綠色氫基能源是各行業(yè)深度脫碳的利器，據(jù)預(yù)測(cè)我國(guó)綠氫需求在2030年、2040年、2050年和2060年將分別達(dá)到2300萬(wàn)噸、6900萬(wàn)噸、9100萬(wàn)噸和1.2億噸，其應(yīng)用主要分布在工業(yè)、交通、電力和建筑四大領(lǐng)域。
工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用
工業(yè)目前是我國(guó)氫基能源最大的應(yīng)用領(lǐng)域。氫氣是重要的工業(yè)原料，已經(jīng)被廣泛用于合成氨、合成甲醇、石油化工和冶金等工業(yè)領(lǐng)域，在雙碳目標(biāo)的約束下，預(yù)計(jì)氫基能源在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模將快速增長(zhǎng)。
(1)合成氨
合成氨是目前規(guī)模最大的氫氣消費(fèi)途徑，目前全球超過(guò)37%的氫氣用于生產(chǎn)合成氨。氨是化肥的主要原料，也是重要的工業(yè)原料和中間產(chǎn)品，在工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛的用途。在化肥工業(yè)中，氨是生產(chǎn)氮素化肥的主要原料;在化學(xué)工業(yè)中，氨可以用于生產(chǎn)胺、染料、炸藥、合成纖維、合成樹(shù)脂等有機(jī)或無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品;在電子工業(yè)中，高純氨可用于大規(guī)模集成電路減壓或等離子體化學(xué)氣相沉積;在食品工業(yè)中，氨可以作為堿性劑、酵母養(yǎng)料、食用色素稀釋劑等。
合成氨的主要原料是氮?dú)夂蜌錃?，理論上合?噸氨需要0.18噸氫氣和0.82噸氮?dú)?。合成氨所需的氮?dú)鈦?lái)源相對(duì)簡(jiǎn)單，一般可以通過(guò)空氣分離獲得。合成氨所需的氫氣來(lái)源較為多樣，目前主要來(lái)源于由煤炭和天然氣制備的灰氫，鑒于可再生能源電解水產(chǎn)生的綠氫具備碳排放低、純度高的特點(diǎn)，未來(lái)綠電制綠氫將成為氫氣的主要來(lái)源。
(2)制備甲醇
甲醇是氫應(yīng)用的另一大途徑。甲醇是基礎(chǔ)的有機(jī)化工原料，可以用來(lái)生產(chǎn)烯烴、甲醛、二甲醚、醋酸、甲基叔丁基醚、二甲基甲酰胺、甲胺、氯甲烷、對(duì)苯二甲酸二甲脂、甲基丙烯酸甲脂、合成橡膠等一系列有機(jī)化工產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、紡織、農(nóng)藥、醫(yī)藥、電子、食品上?，F(xiàn)代工業(yè)利用甲醇制烯烴，相對(duì)于傳統(tǒng)石腦油制烯烴具有較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為甲醇的主力消費(fèi)市場(chǎng)，當(dāng)前占據(jù)甲醇總需求量的55%左右。
長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，通過(guò)以綠色甲醇為原料生產(chǎn)有機(jī)化工產(chǎn)品，是化工領(lǐng)域降低碳排放的重要手段。綠色甲醇，是指在生產(chǎn)過(guò)程中零碳排放合成的甲醇，目前綠色甲醇主要有兩種生產(chǎn)途徑：一種是生物質(zhì)制備綠色甲醇，另一種是綠電制綠色甲醇，其中通過(guò)綠電制氫與二氧化碳反應(yīng)合成甲醇技術(shù)路線可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳大規(guī)模利用，是未來(lái)合成綠色甲醇的重要技術(shù)路線。
(3)石油化工
氫氣是石油化工領(lǐng)域不可或缺的原料之一，加氫裂化、加氫精制等工藝可以改善、改變重油性質(zhì)，將重油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油品，有效提高石油的精煉效率，獲得更多高附加值的產(chǎn)品。目前，石油化工用氫主要依賴化石能源制氫或工業(yè)副產(chǎn)氫，未來(lái)通過(guò)綠氫替代的潛力巨大。
(4)冶金行業(yè)
氫氣可以取代碳作為還原劑用于冶金行業(yè)。目前主流的氫冶金技術(shù)路線分為高爐富氫冶金與氣基直接還原豎爐冶金兩種方式：高爐氫冶金是指通過(guò)在高爐中噴吹氫氣或富氫氣體參與冶金過(guò)程，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，高爐富氫還原冶金在一定程度上能夠通過(guò)加快爐料還原，減少碳排放，但由于該工藝是基于傳統(tǒng)的高爐，氫氣噴吹量存在極限值，一般認(rèn)為高爐富氫還原的碳減排幅度可達(dá)10%-20%，效果不夠顯著;氣基直接還原豎爐冶金是指通過(guò)使用氫氣與一氧化碳混合氣體作為還原劑參與冶金過(guò)程，氣基直接還原豎爐冶金二氧化碳排放量可減少50%以上，更適合用于氫冶金。
