干貨 | 可再生能源電解水制氫儲(chǔ)能應(yīng)用前景廣闊
隨著“十四五”電力規(guī)劃的實(shí)施，我國(guó)正加速能源清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，脫碳減排需求日益增長(zhǎng)，在“3060雙碳”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，“十四五”期間風(fēng)電、光伏等可再生能源將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)，可再生能源將逐步替代傳統(tǒng)化石能源占據(jù)能源領(lǐng)域主導(dǎo)地位。
基于可再生能源發(fā)展不平衡的矛盾，及風(fēng)電、光伏等可再生能源波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決當(dāng)前大規(guī)模棄風(fēng)、棄光問(wèn)題的有效手段，開(kāi)發(fā)新型高效的儲(chǔ)能方式不僅可以進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)靈活性，也是解決我國(guó)可再生能源發(fā)電量過(guò)剩最根本的辦法。 氫能是一種理想的能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)，采用氫儲(chǔ)能技術(shù)可有效解決我國(guó)可再生能源消納及并網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)棄風(fēng)、棄光電力電解水制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氫轉(zhuǎn)換，合理利用棄風(fēng)、棄光能源，同時(shí)平抑可再生能源并網(wǎng)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能源的時(shí)空平移。 在低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的大背景下，“十四五”期間氫能產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)重要的機(jī)遇。 吉林風(fēng)光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究預(yù)計(jì)總裝機(jī)容量400MW，其中示范制氫10MW。 河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項(xiàng)目一期年底投產(chǎn)后可形成年制氫700.8萬(wàn)m3，是全球最大風(fēng)電制氫項(xiàng)目。 基于我國(guó)可再生能源制氫技術(shù)難題及氫能發(fā)展瓶頸，本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)可再生能源電解水制氫技術(shù)歸類整理，分別綜述風(fēng)電制氫、太陽(yáng)能制氫及風(fēng)光耦合制氫技術(shù)，總結(jié)各類規(guī)模化制氫技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)“雙碳目標(biāo)”及“十四五”氫能規(guī)劃要求，對(duì)我國(guó)“雙碳目標(biāo)”下可再生能源制取綠氫技術(shù)前景及趨勢(shì)進(jìn)行展望。 可再生能源制氫當(dāng)前主流技術(shù)是采用電解水制氫，即將棄風(fēng)、棄光能源所發(fā)電力接入電解槽電解制氫，并通過(guò)儲(chǔ)氫罐等設(shè)備存儲(chǔ)為后續(xù)氫燃料電池發(fā)電做備用。 其中，電解槽根據(jù)電解質(zhì)的不同主要可以分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽3種，3種電解制氫技術(shù)各指標(biāo)對(duì)比如表1所示。 表1 三種典型電解制氫技術(shù)對(duì)比 由表1可以看出:堿性電解槽技術(shù)相對(duì)比較成熟，可以應(yīng)用于大規(guī)模制氫，且工藝簡(jiǎn)單，成本低，但其難以快速啟動(dòng)及適應(yīng)變載，無(wú)法快速調(diào)節(jié)制氫速率，與可再生能源發(fā)電適配性較差。 質(zhì)子交換膜電解槽負(fù)荷范圍寬，運(yùn)行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網(wǎng)的波動(dòng)性，且冷啟動(dòng)時(shí)間相較于堿性電解水制氫技術(shù)快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動(dòng)的領(lǐng)域，但當(dāng)前技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)大的突破，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化制氫。 固體氧化物電解制氫技術(shù)應(yīng)用相較前者少的多，距離規(guī)?；茪鋺?yīng)用尚需相關(guān)材料和催化劑技術(shù)進(jìn)一步攻關(guān)，但其能耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)將使其在未來(lái)成為主流可再生能源規(guī)?；茪浼夹g(shù)，因此我國(guó)應(yīng)提前布局新興電解槽技術(shù)，攻關(guān)固體氧化物電解制氫技術(shù)難點(diǎn)。 在我國(guó)氫能市場(chǎng)中，堿性電解水制氫技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，被更加廣泛地應(yīng)用于各大型電解水制氫項(xiàng)目中。 近年來(lái)，因質(zhì)子交換膜電解槽運(yùn)行更加靈活且負(fù)載范圍寬的特性，國(guó)內(nèi)新建項(xiàng)目逐步轉(zhuǎn)為采用質(zhì)子交換膜技術(shù)耦合可再生能源發(fā)電進(jìn)行規(guī)?；茪?，因此，開(kāi)發(fā)新型電解槽技術(shù)，進(jìn)一步提高電解水制氫效率和穩(wěn)定性。 電解水制氫工藝近年來(lái)發(fā)展迅猛，不斷突破技術(shù)瓶頸，并有大批規(guī)模化電解制氫項(xiàng)目落地，為可再生能源電解制氫技術(shù)提供了實(shí)踐支撐。目前國(guó)內(nèi)可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術(shù)為主，國(guó)外質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)應(yīng)用實(shí)例較多。 