当前,人们利用一种氢能源新的应用发来来是旨在解决愈来愈明显的环境问题。传统领域中,氢气拥有非常广泛的应用,从工业生产到食物包装,同时也是制氨原料以及生产肥料等工业领域的重要资源。在2011一年里,氢原料的工业保有量就达到了160万吨。
在工业制造领域需求的推动下,新型低成本的制氢技术的推广已经成为了必要的市场需求。同时在能源方面的新兴市场需求也成为了氢能利用的焦点。在德国和加拿大的电厂已将高端氢能技术引入其主要发电设备,特别是利用风电厂和天然气发电电厂。这些手段的加入提高了发电厂电网输出的平稳性,并且实现多余电能向氢能的转换与储存,并在此后通过燃料电池或涡轮机产出电能,实现能量利用最大化。
对于天然气发电厂,设备从新启动需要消耗大量的能源,其启动成本很高。所以当前世界上的发电厂,无论电网电量需求量,仍然长时间连续运行发电机组以减少损耗。所以在这个过程中,产生了大量的能源和能量浪费。风电电厂存在着类似于天然气发电厂的问题。尽管风能是自然产生、免费的资源,但风能出现的时间和电网需求量不匹配,例如非峰值时间段。所以,大量的低成本新能源浪费掉,无法产生价值。
氢能解决手段
为削减成本并尽可能提高能量利用率,氢能的开发利用技术逻辑十分简单:将额外的电能储存起来并转化于氢气,后续再通过燃料电池等方式向外提供电能以应对需要。
过去两年间,针对氢能源技术已经吸引了众多关注了,特别是可再生氢能源技术的应用和能量的分配利用。需要强调的是,氢气本身不是一种能量,而是载体,需要和氧气通过催化剂的反应来释放储存的能量,反应通常发生于燃料电池来提供电能。而且,氢气并不存在于任何形式的物质和原料中,需要通过裂化天然气或者电解水来得到。起初,电解水或是裂化所需的能量来源于化石燃料的直接利用,这意味着存在着氢能到底是否能够作为清洁能源的疑问。
氢气作为燃料在燃烧中的产物只有水,但如果我们使用含碳丰富的燃料和资源(非清洁燃料)去生产氢气,为何我们要将其定义为清洁能源呢?目前来说,利用清洁能源(风能,太阳能),采用电解水技术生产氢气,可以实现真正的无污染。现阶段,越来越多的关于新能源制氢的项目正在进行。
氢能&风能
在任何行业中,补充氢能系统的优势都比风能更加明显。税收的减免,财政的补贴等举措都在鼓励开发商,运营商等等去探索可以提高当前的/发展中的风能项目利用率的新途径。在风能行业,人人都理解并害怕“缩减”这一概念,既公用事业公司或其他电力购买者强制关闭可再生能源基础设施。当电网的电力供应超出负荷时,就会发生电力“缩减”,同时输电系统无法接受风电厂或太阳能电厂的电力供应。因此当“缩减”发生时,风力涡轮机和太阳能电池板将处于闲置状态,即使有风能或太阳能资源可以收集,也无法为电网提供能量。这就意味着,在“缩减”期间,可再生能源运营商是没有收入的。在德克萨斯州和俄克拉荷马州,“缩减”的发生率为50%。
一种以氢能源为基础的储存系统为风力发电运营商提供了针对电力“缩减”和非高峰时间段收益减少的解决方案。将“缩减”/非高峰时段所产生的价值较低能量进行储存,然后在高峰时段利用燃料电池将它们转化为高价值能源返还给电厂。《电力采购协定》 (PPAs) 中对于关税价格差异的规定,以及燃料电池技术的很多内在特性使得氢能源成为首选的储存能源。
氢能和储能
氢能因为成本高在商业和政治领域不受青睐。如今,因为技术创新和新兴商业模式,氢存储重燃生机。氢存储与可再生能源结合更具有竞争力。与其他储能形式相比,氢存储成本低、利润大。
首先,制氢成本在过去十年间降低了25%,同时燃料电池技术创新提升制氢系统转化率。目前美国的燃煤电厂平均转化率为40%。氢存储系统的往返转化率(“往返”指电能-氢能-电能的能源循环)达到45%。电解制氢技术不需要额外的变压器,可适用于风力发电的电压和电流。因此,电解制氢技术成本降低(无需变压器的成本)、系统整体效率提高(减少变压过程的能量损耗)。
同时,由于燃料电池可提供稳定的能源输入而保持长期稳定的运作,相比之下传统电池和压缩空气存储技术随着时间变化效率和产出会有不同程度的降低,因此燃料电池发电技术对于电网的电力提供是非常适合而且高效的。
目前德国已经拥有氢能发电厂和一个新型氢能运输项目,该项目正在建设50个新的加氢站来供应氢燃料电池汽车。在美国奥斯汀、伯明翰、克利夫兰等城市都有氢气公交车运营。在冰岛雷克雅未克也有一个大型氢能巴士车组,并且有大量的可再生能源可以低成制造氢燃料。从2014年开始,奔驰,宝马,丰田,通用汽车,日产,本田和福特等汽车制造商已经预测了能源市场的转型,并开始计划着推出氢能燃料电池车型。由此看来,氢能似乎不再是一种理想型的动力解决方案,而是一种实际的基于市场的清洁能源解决方案。