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本文我们就来好好分析一下，光伏制氢，到底靠不靠谱，首先我们来看看目前的能源结构，让大家有个大局观： 01. 能源结构和战略 光伏作为新兴能源，在过去十余年取得了长足进步，目前80%的光伏组件是中国制造，还有10%也是中国企业在东南亚制造，所以中国在光伏领域处于霸主地位。这离不开80后的工程师们努力奋斗。那在中国，光伏发展的怎么样了呢？ 先看装机容量。根据国家能源局数据，截止2022年12月31日，全国累计发电装机容量256,405.00万千瓦。 其中，风电累计发电装机容量36,544.00万千瓦，占比14.25%； 水电累计发电装机容量 41,350.00 万千瓦，占比 16.13%； 核电累计发电装机容量5,553.00 万千瓦，占比 2.17%； 火电累计发电装机容量 133,239.00 万千瓦，占比51.96%； 太阳能累计发电装机容量 39,261.00 万千瓦，占比 15.31%。 截至 2022年 12 月 31 日各电累计发电装机容量如下：
特别提醒，以上数据是装机容量，不是发电量。那具体发电量占比怎么样呢？我查询了国家统计局的数据，去年水电、核电、风电、太阳能发电等清洁能源发电量29599亿千瓦时，比上年增长8.5%。
数据来源：国家能源局/统计局 事实上，煤电基本建设在产煤区，发电稳定。但新能源的发电最大的缺点就是不稳定，水电有枯水期，光伏夜里不发电，风电无风不发电。目前水电基本在西南，光伏和风电在西北，自然条件决定了的。 青海的戈壁滩光照好，地价便宜，适合做大型光伏电站，所以在过去十多年，青海光伏迅猛发展。但青海本地工业不发达，本地消耗不了如此多的电，就出现了“弃光”现象，建设好的大型光伏电站白白晒着太阳，在2016年一度达到10%以上的电力在浪费。 青海用不完，我们可以建设特高压，送到内陆来嘛。所以2018年开工建设了从青海到河南的特高压输电，已经于去年12月建设完成，输送容量800万千瓦， 同理，中国还在建设其他线路，先将西南的水电送到长江中下游，下图是我国在建特高压工程示意图，来自国家电网，原网址有详细注释并可以放大缩小： 但有一个基本面，那就是90%以上的电是用掉的，目前国家也倡导每个光伏电站配置10%左右的储能，以便做峰值调整。 从这些可以看出，光伏发电，90%以上是直接使用的，储能是小头。 02. 储能市场分析 在一个充分竞争的市场，只要看整体分布，就可以看出各技术目前的态势，市场上的钱就像水一样，每时每刻都是流向最具性价比的地方： 储能有很多种形式，列举如下： 据中关村储能产业技术联盟统计，截至2022年底，中国已投运的电力储能项目累计装机约5940万千瓦，其中，抽水蓄能占据最大比重，接近八成，累计装机约4610万千瓦，电化学储能首次超过20%。
从大局看，能源的储存最简单高效的就是抽水储能，国家利用抽水储能做消峰填谷的工作。在一些民用领域，锂离子电池占主导地位，剩余的是铅蓄电池，像压缩空气储能，飞轮储能占比是非常小的，更别说拿氢来储能了。 所以结论就是：氢气储能还远远未达到战略层面。 03. 氢能制造领域 制造氢气的主要方式如下： 其中2022年中国氢气产量为3781万吨，按照0.6元计算，氢气密度0.089g/L计算，大概就2000亿左右的市场。而这其中99%的氢气是用化石能源转换得到的，电解氢气不足1%。氢气重要使用在合成氨、甲醇、石油炼化中，也占比99%以上，用于燃料电池的能源连0.1%都不到。 比例这么低，一般都是因为极度不具性价比，下面列举成本： 从以上图表可以看出，目前对于氢气主要是化工氢，价格在1~1.5元，这样的成本和用途，用光伏来制造明显是无法回收成本的。 查阅资料时发现，有对氢气分成“灰氢“，”蓝氢“，”绿氢“的说法，从普适意义上，我认为只是促销手段，市场不会为信仰买单，这就好像你不会去买氢能源汽车一样。 综上，从制造氢气领域，光伏电解水制造氢气非常不具有性价比。 04. 氢气可以替代天然气吗？ 众所周知，氢气的密度是非常低的，我看到网上说氢气的燃烧值很高，其实氢气的燃烧值并不高。为什么这么讲？我们来看，氢气的燃烧值是：286kg/mol，天然气的主要成分是甲烷，甲烷的燃烧值是：890kg/mol。也就是说每摩尔的氢气燃烧只有甲烷的1/3的热量。 而很多人将氢气按照重量来跟其他气体比，说氢气的燃烧值是：141KJ/g，而甲烷只有55KJ/g，这里面忽略了重要的密度差异，甲烷密度是0.657kg/m3，而氢气的密度只有0.089kg/m3，氢气密度只有甲烷的1/7，也就是一个同样压力的罐子，氢气只能装1/7的重量，所以我们应该按照摩尔燃烧值来比较不同物质。对于气体，按重量计算燃烧值有点耍流氓。 所以从这方面讲，你烧1mol的甲烷相当于烧3mol的氢气，所以氢气替换天然气是毫无性价比的。 05.氢气可以驱动汽车吗？ 用氢气驱动汽车目前有两种方式，一种是像汽油一样，来烧氢气驱动发动机。