氫能供熱技術發展現狀與分析

曹 權, 王洪建, 吳 榮, 張 揚, 王建國, 福 鵬

(1.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司,北京100032;2.清華大學能源與動力工程系, 北京100084;3.北京北燃實業集團有限公司,北京100000)

1 概述

當前我國城鎮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,我國北方城鎮供熱碳排放達到5.5×108t,占全社會一次能耗排放的4.1%[2]。雙碳目標的提出給供熱領域帶來了新的挑戰,也促進了我國清潔供熱產業的大發展。截至2021年,北方地區清潔供熱面積達225×108m2,清潔供熱率達到了70%,基本實現了《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》的發展目標[1]。目前的清潔供熱實現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,按照目前的發展趨勢,難以在供熱領域實現雙碳目標,因此需要尋求一種零碳的清潔能源,來應對供熱領域低碳化轉型的挑戰。

氫能是一種清潔、零碳的二次能源,可大規模儲存和運輸。氫能供熱已成為眾多國家應對氣候變化、實現雙碳目標的重要選擇。2022年3月,國家發展改革委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》,明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分。2021年我國氫氣產量約3 300×104t,居全球第一[3]。預計到2030年,中國氫氣年需求量將達3 500×104t,預計到2050年,氫在我國終端能源體系中占比至少10%[4]。據國際氫能委員會預測,到2050年,氫能供熱將在目前使用天然氣供熱的地區開展規模化應用,在全球建筑供暖領域中,氫氣需求量將達到4 000×104t[5]。氫能可以多種方式應用于供熱領域。2022年10月,北京市人民政府印發的《北京市碳達峰實施方案》指出,禁止新建和擴建燃氣獨立供暖系統,全面布局新能源和可再生能源供熱。2022年10月,北京市海淀區公布的“2023年可再生能源供熱領域市政府固定資產投資資金需求項目”中,包含氫能供熱項目。本文介紹氫能供熱技術原理與分類,總結國內外氫能供熱的發展現狀,對比各類氫能供熱方式的關鍵技術指標,梳理氫能供熱技術攻關的重點任務與發展建議,研究結果可為相關熱力、燃氣、電力、能源等企業發展氫能供熱提供技術參考。

2 氫能供熱技術原理與分類

氫能供熱是指熱源直接或間接利用氫氣,將其轉化為符合供熱系統參數要求含能形態的技術?？芍苯訉錃庾鳛槿剂线M行摻混利用或單獨利用,也可將氫氣與氮氣合成氨氣、與二氧化碳合成甲醇或甲烷進行利用。

氫能供熱系統的熱源按照系統形式分類,可分為熱電廠(摻氫/純氫燃氣輪機)、鍋爐房(燃煤摻氨鍋爐、燃氣摻氫鍋爐)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、質子交換膜燃料電池)熱電聯供、家用純氫鍋爐(或純氫鍋爐與空氣源熱泵相結合)、摻氫燃氣供暖熱水爐、摻氫燃氣熱水器等分布式供熱方式。

3 國內外氫能供熱發展現狀

發展氫能和燃料電池已成為許多國家的戰略選擇,截至2021年底,日本、韓國、德國、美國等超過20個國家和地區都已制定氫能發展戰略[6],并對氫能供熱進行了探索和實踐。美國、歐盟和日本等國家和地區的相關企業已經在摻氫燃氣、摻氨燃煤、純氫鍋爐供熱以及氫燃料電池熱電聯供等方面開展了一系列的實踐應用。

3.1 美國

美國積極推動氫能供熱技術的研究與示范。2022年9月,美國能源部發布了《能源部國家清潔氫戰略和路線圖》草案,以確保開發和采用清潔氫氣作為有效的脫碳工具。目前,美國政府對天然氣摻氫和氫燃料電池熱電聯供項目提供了大量資金支持,以促進該領域的快速發展。2020年11月,美國開展了HyBlend項目,該項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電需求,最高摻氫比(指氫氣體積分數)為30%。喬治亞州電力公司實現了摻氫比為20%的燃氣輪機的正常運行,運行結果顯示,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州啟動氫燃料的熱電聯供(CHP)系統示范項目,該項目由美國能源部和國家可再生能源實驗室提供支持和部分資金,氫燃料電池產生的電力和熱量將供應明尼蘇達州圣保羅市中心及鄰近地區的建筑和獨棟住宅。

