美國能源部日前發(fā)布《氫能項目計劃2020》（下稱“《計劃》”），為美國的氫能研究、開發(fā)和示范應(yīng)用提供了戰(zhàn)略支撐。
《計劃》指出，美國政府致力于氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)研發(fā)，并將加大示范和部署力度，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化。根據(jù)美國國家實驗室預(yù)測，到2050年，美國本土氫能需求將增至4100萬噸/年，占未來能源消費總量的14%。
與其他能源不同的是，氫能需要化石能源、核能與可再生能源系統(tǒng)的整合。因此，美國能源部將協(xié)同下屬所有能源部門，合作推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《計劃》介紹了美國能源部氫能技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及美國氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存和應(yīng)用的現(xiàn)狀及未來規(guī)劃。
美國氫能商業(yè)化應(yīng)用初具規(guī)模
經(jīng)過40年的發(fā)展，美國的氫能產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)已逐漸從專業(yè)化應(yīng)用過渡到商業(yè)化應(yīng)用。目前，美國已經(jīng)在數(shù)以千計的乘用車、商用車、鏟車、分布式及備用動力裝置中應(yīng)用了燃料電池，并已建成145個加氫站（包括試驗項目）。
在發(fā)電方面，以氫氣/天然氣混合物為燃料的大型渦輪機也已經(jīng)進入到商業(yè)化運營階段。在過去的20年里，美國能源部在氫能和相關(guān)領(lǐng)域投資了超過40億美元，主要包括氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存、以及燃料電池和氫能渦輪機發(fā)電等技術(shù)的研發(fā)。這些研究成果與工業(yè)項目相結(jié)合，取得了許多成功，例如：應(yīng)用配備碳捕獲和儲氫裝置的制氫技術(shù)，以低于2美元/公斤的成本生產(chǎn)無碳氫；燃料電池的制造成本降低了60%，耐久性提高了四倍。截止目前，美國能源部已頒發(fā)了1100多項美國專利，并在市場上推出了30多項商業(yè)技術(shù)。
當(dāng)前美國氫能產(chǎn)業(yè)的技術(shù)瓶頸主要集中在各環(huán)節(jié)的成本、耐久性、安全性以及缺乏基礎(chǔ)設(shè)施等方面。為了實現(xiàn)廣泛的商業(yè)化，氫能應(yīng)用必須拓展更大的市場，并且能夠在成本、壽命、性能、耐久性和環(huán)境影響等方面得到提高，同時也需要解決非技術(shù)性的障礙，例如制定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，完善安全測試，最終建立一個健全的氫能供應(yīng)和應(yīng)用體系。
多年來，美國能源部為滿足每個技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵需求，已經(jīng)開發(fā)了一些技術(shù)選項（如表1）。
表1 美國氫能近中遠期關(guān)鍵技術(shù)選項
產(chǎn)業(yè)目標(biāo)：降成本、提性能、擴應(yīng)用
美國能源部將聯(lián)合工業(yè)部、科技部、國家實驗室、聯(lián)邦和國際機構(gòu)以及其他相關(guān)機構(gòu)共同推進氫能項目計劃。
美國能源部的最終目標(biāo)是以多種資源和多種途徑制氫，并在各種規(guī)模下（從小型分布式到大規(guī)模制氫），都能以最低的成本生產(chǎn)、儲運和使用氫能。
表2 美國氫能消費現(xiàn)狀和未來消費預(yù)測（百萬噸/年）
美國國家實驗室還對氫能消費情景進行了評估和預(yù)測，結(jié)果顯示，到2050年美國的氫能需求或?qū)⒃鲩L至4100萬噸/年，是當(dāng)前消費量的4倍。而隨著新應(yīng)用的出現(xiàn)，氫能的消費潛力還將繼續(xù)增長，初步預(yù)計2050年氫能將占美國總能源消費需求的14%。
圖1 美國工業(yè)、運輸、儲能行業(yè)中氫能消費潛力
探索氫能大規(guī)模綜合利用系統(tǒng)