冶金行業(yè)是碳排放的重點(diǎn)行業(yè)，根據(jù)《2023雙碳鋼鐵年度發(fā)展報(bào)告》，2023年我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放占全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放總量的60%以上，是全球鋼鐵行業(yè)最大的碳排放源，從行業(yè)門類來(lái)看，鋼鐵行業(yè)碳排放占全國(guó)碳排放總量的15%左右，碳排放量位居制造業(yè)31個(gè)門類首位。
綠氫被視為冶金行業(yè)碳減排的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的高爐煉鐵是以煤炭為基礎(chǔ)的冶煉方式，碳排放占整個(gè)工藝流程總排放量的70%左右，氫氣可以代替碳在冶金過(guò)程中的還原作用，從而使冶金行業(yè)擺脫對(duì)煤炭的依賴，在源頭實(shí)現(xiàn)降碳。
交通領(lǐng)域應(yīng)用
化石能源清潔綠色替代是交通領(lǐng)域碳減排的路徑之一，綠色氫基能源作為交通燃料，可以應(yīng)用于公路交通、鐵路交通、航空、航海等多種場(chǎng)景，是未來(lái)交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型的有效途徑。
(1)公路交通
公路交通是交通運(yùn)輸領(lǐng)域碳排放的絕對(duì)主體和減排重點(diǎn)。氫基能源在公路交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用，主要包括氫基能源燃料電池及氫基能源內(nèi)燃機(jī)兩種方式。
氫燃料電池是目前在公路交通中應(yīng)用較為成熟的綠色解決方案。我國(guó)氫燃料電池汽車的發(fā)展采取先商用車后乘用車路線，氫燃料電池汽車主要以客車、重型卡車、牽引車、城市物流車為切入，逐步過(guò)渡到乘用車領(lǐng)域。相對(duì)于發(fā)展趨于成熟的純電動(dòng)汽車，氫燃料電池汽車適合固定路線、中長(zhǎng)途干線和高載重場(chǎng)景。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2022年我國(guó)重型卡車銷售量為67.19萬(wàn)輛，其中氫燃料重型卡車銷售量為2382輛，滲透率為0.35%，預(yù)計(jì)隨著氫能源產(chǎn)業(yè)政策、氫燃料電池技術(shù)、加氫站等配套設(shè)施的發(fā)展，氫燃料電池汽車規(guī)模將迎來(lái)加速發(fā)展的契機(jī)。
氫基能源中甲醇是公路交通領(lǐng)域的最佳替代燃料選項(xiàng)，甲醇可用作內(nèi)燃機(jī)中的汽油添加劑或替代品，也可應(yīng)用于改裝的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛，應(yīng)用場(chǎng)景豐富。
甲醇具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是常溫常壓下呈液態(tài)，便于儲(chǔ)運(yùn);二是成分單一，燃燒相對(duì)清潔;三是甲醇作為含氧燃料，可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒反應(yīng)，提高能源轉(zhuǎn)換效率，相比按汽油等熱值計(jì)算平均能量轉(zhuǎn)換效率可提高20%以上。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》明確提出“促進(jìn)甲醇汽車等替代燃料汽車推廣”。目前我國(guó)甲醇汽車已具備完整的政策許可、行政管理許可、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)許可、市場(chǎng)準(zhǔn)入許可和運(yùn)行保障許可等相關(guān)許可，建成了完整的產(chǎn)品技術(shù)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈，構(gòu)建了甲醇乘用車、甲醇混合動(dòng)力乘用車、甲醇商用車、甲醇自卸車、甲醇?；愤\(yùn)輸車、甲醇增程電動(dòng)車等組成的多元化產(chǎn)品體系，甲醇汽車產(chǎn)業(yè)即將迎來(lái)快速發(fā)展的歷史機(jī)遇。
(2)鐵路交通
氫基能源在鐵路交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要是氫基能源燃料電池替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為火車提供新的動(dòng)力來(lái)源，氫基動(dòng)力火車的優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)現(xiàn)有鐵路軌道進(jìn)行電氣化改造即可以實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸行業(yè)的減排。法國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等歐洲國(guó)家均已出臺(tái)國(guó)家鐵路網(wǎng)絡(luò)清潔改造升級(jí)計(jì)劃，但在我國(guó)鐵路高電氣化率的背景下，氫基動(dòng)力火車需求相對(duì)有限。