3.2 歐洲

歐洲在氫能供熱方面已開展一系列項目示范,其中家用純氫鍋爐已在荷蘭、英國等地開展應用示范,燃料電池熱電聯供已進入商業應用階段。2021年11月,歐盟委員會醞釀出臺新的居民供暖鍋爐技術標準,擬全面推行“至少混合20%”氫氣的供熱鍋爐,甚至計劃“在2030年全面禁止化石燃料供熱鍋爐設備”[7]。英國是歐洲國家中最早開始實施氫能供熱的國家,2019年,英國開展了H21氫供暖項目,該項目擬將天然氣重整所制得的氫氣以體積分數20%的比例摻入天然氣供暖管網,供應利茲市的終端供暖用戶[7]。從2026年開始,英國將正式啟用氫能供暖。英國利茲市計劃從2028年開始,對居民供暖管網基礎設施進行氫配套改造,替代居民供暖、工業和發電的全部天然氣需求[7]。荷蘭BDR Therme公司已在洛赫姆12個家庭住宅中啟動純氫鍋爐供熱測試,此外,該公司還開發了純氫鍋爐與空氣源熱泵相結合的混合供暖系統。

在燃料電池熱電聯供方面,歐洲通過callux、ene.field、PACE、KFW433等項目已實現燃料電池熱電聯供系統(簡稱FC-CHP)產品的示范試驗和市場化初步探索,進入商業應用階段,目前多款產品面向市場銷售。截至2021年,歐洲已經部署逾3×104套FC-CHP,并計劃2040年前部署250×104套[8]。歐洲主要的氫能供熱項目見表1。

表1 歐洲主要的氫能供熱項目

3.3 日本

日本海嘯地震多發,能源資源短缺,日本政府主要將氫氣作為發電燃料應用。作為全球小型熱電聯供的最大市場,日本通過ENE-FARM項目,在燃料電池熱電聯供領域走在了世界的前列,實現了大規模的商業化推廣應用。ENE-FARM項目由燃氣公司主導銷售,電器和關鍵技術公司負責產品的研發集成,采用固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC)雙技術路線。ENE-FARM項目2005年開始實施,2009年開始商業化,在2005—2016年,主流裝機是PEMFC,自2017年開始,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供系統已售出逾42.4×104臺,計劃在2030年達到530×104臺,相當于日本家庭總數的10%[14]。日本斗山恒能公司正在與韓國機械研究院共同執行國策課題“用于300 MW級氫燃氣輪機的50%氫混燒環保燃燒器的開發”,于2022年8月進行氫燃氣輪機燃燒器摻氫比30%氫混燒試驗獲得成功,之后將進行摻氫比50%氫混燒試驗。日本的電力公司JERA計劃在2030年前關閉所有的燃煤發電廠,并在2040年前將氨燃燒技術引入到燃煤發電廠中。JERA和IHI公司還將聯合研發適用于1 000 MW級燃煤電廠的20%氨混燃技術。其中,JERA公司主要負責采購氨和相關建造,IHI公司則主要負責改進燃燒器。

3.4 中國

我國的氫能供熱產業尚處于初步探索階段,已經開展了一系列課題研究與示范驗證。在摻氫燃氣鍋爐、摻氨燃煤鍋爐、摻氫燃氣輪機等集中供熱領域已完成了多項示范項目建設。國內具有代表性的氫能集中供熱示范項目見表2。表2中第5個項目摻混比指氨的熱量占氨、煤總熱量的比例(簡稱熱量比),其余均為氫氣體積分數。

表2 國內具有代表性的氫能集中供熱示范項目

在政策的推動下,我國以燃料電池熱電聯供為代表的分布式氫能供熱示范項目已有序展開,在全國范圍內開展了多處熱電聯供示范項目。山東“氫進萬家”科技示范工程,旨在打造“4個氫能園區、5個氫能社區”。項目覆蓋濟南、淄博、濰坊、青島,已落地1.2×104套燃料電池熱電聯供系統。目前4個氫能園區的選址和方案設計已完成,正在選址氫能社區,將采用純氫、天然氣摻氫等方式,利用社區樓宇用熱電聯供系統為家庭生活供電供熱[15]。2021年11月,全國首座氫能進萬家智慧能源示范社區項目在佛山市投運,已安裝4臺440 kW商用燃料電池熱電聯供設備,將繼續安裝家用燃料電池熱電聯供設備394套,以推動佛山市氫進萬家[16]。

