽视的是,氢能易燃、易爆,具备危化品………………

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