從技術(shù)來(lái)看，氫動(dòng)力火車仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段。2022年，世界上第一列純氫動(dòng)力客運(yùn)火車在德國(guó)正式運(yùn)營(yíng)，續(xù)航里程達(dá)1000公里，最高時(shí)速達(dá)140公里;2021年，中國(guó)試運(yùn)行國(guó)內(nèi)首臺(tái)氫燃料電池混合動(dòng)力火車，滿載氫氣可連續(xù)運(yùn)行24.5小時(shí)，平直道最大可牽引載重可超過(guò)5000噸;2022年，中國(guó)建成了世界首個(gè)重載鐵路加氫科研示范站，為氫動(dòng)力火車供應(yīng)氫能燃料。
(3)航空
航空業(yè)的碳減排很難通過(guò)電氣化實(shí)現(xiàn)，氫基能源為航空業(yè)提供了可能的減碳方案。目前氫能飛機(jī)的動(dòng)力主要包括氫燃料電池、燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)等，相較于氫燃料電池，燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展較為緩慢，這跟氫燃料與航空煤油的許多特性的不同有密切關(guān)系，航空發(fā)動(dòng)機(jī)從燃油到燃?xì)?，?duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是燃燒室的設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。
氫動(dòng)力飛機(jī)可能成為中短距離航空飛行的減碳方案，但在長(zhǎng)距離航空領(lǐng)域，仍須依賴航空燃油，因此發(fā)展綠色航油將是實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)最重要的措施。綠色航空煤油是指從非化石資源而來(lái)的C8～15液體烴類燃料，根據(jù)美國(guó)環(huán)球油品公司的生命周期分析，綠色航油的溫室氣體排放量比石油基航空燃料減少65%～85%。
綠色航空煤油可以通過(guò)對(duì)植物油、地溝油或其它高含油生物燃料加氫精制生成;也可以通過(guò)將纖維素、木質(zhì)素等生物質(zhì)氣化生成合成氣，經(jīng)費(fèi)托合成工藝后，再加氫裂化、加氫異構(gòu)改質(zhì)生成。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)指向含芳環(huán)航煤餾分為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線，從熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)一步生產(chǎn)航空煤油，目前已完成100噸/年的小型生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。目前，全球綠色航油主要從生物油脂的加綠氫精制生產(chǎn)，售價(jià)在2700～3100美元/噸，價(jià)格是石油基航煤的4倍左右。
美國(guó)、英國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)出臺(tái)綠色航空發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃，預(yù)計(jì)綠氫將在未來(lái)航空業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。
(4)航運(yùn)
《2023年國(guó)際海事組織船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略》明確提出到2030年國(guó)際航運(yùn)業(yè)二氧化碳排放量比2008年減少30%以上，并在2050年前后實(shí)現(xiàn)凈零排放，氫基燃料作為航運(yùn)領(lǐng)域的重要碳減排方案，迎來(lái)重要發(fā)展機(jī)遇。目前氫基燃料在航運(yùn)中的應(yīng)用主要包括燃料電池和甲醇燃料兩種解決方案。
我國(guó)企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國(guó)產(chǎn)化氫能燃料電池已經(jīng)啟動(dòng)了氫動(dòng)力船舶研制，目前的氫動(dòng)力船舶主要用于湖泊、內(nèi)河、近海場(chǎng)景，作為小型船舶的主動(dòng)力或大型船舶的輔助動(dòng)力。2023年10月，我國(guó)首艘氫燃料電池動(dòng)力示范船“三峽氫舟1”號(hào)首航，標(biāo)志著氫燃料電池技術(shù)在我國(guó)內(nèi)河船舶應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破。
綠色甲醇作為國(guó)際上公認(rèn)的清潔燃料，甲醇可以實(shí)現(xiàn)船舶低改裝成本下柴油的部分或完全替代。目前日本、新加坡等國(guó)家已明確將綠色甲醇作為船舶運(yùn)輸?shù)娜剂?，根?jù)船舶經(jīng)紀(jì)公司Braemar估算，到2030年，僅國(guó)際航運(yùn)巨頭馬士基一家對(duì)于綠色甲醇的全球需求量即將達(dá)到600萬(wàn)噸，綠色甲醇在船舶航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用市場(chǎng)空間巨大。