由于氫氣體積熱值約為天然氣的1/3,導致天然氣摻混氫氣后,終端燃具的燃燒工況發生改變,進而影響燃具的燃燒性能。根據GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》,以我國目前使用的12T基準氣為衡量標準,按甲烷摻混氫氣計算,摻氫比小于29.1%時滿足12T基準氣的互換要求。國內外相關學者已對終端利用可接受的摻氫比開展了一系列的理論與實驗研究,結果表明在不進行改造的情況下,燃氣熱水器與燃氣供暖熱水爐可接受的摻氫比為20%[17-21]。

4 氫能供熱技術分析

結合國內外氫能供熱技術的發展現狀,按照不同的供熱形式與熱源類型,對氫能供熱技術進行分類,對比分析了應用場景、技術成熟度等,見表3,其中,第3種供熱技術摻混比指熱量比,其余均為氫氣體積分數。氫能集中供熱可以大幅降低供熱碳排放量,實現電能、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熱電聯供系統具有能量轉化效率高、低溫可快速啟動、熱輻射低、環境友好、噪聲小、適應不同熱功率要求、減少污染物與碳排放等優勢,家用純氫鍋爐、摻氫燃氣供暖熱水爐和摻氫燃氣熱水器有火焰穩定、熱效率高,擴展天然氣的穩定熄燃極限,減少污染物與碳排放等優勢。

表3 氫能供熱技術對比

5 結論與建議

5.1 結論

① 國內外已積極開展多項氫能集中供熱的示范項目。燃料電池熱電聯產等分布式氫能供熱系統在美國、歐洲、日本等發達國家和地區已實現商業化應用,但我國還并未實現大規模推廣應用。

② 氫能供熱可以大幅降低供熱行業的碳排放量和NOx等污染物的排放量,實現電能、氫能、熱能的多能耦合。

③ 發展氫能供熱符合我國能源系統深度脫碳的要求,可以有效提高我國供熱領域的能效,有利于保障國家的能源安全。

5.2 對我國發展氫能供熱產業的建議

① 制定氫能供熱專項規劃?！稓淠墚a業發展中長期規劃(2021—2035年)》明確了氫能的戰略地位,提出開展摻氫天然氣管道試點示范,因地制宜布局氫燃料電池分布式熱電聯供設施。這在頂層設計上指明了氫能供熱的方向,但尚缺乏氫能供熱的專項規劃。氫能供熱產業的發展事關我國供熱領域雙碳目標的實現,應制定符合我國國情的氫能供熱產業發展路徑與實施方案,推動氫能供熱領域的重點任務與技術攻關,重點規劃氫能供熱的應用場景,建立氫能供熱的補貼政策,打通覆蓋制氫-儲運-利用-運營的氫能供熱全產業。

② 構建符合我國國情的氫能供熱安全監管、技術與運營管理標準體系。國內氫能供熱的標準基本處于空白狀態,應當協同行業優勢力量建立和完善全方位、系統化的氫能供熱標準體系,理清標準化工作的重點。應以需求為導向,加快制定氫能供熱的國家和行業標準體系,包括氫燃料鍋爐、燃料電池熱電聯供系統等供熱系統的技術標準、工藝標準、安全標準等,保障氫能供熱產業健康安全有序發展。

③ 加強氫能供熱安全檢測能力和保障技術。氫氣相對分子質量小,無色無味,一旦發生泄漏,逸散速度極快且不易被察覺。應對氫能供熱應用場景下氫氣泄漏風險、火災危險、燃爆危險、安全防控手段開展研究,建立氫能供熱產業的安全監管體系。

④ 加大對氫能供熱的補貼政策及金融支持。目前我國氫能來源主要以煤制氫為主,利用可再生能源發電進行電解水制氫可得到清潔的綠氫,但是成本較高,因此利用綠氫進行氫能供熱目前不具有經濟可行性。綠氫價格與燃料電池制造成本下降是未來氫能供熱規?；l展的必然要求,因此需要加大氫能供熱產業鏈的補貼政策與金融支持,為氫能供熱的市場拓展空間。