《計劃》中列舉了當(dāng)前美國能源部氫能項目的關(guān)鍵技術(shù)、需求和挑戰(zhàn)，涉及氫氣生產(chǎn)、輸送、儲存、能量轉(zhuǎn)化、終端應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)和教育相關(guān)的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。
《計劃》中還重點提及了氫能在混合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。廣義而言，混合能源系統(tǒng)（HES）將發(fā)電、儲能和能源轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合起來，通過總體控制系統(tǒng)將這些技術(shù)集成在一起。與獨立能源系統(tǒng)相比，混合能源系統(tǒng)擁有更強的性能和更低成本（如圖2）。HES中集成的氫能技術(shù)在電網(wǎng)和非電網(wǎng)電力應(yīng)用中都具有獨特的優(yōu)勢：中長期/季節(jié)性儲能；利用電解槽快速動態(tài)響應(yīng)的電網(wǎng)調(diào)峰功能；生產(chǎn)氫氣、其他氫基燃料、化學(xué)品及其他多種產(chǎn)品的能力。
圖2 混合氫能系統(tǒng)示例
隨著電網(wǎng)的發(fā)展，各種可再生能源的滲透性越來越高，電網(wǎng)集成氫能相關(guān)技術(shù)可以提供儲能和其他電網(wǎng)功能：通過電解產(chǎn)生的氫氣可以作為一種雙向儲能載體，通過燃料電池或燃燒渦輪機等低排放發(fā)電技術(shù)，按需將其轉(zhuǎn)換回電能；也可用于單向化學(xué)能源應(yīng)用，例如注入天然氣管道基礎(chǔ)設(shè)施，或作為原料生產(chǎn)氨或甲醇等增值商品；氫能技術(shù)還有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率的輔助功能。
目前，美國能源部正在與電力公司合作進行技術(shù)經(jīng)濟分析，以確定將氫能與可再生能源整合在電網(wǎng)、微電網(wǎng)和離網(wǎng)應(yīng)用的最佳配置。
氫能發(fā)展將推動美國能源變革
美國能源部下屬的可再生能源、化石能源、核能、電力和科技部門參與了此項目。該項目還與其他相關(guān)的部門進行協(xié)調(diào)合作，包括高級能源項目部門（ARPA-E）；網(wǎng)絡(luò)安全、能源安全和應(yīng)急響應(yīng)部門；以及能源部以外的國家相關(guān)部門，如儲能技術(shù)，先進制造業(yè)、電網(wǎng)現(xiàn)代化、綜合能源系統(tǒng)和人工智能。每一個部門都管理與其任務(wù)有關(guān)的氫能項目，所有部門經(jīng)過協(xié)調(diào)合作，以實現(xiàn)戰(zhàn)略管理和項目執(zhí)行的凝聚力。
為了使氫能產(chǎn)業(yè)從專項應(yīng)用過渡到大眾市場，開發(fā)大規(guī)模制氫、配套設(shè)施、氫能應(yīng)用的技術(shù)和工藝至關(guān)重要。強大的自主供應(yīng)鏈也將確保美國在全球氫能產(chǎn)業(yè)中處于領(lǐng)先地位。受快速增長的市場需求影響，研發(fā)工作需要克服技術(shù)挑戰(zhàn)并加快進展。通過研發(fā)，將提高氫能產(chǎn)業(yè)的工藝和技術(shù)，并逐漸擴大應(yīng)用規(guī)模，實現(xiàn)制造業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟。同時，通過系統(tǒng)集成還可以帶來更多的技術(shù)改進，從而進一步降低產(chǎn)業(yè)鏈成本。
總的來說，美國能源部主導(dǎo)的氫能和相關(guān)技術(shù)研發(fā)，在其各部門的一致努力下，以及廣泛的利益相關(guān)者的投入和協(xié)作下，該計劃的實施將有助于實現(xiàn)美國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展愿景：清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應(yīng)用于各類場景，并成為美國能源體系中的重要組成部分，推動美國的能源體系變革。（氫促會）
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