我國(guó)船舶和船舶動(dòng)力制造行業(yè)也在積極推進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)、江海直達(dá)、近海運(yùn)輸甲醇燃料動(dòng)力船舶的制造。2017年中國(guó)船級(jí)社發(fā)布《船舶應(yīng)替代燃料指南》，為甲醇作為船舶動(dòng)力提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用指南;以中船重工為主的研究機(jī)構(gòu)也在積極研發(fā)直噴甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)、甲醇燃料加注單元等甲醇船舶的核心裝置。
電力領(lǐng)域應(yīng)用
氫基能源可以運(yùn)用在電力系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的各環(huán)節(jié)。在源端，可通過(guò)氣電摻氫和煤電摻氨的方式降低發(fā)電端的碳排放;在網(wǎng)端，氫基能源可以通過(guò)管道長(zhǎng)距離運(yùn)輸作為特高壓電力輸送的一種有效補(bǔ)充;在負(fù)荷端，電解水制氫是一種柔性負(fù)荷，可為電力系統(tǒng)提供需求側(cè)靈活響應(yīng);在儲(chǔ)端，氫基能源可以通過(guò)燃料電池回流到電力系統(tǒng)中，氫基能源可作為一種具備長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存能力的“過(guò)程性能源”，可以實(shí)現(xiàn)跨日、月、季節(jié)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)意義重大。
(1)氣電摻氫燃燒
氣電摻氫燃燒是指在天然氣中摻一定比例的氫氣用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電，氣電摻氫燃燒可以顯著削減氣電溫室氣體的排放總量，并減少作為化石燃料的天然氣的消費(fèi)量，是未來(lái)天然氣發(fā)電實(shí)現(xiàn)碳減排的主要路徑之一。
近年來(lái)，中國(guó)持續(xù)在氣電摻氫燃燒方面開(kāi)展積極的探索，2021年12月國(guó)家電投荊門綠動(dòng)電廠成功實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)15%摻氫燃燒運(yùn)行，其燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)最高摻氫比例達(dá)到30%;同年12月，廣東省能源集團(tuán)旗下的廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司宣布將建設(shè)2臺(tái)600兆瓦9H型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，燃機(jī)機(jī)組將采用10%的氫氣摻混天然氣燃燒，該項(xiàng)目于2022年正式開(kāi)工，2024年1月成功實(shí)現(xiàn)1號(hào)燃機(jī)首次點(diǎn)火;2022年3月，浙江石化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目采用的三臺(tái)西門子SGT5-2000E機(jī)組先后點(diǎn)火成功，此項(xiàng)目是世界首套采用天然氣、氫氣、一氧化碳作為混合燃?xì)獾臍怆婍?xiàng)目。
全球主要燃?xì)廨啓C(jī)廠商均在積極提高燃機(jī)的摻氫燃燒能力，目前GE在全球已有超過(guò)100臺(tái)采用低熱值含氫燃料機(jī)組在運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)超過(guò)800萬(wàn)小時(shí)，其中部分機(jī)組的燃料含氫量超過(guò)50%，積累大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從不同機(jī)型看，GE旗下E/B級(jí)燃機(jī)已具備100%燃?xì)淠芰?，其功率最大、最高效?HA級(jí)燃機(jī)燃?xì)淠芰?0%，GE的目標(biāo)是在2030年前實(shí)現(xiàn)9HA級(jí)燃機(jī)100%燒氫能力。摻氫從50%到100%依然有許多技術(shù)難題處于研發(fā)過(guò)程中，總體上包括燃燒技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)、氮氧化物的控制技術(shù)四大類。
(2)煤電摻氨燃燒
在“雙碳”目標(biāo)下，煤電的低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，煤電摻氨被視為煤電低碳轉(zhuǎn)型的有效路徑，受到越來(lái)越多的關(guān)注。液氨體積能量密度高、大規(guī)模存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)成熟;氨的辛烷值較高，更抗爆震，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，且燃燒后的產(chǎn)物可實(shí)現(xiàn)零碳排放，因此，氨可作為替代煤炭的理想燃料。
