從可再生能源利用和工業副產氫資源情況看我國氫能供給潛力

0 引言

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

。氫能作為二次能源是全球能源系統脫碳的關鍵支柱，是實現碳中和的最佳能源載體

。

本試驗在設計時，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，結果也證明了5%大豆卵磷脂組的保存效果，但試驗結果卻為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蘇率，在較高濃度的溶液中對精子運動產生阻力較大，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%濃度下還有更優的濃度組，需進一步試驗驗證。

近年來，為實現“碳達峰、碳中和”目標，我國新一代能源系統正處于向能源互聯網轉型的關鍵期?？稍偕茉窗l展實現歷史性突破。2020年底，我國風電、光伏累計裝機分別達到2．8億、2．5億kW

。風電、光伏等新能源的固有波動性和隨機性給我國電力系統運行帶來前所未有的安全隱患問題。大規模的可再生能源并網將對電力系統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象，導致風電、水電等難以即時、就地消納，造成大量棄風棄光。氫能作為一種零碳排、可存儲、可與電雙向轉化的靈活性資源載體，能夠實現新一代能源互聯網“源網荷儲”的協調互動和高度融合。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模發展，有效提高能源系統靈活性。

為了更好地挖掘氫能在區域能源網絡中的應用潛力，必須了解各區域的氫能資源狀況。目前，氫的制備方法已比較成熟，主要分為工業副產提純制氫、電解水制氫、化石燃料制氫等，各技術路線的供應成本、環保效益、產品純度不盡相同。本文通過統計并分析我國各省市可再生資源的分布情況，以及工業副產氫資源現狀，預測國內氫能資源的開發潛力。

1 中國可再生能源資源稟賦及利用情況

1.1 風電資源

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

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

。

1.2 光伏資源

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

“我們的策略就是熬，有風險的產品不敢碰，高投入的行業都不做?！睆埲A說，公司處于半停半開的狀態，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

氯堿工業中，每生產1 t燒堿約副產氫氣量280 m

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

地方政府在構建和維護良好的市場環境秩序中發揮著不可替代作用。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”一起協同發揮不同的重要作用。但當前我國對中小微企業合法權益的保護，特別是知識產權保護仍存在漏洞；有些地方政府下屬主管部門對小微企業擔保抵押條件辦理手續，如對企業動產、不動產權屬證明的辦理拖拉滯后；缺乏專門針對提高小微企業從業人員素質的培訓等，這些都給小微企業發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；風電和光伏資源西北和華北地區較為豐富，且消納不足，有大量富余可再生能源浪費。而華東地區部分省市雖然風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。若利用棄風棄光以及富余水電制氫，使無法并網的可再生能源就地消納，在當電力質量較差或者電力不足時，通過氫儲能反向向電網送電，快速調節功率，不僅可以降低高比例可再生能源并網的不穩定性，還可以充分利用棄風棄光，提高可再生能源發電的利用小時數。此外，通過氫轉運跨區域調度使用，將多余綠電向負荷集中地區輸送，提高光伏、風電經濟效益，有效利用可再生能源，降低碳排放。

2 中國工業副產氫資源現狀及預測

2.1 焦爐煤氣副產氫

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

。光伏利用小時數達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%。從地區劃分上看，西北和西南地區的光伏消納出現問題較為嚴重，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象。

截至2020年12月，全國各地有關丙烷脫氫項目落地信息層出不窮，預示著未來我國丙烯產能將迅速增長。調研數據顯示，未來將有30多個丙烷脫氫項目投建，丙烯總產能超過3 000萬t/a，副產氫約120萬t/a。