加拿大20MW項(xiàng)目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)氫8640kg，該項(xiàng)目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設(shè)備。 丹麥1.2MW項(xiàng)目采用就地制氫的方案，在風(fēng)電場(chǎng)附近建立制氫、儲(chǔ)氫、氫氣管道輸出一體化電解水制氫站，用于制取綠氫及配合可再生能源風(fēng)電消納，同樣采用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。 因此，本文建議：我國(guó)應(yīng)重視質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜電解槽的催化劑技術(shù)、雙極板材料、膜電極等關(guān)鍵技術(shù)和部件的研發(fā)和制造技術(shù)，通關(guān)提高催化劑效率降低質(zhì)子交換膜電解水制氫成本，通過(guò)研發(fā)制造更高性能的雙極板材料提高質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命。 目前，我國(guó)電解水裝置的安裝總量在 1500-2000套左右，電解水制氫年產(chǎn)量約9億m3，堿性電解水技術(shù)占絕對(duì)主導(dǎo)地位。 目前，國(guó)內(nèi)堿性電解水設(shè)備的單臺(tái)產(chǎn)能最大可達(dá)1000m3/h，電解水設(shè)備制造廠家主要有中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司及蘇州競(jìng)立制氫設(shè)備有限公司等。 傳統(tǒng)的電解水制氫在發(fā)電環(huán)節(jié)多采用火電，伴隨著大量碳排放，而可再生能源制氫采用的是風(fēng)電、光電等能源，是真正意義上的綠氫制取技術(shù)。 下面分別以2類典型可再生能源制氫技術(shù)展開(kāi)，介紹其基本原理與系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和參考。 1）風(fēng)電制氫技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)根據(jù)與電網(wǎng)連接情況可以分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)，目前我國(guó)離網(wǎng)條件下風(fēng)電耦合制氫技術(shù)尚處于起步階段，大多采用并網(wǎng)型風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能變流器(PCS)能量轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐等部分。 圖1 風(fēng)電并網(wǎng)制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從已有研究可知，風(fēng)電資源用于大規(guī)模制氫及提高風(fēng)電消納在經(jīng)濟(jì)效益上是完全可行的，且全過(guò)程近乎零碳排放，無(wú)污染，因此，風(fēng)電制氫技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。 此外，遠(yuǎn)海風(fēng)力資源豐富，可用于發(fā)展更大裝機(jī)容量的風(fēng)電場(chǎng)，國(guó)外學(xué)者LloydJames等人提出整合電解制氫與海上風(fēng)電資源，將電解制氫裝置集成到海上風(fēng)電發(fā)電項(xiàng)目中，防止海上風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)與陸地連接點(diǎn)之間所產(chǎn)生的運(yùn)輸損失和因電力轉(zhuǎn)換而造成的能源損失。 國(guó)內(nèi)學(xué)者邵志芳等人對(duì)我國(guó)某地海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模化制氫進(jìn)行了可行性綜合評(píng)價(jià)，提出海上風(fēng)電規(guī)模化制氫具有很好的社會(huì)前景。 國(guó)內(nèi)外大批風(fēng)電制氫項(xiàng)目的落地也為風(fēng)電制氫技術(shù)提供了工程支撐。 2014年，國(guó)家863項(xiàng)目“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范”啟動(dòng)，該項(xiàng)目中制氫功率為100kW，燃料電池發(fā)電為30kW。 同年，“氫儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用研究”項(xiàng)目啟動(dòng)，該項(xiàng)目涉及30kW光伏模擬模塊，2m3/h堿性電解水制氫、16m3固態(tài)金屬合金儲(chǔ)氫以及10kW質(zhì)子交換膜燃料電池模塊。 2015年，河北建投新能源展開(kāi)中德合作項(xiàng)目沽源風(fēng)電制氫項(xiàng)目，該項(xiàng)目投建10MW電解水制氫系統(tǒng)配合200MW風(fēng)電場(chǎng)制氫，具有年制氫1752萬(wàn)m3的生產(chǎn)能力。 因此，風(fēng)電制氫技術(shù)將在我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的道路上起到至關(guān)重要的作用，不僅可提供大量氫能源，還副產(chǎn)多種有直接經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品，風(fēng)電制氫技術(shù)對(duì)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。 2）光伏發(fā)電制氫技術(shù) 光伏發(fā)電制氫即將太陽(yáng)能面板轉(zhuǎn)化的電能供給電解槽系統(tǒng)電解水制氫，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)類似風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)。其中，光伏發(fā)電技術(shù)主要是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，光伏發(fā)電的主要核心元件是太陽(yáng)能電池，其他還包含有蓄電池組、控制器等元件，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 隨著我國(guó)可再生能源的迅猛發(fā)展及國(guó)家政策的大力支持，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)及建設(shè)規(guī)模已達(dá)世界領(lǐng)先水平，光伏發(fā)電成本持續(xù)下降，因此在我國(guó)能源清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，光伏+氫的組合將在脫碳減排工作中扮演不可或缺的角色。 