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海洋风电产业瓶颈的正确打开方式—氢储能...

发布日期:2018-01-24 10:02:22
来源:中远海运
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人类200年工业化进程中,化石能源扮演了不可或缺的角色,但随着消费总量的不断提高储量的日益减少,同时伴随其日益严重的副产品负面效应也逐渐显现,全球变暖和环境污染对能源的使用提出了新的要求,一种来源广泛、清洁无污染、储运方便、利用率高的物质氢逐渐成为能源圈的时尚话题。


一、化石能源落幕可再生能源兴起
煤、石油、天然气等化石能源是当今社会的能源消耗主体,随着人类工业化进程加速,能源消费总量不断提高,但总储量却不断减少,开采难度逐步加大,随着油气勘探开发逐步向深海、极地等复杂地质地理条件地区转移,生产边际成本也快速增长。有研究认为,2020 年之前,全球石油产量将到达顶点,天然气产量顶点也将在不久之后到达,以煤炭、石油天然气为标志的化石能源时代终将过去。随着工业文明下化石能源的副产品环境污染、气候变暖、生态恶化对人类的生存与发展愈发构成严重威胁,人类越来越清晰意识到必须采用一种新的可持续的经济发展模式才能确保一个更加美好的未来,人类需要寻找更加集约、更加持续、更符合自然和社会伦理的生产和生活方式。


目前传统能源产业仍然是一股强大的力量,但化石燃料驱动的工业时代即将结束端倪已现,为纠正化石能源的巨大环境负外部性,很多国家和地区已经或考虑征收资源税、碳税、环保税等。面对全球日益严峻的减排任务和化石能源的供应成本大幅上升,风电、太阳能、地热、潮汐能、生物能等可再生能源的生态和环境效益渐趋明显,同时伴随其应用技术上的不断成熟及逐步实现的大批量商业化开发,化石能源的落幕已进入不可逆转的进程,可再生能源的开发和利用已进入快速上升通道。


二、可再生能源发展面临的困局
可再生能源种类多、总量大、清洁零污染,有科学家指出,太阳光线一个小时的照射所产生的能量足以支撑全球经济运行一年;斯坦福大学一项关于全球风能的研究统计,利用地球上现有风能的20%,所提供的电力将是当今世界所用电量的7倍之多;在美国,地表下两英里内的地热能源足以为全美国提供其所需要的能源长达3万年之久等。目前,可再生能源在全球能源发展转型的大背景下已迎来了发展机遇期,世界主要发达国家以及中国等新兴经济体已经全面推进可再生能源的开发和利用,在欧洲、美国,可再生能源投资已经超过化石能源投资,可再生能源的内部成本在逐步下降,开始表现出竞争力。


但众所周知阳光不会一直明媚、风力不会一直充裕,可再生能源的间歇式、不稳定供应弱点成为可再生能源广泛应用一大瓶颈,由于风能和太阳能的供应都具有间歇性,只能在部分时间发电,为了保持电力的持续供应,就需要配建传统的火力发电厂,由此造成其运行负荷和效率普遍不高,发电不稳定的因素使得可再生能源替代传统能源的效果大打折扣。


中国拥有世界上最丰富的风力资源,其中海上风能资源占3/4。虽然海上风电具有风速大、稳定性好、风机利用率高、单机装机容量大、不占地、不扰民、靠近用电负荷等众多优势,具有更广阔的开发前景,但与其他可再生能源相似,由于其分散性、波动性和间隙性特性,赢得了垃圾电的雅号(怎么都有一种鄙夷的味道)。我国仅2016年弃风电量就接近500亿度。


政府职能部门也意识到现行政策的缺陷,按国家能源局可再生能源司相关人士的表述,即是鼓励的方向是发电侧,鼓励大家拼命建,没有企业或部门对消纳负担起义务 。产业发展早期,消纳空间充足,矛盾不明显;现阶段消纳矛盾不容忽视。


三、未来能源生产和消费格局的变化
第一次工业革命和第二次工业革命形成的传统、集中的经营生产活动,将被第三次工业革命的分散经营方式取代。因为经济和社会变革总是来自于新能源与新通信方式的交汇,而建立在互联网和新能源相结合基础上的新经济正扑面而来。


世界各国在石油、天然气等能源体系建设以来,无不是需要巨额资本运作,在组织上也呈现出集中化、官僚化趋势。严重依赖于原先通过集中规划、巨资建设的旧日电网怎么会去消耗今日广为分散的垃圾电?!


美国社会科学家吉里米·里夫金《第三次工业革命》提出社会产消一体化的趋势——即产消者的出现,阐述了近500年来,经贸的发展从封建时代的自给自足进步到生产与消费逐步分离,在生产力的驱动下至20世纪末全球洲际贸易达到了巅峰。天下大势作于细,随着新世纪可再生分布式能源、储能技术和互联网、物联网、3D打印等技术驱动,将又逐步弥合这一种生产与消费的经贸距离。未来世界,风能、光能和海洋能等可再生能源的深度发展与可循环使用材料的广泛利用将形成分散合作式的商业模式,大量的创客(社会企业家)引领后碳经济时代。到那时,分布式的可再生能源采集和增材制造自然不再支持大范围的能源原材料与制成品的远距离贸易运输。通俗一点说,就是进入更高文明和科技层次的自给自足。这必将带来生产关系的巨大变革。