日本是最早重視煤電摻氨的國(guó)家，2014年日本發(fā)布的國(guó)家戰(zhàn)略性創(chuàng)新創(chuàng)造方案就涵蓋在以蒸汽鍋爐為核心的火電站上開(kāi)展氨-煤混燃技術(shù)研究;2021年，日本政公布的第六版能源發(fā)展規(guī)劃，提到日本計(jì)劃首先采用混燒技術(shù)，比如30%的氫加70%的天然氣，或者20%的氨加80%的煤粉，之后逐步提升氨和氫的混燒比例，計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)100%的氨、氫燃燒發(fā)電。
在技術(shù)方面，NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))委托東京電力公司全資子公司JERA、IHI、丸紅株式會(huì)社和Woodside Energy(澳大利亞伍德塞德能源公司)4家公司在大容量燃煤火電中進(jìn)行了綠氨摻燒的全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉稇?yīng)用。JERA負(fù)責(zé)碧南火力發(fā)電廠100萬(wàn)千瓦機(jī)組的運(yùn)行，IHI負(fù)責(zé)研究氨在鍋爐中的混燒技術(shù)，丸紅株式會(huì)社負(fù)責(zé)運(yùn)輸氨燃料，Woodside Energy負(fù)責(zé)氨制備。目前JERA正規(guī)劃在碧南火電廠100萬(wàn)千瓦燃煤機(jī)組上開(kāi)展氨-煤混燃試驗(yàn)，計(jì)劃2024年在碧南火力發(fā)電廠4號(hào)機(jī)上實(shí)現(xiàn)20%氨混燒。
中國(guó)在煤電摻氨方面起步較晚，但是研發(fā)進(jìn)展迅速。2022年1月24日，由國(guó)家能源集團(tuán)開(kāi)發(fā)的“燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)”應(yīng)用項(xiàng)目在山東煙臺(tái)成功投運(yùn)，該技術(shù)是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)40兆瓦燃煤鍋爐氨混燃比例為35%的中試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)氨燃盡率99.99%，氮氧化物排放濃度不增加。
目前，國(guó)家能源集團(tuán)正對(duì)廣東臺(tái)山電廠一臺(tái)60萬(wàn)千瓦機(jī)組開(kāi)展摻氨改造，完成后可在多種工況下達(dá)到最高20%的摻燒比例。除了國(guó)家能源集團(tuán)，安徽省能源集團(tuán)和合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院聯(lián)合開(kāi)展了火電廠摻氨技術(shù)的研發(fā)，2022年4月至2023年6月在銅陵電廠32萬(wàn)千瓦亞臨界發(fā)電機(jī)組上開(kāi)展多次工程驗(yàn)證，在國(guó)內(nèi)首次驗(yàn)證了大型火電機(jī)組摻氨燃燒技術(shù)的可行性，該工程最大耗氨量21噸/小時(shí)，30萬(wàn)千瓦出力下?lián)綗壤笥?0%、10萬(wàn)千瓦出力下?lián)綗壤_(dá)到35%，不同工況下氨燃盡率均達(dá)99.99%，氮氧化物排放水平與改造前相當(dāng)。
國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果表明，燃煤鍋爐混氨燃燒可使得煤粉和氨良好燃盡，燃燒后氮氧化物排放不隨混氨比例增加而等比例升高，且可通過(guò)分級(jí)燃燒等方式顯著降低氮氧化物排放。
鍋爐摻氨改造根據(jù)摻氨比例的不同，鍋爐改造的方式也會(huì)有所不同，通過(guò)國(guó)內(nèi)目前的摻氨示范項(xiàng)目了解，在摻氨0-30%的范圍內(nèi)，鍋爐的換熱結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)需改動(dòng)即可滿足要求，對(duì)鍋爐本體的改造主要是集中在燃燒器的加裝，包括主燃區(qū)的煤摻氨燃燒器和還原區(qū)的純氨燃燒器。除了鍋爐本體之外，還需要配套有大型氨氣化及供應(yīng)系統(tǒng)，包括有大型氨區(qū)，液氨增壓系統(tǒng)，液氨管道，液氨蒸發(fā)器，緩沖罐;對(duì)于鍋爐摻氨比例超過(guò)30%時(shí)，相比于純煤燃燒，氨煤混燒時(shí)產(chǎn)生的輻射換熱降低，而對(duì)流換熱增加，因此部分位置的換熱器容量需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾印?/p>
(3)氫基能源燃料電池
