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可再生能源电解水制氢储能应用前景广阔

引言

随着十四五电力规划的实施,我国正加速能源清洁化转型进程,脱碳减排需求日益增长,在“3060双碳战略指导下,十四五期间风电、光伏等可再生能源将迎来爆发式增长,可再生能源将逐步替代传统化石能源占据能源领域主导地位。基于可再生能源发展不平衡的矛盾,及风电、光伏等可再生能源波动性和间歇性特点,配置储能系统是解决当前大规模弃风、弃光问题的有效手段,开发新型高效的储能方式不仅可以进一步提高电力系统灵活性,也是解决我国可再生能源发电量过剩最根本的办法。氢能是一种理想的能量储存介质,采用氢储能技术可有效解决我国可再生能源消纳及并网稳定性问题。通过弃风、弃光电力电解水制氢技术实现电氢转换,合理利用弃风、弃光能源,同时平抑可再生能源并网波动,实现能源的时空平移。 在低碳发展和能源转型的大背景下,十四五期间氢能产业将迎来重要的机遇。

宁夏宝丰太阳能电解水制氢综合示范项目引进单套产能1000m³/h的电解槽设备,绿氢综合制造成本为0.7/m³,装置年产2亿氢气+1亿氧气。吉林风光电结合海水制氢技术前期研究预计总装机容量400MW,其中示范制氢10MW河北沽源风电制氢综合利用示范项目一期年底投产后可形成年制氢700.8,是全球最大风电制氢项目。

基于我国可再生能源制氢技术难题及氢能发展瓶颈,本文通过分析国内外可再生能源制氢技术现状,对可再生能源电解水制氢技术归类整理,分别综述风电制氢、太阳能制氢及风光耦合制氢技术,总结各类规模化制氢技术特点,结合我国双碳目标十四五氢能规划要求,对我国双碳目标下可再生能源制取绿氢技术前景及趋势进行展望。

电解水制氢气技术及现状 

可再生能源制氢当前主流技术是采用电解水制氢,即将弃风、弃光能源所发电力接入电解槽电解制氢,并通过储氢罐等设备存储为后续氢燃料电池发电做备用。其中,电解槽根据电解质的不同主要可以分为碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽3种,3种电解制氢技术各指标对比如表1所示。

1 三种典型电解制氢技术对比 

由表1可以看出:碱性电解槽技术相对比较成熟,可以应用于大规模制氢,且工艺简单,成本低,但其难以快速启动及适应变载,无法快速调节制氢速率,与可再生能源发电适配性较差。质子交换膜电解槽负荷范围宽,运行更加灵活,更适用于平抑可再生能源并网的波动性,且冷启动时间相较于碱性电解水制氢技术快一倍以上,适用于交通、航空等需要快速启动的领域,但当前技术还未实现大的突破,难以实现大规模商业化制氢。固体氧化物电解制氢技术应用相较前者少的多,距离规模化制氢应用尚需相关材料和催化剂技术进一步攻关,但其能耗低、能量转换效率高的优点将使其在未来成为主流可再生能源规模化制氢技术,因此我国应提前布局新兴电解槽技术,攻关固体氧化物电解制氢技术难点。在我国氢能市场中,碱性电解水制氢技术占据着主导地位,被更加广泛地应用于各大型电解水制氢项目中。

近年来,因质子交换膜电解槽运行更加灵活且负载范围宽的特性,国内新建项目逐步转为采用质子交换膜技术耦合可再生能源发电进行规模化制氢,因此,开发新型电解槽技术,进一步提高电解水制氢效率和稳定性。电解水制氢工艺近年来发展迅猛,不断突破技术瓶颈,并有大批规模化电解制氢项目落地,为可再生能源电解制氢技术提供了实践支撑。目前国内可再生能源电解制氢以碱性电解水制氢技术为主,国外质子交换膜电解制氢技术应用实例较多。

加拿大20MW项目作为全球最大的质子交换膜电解水制氢项目可实现日产氢8640kg,该项目所采用的即为5MW质子交换膜电解水制氢设备。丹麦1.2MW项目采用就地制氢的方案,在风电场附近建立制氢、储氢、氢气管道输出一体化电解水制氢站,用于制取绿氢及配合可再生能源风电消纳,同样采用的质子交换膜电解水制氢技术。

因此,本文建议:我国应重视质子交换膜电解水制氢技术的发展,重点突破质子交换膜电解槽的催化剂技术、双极板材料、膜电极等关键技术和部件的研发和制造技术,通关提高催化剂效率降低质子交换膜电解水制氢成本,通过研发制造更高性能的双极板材料提高质子交换膜电解槽的使用寿命。

目前,我国电解水装置的安装总量在 1500-2000套左右,电解水制氢年产量约9亿,碱性电解水技术占绝对主导地位。国内碱性电解水设备的单台产能最大可达1000m³/h,电解水设备制造厂家主要有中国船舶重工集团公司第七一八研究所、天津市大陆制氢设备有限公司及苏州竞立制氢设备有限公司等。

可再生能源制氢技术分类

传统的电解水制氢在发电环节多采用火电,伴随着大量碳排放,而可再生能源制氢采用的是风电、光电等能源,是真正意义上的绿氢制取技术。下面分别以2类典型可再生能源制氢技术展开,介绍其基本原理与系统架构,并总结国内外学者研究现状,对我国可再生能源制氢技术进一步发展提供借鉴和参考。