将来,如风能、太阳能、地热和海洋能等分散资源被数百万个不同的能源采集点收集起来,通过智能网络整合、分配,最大限度地实现能源的有效利用并维持经济的高效、可持续发展。可再生能源的这种分散式的本质更需要合作式的组织结构而不是层级结构。


我们应该清楚地认识到:这是一次思想的战争,政策的博弈;而不仅仅是技术或是管理问题。


四、风电消纳技术难题的破解—氢
以产消一体这样的高度审视和研究风电,特别是海洋风电的演进路线,就应意识到风电行业必须自省,在更大的能源格局上寻求突破。仅生产不消纳,单纯依赖接入国家电网不是一种正确的路径。


要解决这个难题,适合分散式的电力储存技术—氢储能就成为目前最为有效的一项技术解决手段。


众所周知,氢是地球上存量最丰富的元素,常见含氢物质是水,将氢作为能源发电后又复原为水,对环境没有任何污染,被誉为零排放,是可持续性的清洁能源。且氢的用途非常广泛,多个行业都有应用,利用可再生能源风电制取氢,必将成为解决可再生能源长期存储介质的关键。氢储能的基本原理就是将水电解得到氢气和氧气,风电场制氢储能技术的核心思想是当风电充足但无法并网只能弃风时,利用风电将水电解制成氢气(和氧气),将氢气储存运输;当需要电能时,将储存的氢气通过燃烧发电或是氢燃料电池转换为电能。


目前先进的电解氢技术装备已支持各类不稳定电源(如风电)稳定的制备氢气,并应于化工加氢工艺、氢燃料电池和氢气发电等。





五、海上风电制氢及运输产业模式思考
对于产能过剩、亟待转型升级的船舶和海工装备产业来讲,海上风—电—氢的融合对其发展具有重大促进作用。由于风力、电能、氢能三者具有形式上的统一特性,是没有固定形态、可任意切割的能源或资源形式,且风电制氢的最终目的是客户端应用,因此从能源发展趋势来看,围绕海上风电制氢转化应用全产业链条甚至可能取代、颠覆当下以海上油气(化石能源)开采为主的海工行业,这值得船舶海工业界深入思考。海洋风电制氢全程不仅包括海上平台制氢,还涵盖氢的海运、陆地运输和直达消费端的过程。相关的浮式装备主要有多功能运输船、风电运输安装船、风场运维船和海上制氢及风场保障平台等。





海上风场制氢平台可根据需求集成海水淡化、电解水制氢、氢处理储存等基本功能,同时面向制氢、风场保障等多项功能进行集成与融合,有利于风电与氢能成本的进一步降低。对于生产平台自身的电力需求,借鉴自产自消、产消合一理念,采用风电+氢能源发电模式进行自身电力供给,既消纳了海上风电,又依靠自身生产的氢能源完成了电力的反向转化,解决了平台自身的能源供应问题。



对于海上风电制氢产业,氢资源运输环节包括海运、陆运两种方式,以及氢资源从制氢平台到船舶、从船舶到陆地的转运到客户端应用。按照氢所处状态不同,可分为气氢运输、液氢运输和固氢运输,前两者是目前较大规模使用的方式。气氢运输适合采用管道,但偏少的氢气管网里程成为管道输送的重大制约。液氢运输既能满足较大的运氢量,又比较快速和经济,可采用类似LNG的液氢运输船舶或低温绝热储罐两种方式,这两种方式都可用于海运,陆运则只能通过低温绝热储罐,从制氢平台到客户端的全程考虑,低温绝热储罐具有更大优势。液氢储罐设计容量的可选范围广(可实现25m3~1437m3),日蒸发损失在可接受范围内(0.13%~1.2%),且氢气蒸发不存在污染,对于液氢的储罐式运输,目前已完全具备工程技术层面的可行性。海洋风电制氢及运输产业链各个环节目前已在逐步协同、统一融合,全产业链系统化解决方案必将会突破行业桎梏并重新定义海洋风电的概念。



六、结束语
长远来看,可再生能源替代传统化石能源的趋势是确定的,而氢储能技术必将是突破可再生能源产业发展瓶颈的关键。在大数据、云计算等技术的支撑下,能源智能并网、大规模社会扁平化体系难题理论上已具备可行性。但由于氢是二次能源,在规模化应用之前,还需面对许多挑战,包括安全、生产和输送的成本等问题的解决,期待风电、船舶与海洋工程、制氢储运等相关行业能够不断融合、相互探索,联手组织海洋风电制氢储运工程示范项目的可研并早日实施。


长久以来,我国不缺乏1-n的完善式创新,现在只有 0-1 的颠覆式创新才能成为旗手。任正非先生说,华为已经攻入科技无人区。英、美是第一次、第二次工业革命的旗手,如果我国要在第三次工业革命中抢抓机遇,必须攻入无人区。


新行业的发展之难,难点不在技术装备,而难在如何高屋建瓴地设计规划出新行业扰动旧产业后耦合、融合协动的迷人局面。只有进行原创性的思考,不迷信所谓国外发展路径,从本质出发、实事求是,坚持中国特色社会主义道路自信、理论自信、制度自信、文化自信,探索出中国伟大复兴之路,才是我们这一代科技工作者的光荣使命。(作者:中远海运重工有限公司技术研发中心总经理 赵志坚)