氫基能源可以通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能回流到電力系統(tǒng)中。燃料電池是一種將燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，基本原理是燃料進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極，在催化劑的作用下分解成質(zhì)子和電子，形成的質(zhì)子穿過(guò)膜達(dá)到燃料電池陰極，電子則通過(guò)外部電路到達(dá)燃料電池陰極形成電流。依據(jù)電解質(zhì)的不同，可以將燃料電池分為五類：包括堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池等。依據(jù)燃料的不同，氫基燃料電池可以分為氫燃料電池、氨燃料電池和甲醇燃料電池，目前氫燃料電池發(fā)展較快。據(jù)測(cè)算，目前利用氫基能源的燃料電池純發(fā)電效率約為50%，通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)的方式綜合效率可達(dá)85%以上。
氫基燃料電池可以單獨(dú)也可以與電解水制氫系統(tǒng)聯(lián)合為電力系統(tǒng)提供寶貴的靈活性調(diào)節(jié)資源。此外，氫基燃料電池系統(tǒng)還適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島邊防、通信基站、移動(dòng)電源車等不同規(guī)模的固定式、移動(dòng)式供能場(chǎng)景，具備較廣泛的應(yīng)用前景。
建筑領(lǐng)域應(yīng)用
建筑領(lǐng)域用能需求主要為供暖(空間采暖)和供熱(生活熱水)，傳統(tǒng)的供暖供熱主要依靠煤炭和天然氣等化石能源的燃燒，將氫基能源作為未來(lái)建筑用能的主要載體可以有效促進(jìn)建筑領(lǐng)域低碳綠色發(fā)展。氫基能源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要有天然氣管道摻氫和建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
(1)天然氣管道摻氫
氫氣可借助較為完善的家庭天然氣管網(wǎng)，以一定比例摻入天然氣中，用于建筑的能源需求。
目前世界許多國(guó)家已經(jīng)逐步開(kāi)展天然氣管網(wǎng)摻氫項(xiàng)目示范，其中英國(guó)、法國(guó)的示范項(xiàng)目最高摻氫比例已達(dá)20%。國(guó)內(nèi)首條摻氫高壓輸氣管道工程包頭—臨河輸氣管道工程于2023年3月在巴彥淖爾市臨河區(qū)正式開(kāi)工，最大輸氣能力可達(dá)12億標(biāo)方/年，可實(shí)現(xiàn)最高摻氫比例10%;2023年4月，寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺(tái)，397公里長(zhǎng)的天然氣管線摻氫比例已逐步達(dá)到24%，經(jīng)過(guò)了100天的測(cè)試運(yùn)行，整體運(yùn)行安全穩(wěn)定，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外天然氣管道摻氫輸送的新紀(jì)錄。
從國(guó)內(nèi)外示范工程及研究表明，摻氫比例在10%至20%之間是可行的，據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2050年全球10%的建筑供熱和8%的建筑供能將由氫氣提供，每年可減排7億噸二氧化碳。
(2)建筑熱電聯(lián)供系統(tǒng)
氫基能源可以通過(guò)燃料電池的形式參與建筑供能。氫基燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是指通過(guò)能量梯級(jí)利用的方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的供電和供熱，將具有較高利用價(jià)值的高品位能量用于發(fā)電，而剩余的溫度較低的低品位能量則用于供熱，其系統(tǒng)綜合能量利用率可達(dá)80~90%。
基于氫基燃料電池搭建的熱電聯(lián)供系統(tǒng)采用在負(fù)荷中心建立分布式發(fā)電系統(tǒng)的形式，可以為樓宇、小區(qū)等民用用戶以及工業(yè)用戶提供熱，并承擔(dān)部分用電負(fù)荷，結(jié)合天然氣管道摻氫，可以實(shí)現(xiàn)電、熱、氣三聯(lián)供。目前，以日本、韓國(guó)、歐洲為代表的國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池微型熱電聯(lián)供商業(yè)化;我國(guó)建筑領(lǐng)域熱電聯(lián)供目前仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段，河北省、廣州市、上海市等多地規(guī)劃提出要推廣氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供試點(diǎn)項(xiàng)目，探索家用和商用氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供模式，助力建筑領(lǐng)域節(jié)能減排。
(作者：張益國(guó)、姜海、賈浩帥，作者單位：水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院)
評(píng)論