氫能及燃料電池系列

有人將2018年定義為中國氫能發(fā)展的元年，在這一年，氫能一天比一天火熱，從行業(yè)圈內(nèi)默默的發(fā)展，漸漸走近大眾的視野，被譽為21世紀(jì)最有前景的替代能源，各大企業(yè)也都扎堆進入氫能行業(yè)，氫能項目也火熱得千金難求。如果不了解點氫能以及相關(guān)技術(shù)的知識，可能已經(jīng)跟不上整個能源行業(yè)的發(fā)展，交能網(wǎng)借鑒各類文獻(xiàn)，結(jié)合自身在德國亞琛工大的專業(yè)研究，希望從各個環(huán)節(jié)分別介紹氫能及其相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀，希望讀者對氫能產(chǎn)業(yè)有個初步的了解。

燃料電池雖然名稱中有電池兩字，但是其實它更像一個能源轉(zhuǎn)換器，可以將一次能源直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能，且設(shè)備的功率可以在一個很大的范圍內(nèi)波動。這種特性讓其能夠輕易地實現(xiàn)家用化，且綜合能效要高于集中式地能源供應(yīng)方案。

假設(shè)同樣以天然氣作為一次能源，通過傳統(tǒng)的熱電廠集中式和燃料電池分布式發(fā)電與供熱的綜合效率差距非常大。即使現(xiàn)代的發(fā)電廠的發(fā)電效率已經(jīng)可以超過60%，且通過熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合熱效率也能超過85%，但是熱力的遠(yuǎn)距離運輸導(dǎo)致用戶端的一次能源熱效率將低于70%。

家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)

反觀家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，一次能源直接在用戶端進行能源生產(chǎn)，燃料電池解決了燃機小型化程度有限的問題而能夠完美地作為家用能源站的核心設(shè)備。該系統(tǒng)的整體熱效率高于85%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于集中式生產(chǎn)的50%終端熱效率。

這一方案構(gòu)想其實已經(jīng)在日本得到了實現(xiàn)。2009年，由日本東京燃?xì)夤九c松下集團共同研發(fā)的ENE-FARM項目正式投入大范圍商業(yè)實施，目前可以說是世界上最為成功的燃料電池商業(yè)化項目。截止2015年，該項目已經(jīng)累計部署了超過120000套家用燃料電池設(shè)備，證明了長期的公私合作關(guān)系可以促進新技術(shù)的商業(yè)化。這些燃料電池被安裝在公寓以及普通住宅內(nèi)，由公寓開發(fā)商選擇安裝與否，并且有其他附件應(yīng)用用途可供選擇。新型的燃料電池可以不依賴電網(wǎng)獨立運行，這對多災(zāi)多難的日本極為重要。

ENE-FARM項目發(fā)展路線圖

ENE-FARM項目的成功依賴于企業(yè)、政府和工業(yè)界的通力配合。在1999年開啟基礎(chǔ)研究后，政府看中了這個模式對于能源資源匱乏的日本的巨大作用，能效的提升不僅降低了一次能源消耗，獨立的能源系統(tǒng)也能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。為了促進這一模式的落地，日本政府首先投入大量的資金來支持關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，在產(chǎn)品出現(xiàn)后，首相官邸還率先安轉(zhuǎn)這一設(shè)備，為這個模式站臺.

在2009年產(chǎn)品推廣前夕，日本政府同意每套燃料電池補貼140萬日元或者制造成本的一半，并做出補貼多年的承諾。雖然每套設(shè)備的補貼力度下降，但是總的補貼預(yù)算不斷升高。在2009年大約安裝了2300套燃料電池設(shè)備，現(xiàn)在這個數(shù)字已經(jīng)慢慢增長至超過12000套，而每套設(shè)備的補貼則降至了500000至600000日元。而從2012年開始銷售量差不多翻倍。2015年ENE-FARM的補貼金額達(dá)到了222億日元，這一輪補貼到2016年年底已經(jīng)結(jié)束。

政策補貼不僅幫助這一模式的快速推廣，還成功地資助了制造企業(yè)的科研和擴大生產(chǎn)。在這些因素的促進下，ENE-FARM價格的逐步下跌，這讓ENE-FARM成功渡過了補貼退場下的艱難時期。即使在補貼停止后，2016年4月-2017年3月（2016年度），日本還新增4.2萬臺ENE-FARM，新增數(shù)量約與2015年度持平，累計安裝臺數(shù)則達(dá)19.6萬臺，其中又以價格較低、重新啟動時間較短的PEFC（固體高分子型燃料電池）機種所占比重較高。

日本ENE-FARM年度裝機數(shù)量

那么這個最成功的燃料電池商業(yè)化項目的設(shè)備究竟是怎么樣的呢？其本質(zhì)是一個家用小型熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)備利用天然氣作為燃料來源，注入燃料電池中發(fā)電，再用發(fā)電時產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水，整體能源效率能超過90%。系統(tǒng)運行過程如下圖：

ENE-FARM系統(tǒng)示意圖

這其中的關(guān)鍵設(shè)備自然是燃料電池，目前這個項目用的燃料電池主要有這三種：

ENE-FARM項目主要燃料電池型號

2015年，松下還推出了新款的燃料電池，其續(xù)航能力大幅提升，即便在電力供應(yīng)中斷后，仍能持續(xù)發(fā)電約8天（約合192小時），相比09年4月份推向市場的“ENE-FARM”，續(xù)航提升了約96小時。松下官方稱使用這款設(shè)備能夠減少37%的能量消耗和減少49%的二氧化碳排放。同時使用壽命還大幅提升，它的工作壽命為60000小時，比它的前輩長20％。在性能增強的同時，其售價反而從280萬日元降低到了200萬日元。

日本的成功實踐說明，在未來的氫能社會中，燃料電池分布式能源站能夠承擔(dān)終端用戶的能源需求。如果我們把這個模式和電解氫結(jié)合起來，一個從能源生產(chǎn)到消費的完整鏈條就出現(xiàn)了。想象在未來的某一天，由遠(yuǎn)處風(fēng)電場發(fā)出的電力直接當(dāng)?shù)仉娊廪D(zhuǎn)化為氫氣，氫氣通過管道輸送到一個沒有任何外接電網(wǎng)的家庭。氫氣再通過小型化的分布式燃料電池能源站為這個家庭提供電力和熱力。在公寓式高層建筑集中的城市里，屋頂資源十分珍貴，可再生能源難以承擔(dān)能源供應(yīng)的重任，這種小型的能源站則是更好的解決方案。

我國當(dāng)前燃料電池分布式能源站系統(tǒng)還未普及，在大家爭搶上游產(chǎn)業(yè)和交通領(lǐng)域而不可開交時，何不關(guān)注下這個潛力巨大的藍(lán)海呢？