很多地方把出租车改成烧天然气一样，连天然气驱动汽车，大家都觉得力量不够，更别说烧氢气了。所以这种结果可想而知：价格昂贵不说，力量肯定远不如汽车。 另一种就是最近一直炒作的燃料电池汽车，原理如下： 首先，你有没有发现，氢燃料驱动的汽车时需要装传统的动力电池的，既不是燃烧氢气驱动汽车内燃机，也不是氢气发电来驱动电动机，为什么？从这种设计就可以看出，氢气电解的电量是无法瞬间驱动电动机的。 光伏-->氢气-->氢气电化学反应发电-->锂电池储电-->驱动电动机 你没发觉这条路有点脱裤子放屁的意思吗？ 为什么不是：光伏-->锂电池储电-->驱动电动机 也就是直接在光伏电站为动力电池充电，然后在加油站换电池，不是既简单又方便吗？甚至可以在传统加油站附近安装太阳能光伏板，直接给动力电池充电，都可以省去运输成本。 我们再来看看，光伏制氢再从氢气变成电，效率怎么样。 据目前查到的数据，目前每立方氢气需要耗电4-5kWh，11.2标方氢气为1公斤，相当于1kg氢气电解需要消耗电44-55kWh，1公斤氢气发电在16kWh左右，这一来一回，50kWh光伏电变成了15kWh电来为动力电池充电，损失掉了70%，为什么不直接拿这50kWh电来直接充电呢？这还没有计算运输成本。 如此不划算的买卖竟然也有人相信。 05.燃料 下面我们再看学习一下燃料电池，目前的燃料电池有如下几种： 可以看到，熔融碳酸盐或者固体氧化物，不需要催化剂，但是需要一氧化碳为燃料。而目前采用的交换膜或者磷酸盐的电解质，都需要催化剂“铂”。 有些人说锂电池用的“锂”，地壳含量很低，需要用燃料电池替代，而事实上“锂”的地壳含量是居第27位，在地壳中约含0.0065%，也就是百万分之六十五。而“铂”在地壳却非常罕见，含量只有百万分之0.005。只有“锂”元素的一万三千分之一。 所以即使考虑”锂“矿不足，也应该去开发“钠”离子电池、磷酸锰铁锂电池之类的去替代。而不应该用“铂”。 06.结论 1、光伏90%以上的电可以直接用，加大西电特高压东输，或者在将高耗能产业向西转移，更具有性价比，譬如为什么不在光伏电站旁边做冶金硅，用光伏电造光伏呢？ 2、有太阳的地方没有水，有水的地方，海上/江山发电技术远没有成熟。 3、光伏应首选与水电联动存储，性价比最优，或者抽水储能，电化学储能，氢气储能是备选中的备选。 4、“光伏-氢-氢燃料电池-动力电池”的路可爱的有些可笑了，还不如直接变成“光伏-动力电池”的路。 5、燃料电池的制造难度和材料稀缺性远超锂电池。 因此，氢能源就好比“两弹一星”，是一个战略，不是随随便便一个锂电池企业能玩转的。 说明：资料来自维基百科、能源局、统计局、新华网等，转发注明出处。  EV : Solar to electric ready to use.Hydrogen Solar : Solar to electric to hydrogen to fuel cell To drive 1 mile with a hydrogen fuel cell car, you need about 20 grammes of hydrogen. This costs at least 1 kWh to make. To store the generated hydrogen in the tank, costs another 20% energy, so that makes 1,2 kWh per mile. A solar panel with 400 Wp takes 3-4 hours to make this amount of energy around noon. On a full day the panel will be making about 2,5 kWh. Suppose you have 20 of these panels and it's sunny summer day. Then you can generate 50 kWh - which enough for 40 miles - for a big roof with 20 panels. Just barely 2 miles per panel, per sunny summer's day. Btw. a BEV will do with 1/5 th of the energy, much more feasible, and safe. When you would burn hydrogen in a combustion engine, you'll need 3 times more than for a fuel cell car. No way that you can provide your own hydrogen for that. |
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