在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)政策積極推動(dòng)了相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施落地。 鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗納日松光伏制氫產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目配置了40萬(wàn)kW光伏、1萬(wàn)t/a電解水制氫、8~10座35MPa加氫站和500輛氫能重卡，該項(xiàng)目被列入內(nèi)蒙古自治區(qū)2021年度風(fēng)光氫一體化示范項(xiàng)目清單，有望助力內(nèi)蒙地區(qū)加速碳中和進(jìn)程。 2021年，凱豪達(dá)氫自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一期制氫項(xiàng)目光伏制氫與燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)裝置，完成調(diào)試驗(yàn)收工作，該裝置由太陽(yáng)能光伏發(fā)電、電解水制氫、儲(chǔ)氫罐、燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)組成，不僅能解決新能源消納問(wèn)題，還能為偏遠(yuǎn)地區(qū)供熱供電，對(duì)天然氣摻氫的應(yīng)用場(chǎng)景也有重要的示范作用。 3）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫技術(shù)/多能耦合發(fā)電制氫 眾多研究案例表明，在發(fā)電機(jī)組容量相同時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于單一含有風(fēng)電或光伏發(fā)電制氫的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 風(fēng)光互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫裝置及氫能儲(chǔ)存和利用系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體框架如圖3所示。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫技術(shù)展開(kāi)了研究，并開(kāi)始探索更多可再生能源實(shí)現(xiàn)多能耦合制氫系統(tǒng)的可行性。 2018年，蔣康樂(lè)提出了一種風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫系統(tǒng)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)方法，認(rèn)為風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫系統(tǒng)在不同地區(qū)的利用對(duì)光照和風(fēng)力資源曲線的重視度不同。 2019年，陳建明等人分析了應(yīng)用氫儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)解決能源發(fā)展中棄風(fēng)棄光問(wèn)題的可行性，提出可再生能源制氫儲(chǔ)能技術(shù)可最大程度避免能源浪費(fèi)，風(fēng)光互補(bǔ)制氫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究對(duì)我國(guó)能源清潔化轉(zhuǎn)型及脫碳減排進(jìn)程具有極大促進(jìn)作用。 總體來(lái)看，多能互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫將會(huì)是氫儲(chǔ)能領(lǐng)域的未來(lái)趨勢(shì)，相關(guān)學(xué)者應(yīng)深入研究，探索并推廣更低成本的風(fēng)光互補(bǔ)制氫技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程，保障國(guó)家能源安全。 結(jié)論與期望 氫能源是未來(lái)可以同時(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的綠色能源，是未來(lái)能源的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)風(fēng)光等可再生能源電解水制氫儲(chǔ)能可以極大地提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，且?guī)缀鯚o(wú)污染排放，是一種應(yīng)用前景廣闊的儲(chǔ)能形式。 本文通過(guò)對(duì)電解制氫技術(shù)及典型可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)行了深入分析及綜述，分析得出目前我國(guó)可再生能源制氫技術(shù)處于加速發(fā)展階段，但相較德國(guó)、日本等國(guó)家，我國(guó)可再生能源制氫技術(shù)仍面臨諸多屏障，如光伏、風(fēng)電制氫系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光伏面板轉(zhuǎn)換效率、抗風(fēng)電大范圍擾動(dòng)的電解槽設(shè)計(jì)技術(shù)、更高安全性的儲(chǔ)氫設(shè)備等有待進(jìn)一步突破。 因此本文總結(jié)以下結(jié)論:
寧夏寶豐“太陽(yáng)能電解水制氫綜合示范項(xiàng)目”引進(jìn)單套產(chǎn)能1000m3/h的電解槽設(shè)備，綠氫綜合制造成本為0.7元/m3，裝置年產(chǎn)2億m3氫氣+1億m3氧氣。電解水制氫氣技術(shù)及現(xiàn)狀
可再生能源制氫技術(shù)分類
2017年，楊衛(wèi)華等人針對(duì)不同應(yīng)用規(guī)模下風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出需結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)地點(diǎn)氣候環(huán)境，考慮風(fēng)機(jī)、光伏面板參數(shù)特性合理分配容量才可以最大化風(fēng)光資源利用率。