2.2 氯堿工業副產氫

創新意味著突破傳統，走不同尋常的道路，與創新相伴左右的便是風險，風險管理是考量一個新創企業面對市場環境的動蕩所體現出來的能力，風險管理即營銷職能尋求降低企業對外部環境的脆弱性和依賴性，通過協同營銷方案提高企業的靈活性?！叭凰墒蟆币呀涀哌^了6個年頭，取得了巨大的成就，成為中國互聯網休閑食品的第一品牌，但在其成長過程中面臨著眾多風險與挑戰，如食品質量問題、來自于同行的模仿、資金鏈運轉等，其中章燎原認為“三只松鼠”最大的風險是食品安全。為了將風險控制到最低程度，“三只松鼠”利用互聯網信息化、數據綜合處理等手段，制定未來發展的四大戰略：大健康、大娛樂、大品類、大消費，這構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，地區差異大。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，以大型常規水電站為主，領先于其他省份。截至2020年12月，全國水電裝機分布占比如圖5所示。調研數據顯示，2020年全年水力發電量達13 000億kWh以上，同比增長3．9%，目前中國水力發電量占總發電量的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，基于環保與碳排放要求，大部分焦爐煤氣已經有下游利用方式，除一半用于回爐助燃，另外一半副產品常被用于制合成氨或制甲醇等物質。雖已有眾多下游利用路徑，但焦爐煤氣凈化技術與PSA分離技術的成熟，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氫資源有繼續挖掘的潛力。從圖7餅狀圖分析得知，華東、華北兩地焦爐煤氣生產裝置多，產能也較大，有利于就近供應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有的焦爐煤氣制化學品裝置進行改造，從而建成一套氫氣分離、提純和壓縮環節，這樣不僅能生產出滿足氫燃料電池需求的高質量氫氣，還能實現下游產品的多元化，以對沖合成氨、甲醇等化學品價格波動的市場風險?！吨袊鴼淠芘c燃料電池汽車年度報告2018》指出2013-2017年中國焦炭產量與副產氫氣潛力如圖8。

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

。

該方法既能鞏固“測量基礎”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的數字測圖更好的銜接，同時又能激發學生的興趣，調動學生實訓的積極性，取得了良好的教學效果。

根據丙烷脫氫項目的發展現況看，通過丙烷脫氫副產氣產生的氫量在未來5年將有大幅提升，預估產能如圖10。從氫能發展角度看，工業副產氫應結合地域資源稟賦，分階段發展，與多種其它氫源相協調。發展初期，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、生活的影響不大，著眼于氫源經濟便利性。到中后期不僅要考慮大量工業需求，更應當注重能源轉型和綠色可持續發展問題，結合當地資源，統籌規劃工業副產氫的應用方式，與其它氫源一起實現多元供應。

3 中國各區域氫能潛力預測

綜合以上可再生能源及工業副產氫狀況分析，本文通過計算、預測并繪制出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據可知，不同區域的資源稟賦差異較大，單一氫源無法滿足氫能行業發展，未來氫源應因地制宜、多元發展。

目前，利用富余水電進行電解水制氫是現階段產生大量高純度氫氣的推薦途徑。從地域劃分上看，沿海地區臨近港口，可以用氯堿、煉化、石化等副產氫，隨著海上風電項目的增多，風電制氫在沿海地區也是可發展的新方向。華北、東北地區工業發達，可用工業尾氣副產氫，但這其中的部分氫源僅可用于工業領域，達不到氫燃料電池可用標準。西南地區、華中和華南部分地區可利用豐富的棄水電量電解水制氫?！叭薄钡貐^可利用棄風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勢將更加凸顯。

從產氫總量上看，西南地區由于人口密度小，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氫的地區。東北地區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，因此不適合產氫儲氫。

4 總結

本文通過對中國國內各地區可再生能源開發利用現狀及工業副產氫資源情況的分析，預測2025年國內各地區氫能資源的開發潛力。得到以下結果：西南地區、華中和華南部分地區可再生能源富余，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”地區可利用棄風棄光電量電解水制氫產氫?？稍偕茉粗茪涫侨芷诶碚撎寂欧泡^低的制取方式，也是促進該地區可再生能源消納且具備經濟性優勢的適宜選擇。

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