1)风电制氢技术

风力发电制氢系统根据与电网连接情况可以分为并网型风电制氢系统和离网型风电制氢系统,目前我国离网条件下风电耦合制氢技术尚处于起步阶段,大多采用并网型风电耦合制氢系统,整体系统结构如图1所示,包括风力发电机组、储能变流器(PCS)能量转换及控制系统、电解槽制氢模块、氢气压缩机、高压储氢罐等部分。

 

1 风电并网制氢系统结构图

从已有研究可知,风电资源用于大规模制氢及提高风电消纳在经济效益上是完全可行的,且全过程近乎零碳排放,无污染,因此,风电制氢技术具有很好的应用前景。此外,远海风力资源丰富,可用于发展更大装机容量的风电场,国外学者LloydJames等人提出整合电解制氢与海上风电资源,将电解制氢装置集成到海上风电发电项目中,防止海上风力涡轮发电机与陆地连接点之间所产生的运输损失和因电力转换而造成的能源损失。 

国内学者邵志芳等人对我国某地海上风电场规模化制氢进行了可行性综合评价,提出海上风电规模化制氢具有很好的社会前景。国内外大批风电制氢项目的落地也为风电制氢技术提供了工程支撑。 

2014年,国家863项目风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范启动,该项目中制氢功率为100kW,燃料电池发电为30kW同年,氢储能关键技术及其在新能源接入中的应用研究项目启动,该项目涉及30kW光伏模拟模块,2m³/h碱性电解水制氢、16m³固态金属合金储氢以及10kW质子交换膜燃料电池模块。2015年,河北建投新能源展开中德合作项目沽源风电制氢项目,该项目投建10MW电解水制氢系统配合200MW风电场制氢,具有年制氢1752的生产能力。因此,风电制氢技术将在我国实现双碳目标的道路上起到至关重要的作用,不仅可提供大量氢能源,还副产多种有直接经济效益的产品,风电制氢技术对未来产业发展意义重大。 

2)光伏发电制氢技术

光伏发电制氢即将太阳能面板转化的电能供给电解槽系统电解水制氢,系统整体结构类似风力发电制氢系统。其中,光伏发电技术主要是基于半导体的光电效应,光伏发电的主要核心元件是太阳能电池,其他还包含有蓄电池组、控制器等元件,系统整体结构如图2所示。

2 光伏发电制氢系统结构图

随着我国可再生能源的迅猛发展及国家政策的大力支持,光伏发电相关技术及建设规模已达世界领先水平,光伏发电成本持续下降,因此在我国能源清洁化转型进程中,光伏+氢的组合将在脱碳减排工作中扮演不可或缺的角色。 在现有理论研究基础上,国内政策积极推动了相关项目的实施落地。 

鄂尔多斯市准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目配置了40kW光伏、1t/a电解水制氢、8~1035MPa加氢站和500辆氢能重卡,该项目被列入内蒙古自治区2021年度风光氢一体化示范项目清单,有望助力内蒙地区加速碳中和进程。2021年,凯豪达氢自主设计生产的一期制氢项目光伏制氢与燃料电池热电联供系统装置,完成调试验收工作,该装置由太阳能光伏发电、电解水制氢、储氢罐、燃料电池热电联供系统组成,不仅能解决新能源消纳问题,还能为偏远地区供热供电,对天然气掺氢的应用场景也有重要的示范作用。 

3)风光互补发电制氢技术/多能耦合发电制氢 

众多研究案例表明,在发电机组容量相同时,风光互补发电制氢储能系统相较于单一含有风电或光伏发电制氢的系统具有以下优点:

利用风能、太阳能的互补性,可以获得比较稳定的输出,系统有较高的稳定性和可靠性;

在保证同样供电的情况下,可大大减少储能蓄电池的容量;

通过合理地设计与匹配,可以基本上由风光互补发电系统供电,很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等,可获得较好的社会效益和经济效益,符合脱碳减排理念。因此,多种可再生能源互补耦合发电制氢将是我国实现双碳目标的重要手段。风光互补耦合发电制氢系统由风力发电系统、太阳能发电系统、电解制氢装置及氢能储存和利用系统组成,系统总体框架如图3所示。

近年来,国内学者开始针对风光互补耦合发电制氢技术展开了研究,并开始探索更多可再生能源实现多能耦合制氢系统的可行性。 

2017年,杨卫华等人针对不同应用规模下风光互补发电储能系统进行了优化设计,提出需结合系统建设地点气候环境,考虑风机、光伏面板参数特性合理分配容量才可以最大化风光资源利用率。2018年,蒋康乐提出了一种风光互补联合制氢系统的环境效益评价方法,认为风光互补联合制氢系统在不同地区的利用对光照和风力资源曲线的重视度不同。2019年,陈建明等人分析了应用氢储能技术来解决能源发展中弃风弃光问题的可行性,提出可再生能源制氢储能技术可最大程度避免能源浪费,风光互补制氢系统技术领域的相关研究对我国能源清洁化转型及脱碳减排进程具有极大促进作用。

总体来看,多能互补耦合发电制氢将会是氢储能领域的未来趋势,相关学者应深入研究,探索并推广更低成本的风光互补制氢技术,促进我国能源转型进程,保障国家能源安全。 

结论与期望

氢能源是未来可以同时解决能源危机和环境污染问题的绿色能源,是未来能源的发展趋势。通过风光等可再生能源电解水制氢储能可以极大地提高电力系统安全稳定性,且几乎无污染排放,是一种应用前景广阔的储能形式。 

本文通过对电解制氢技术及典型可再生能源制氢技术进行了深入分析及综述,分析得出目前我国可再生能源制氢技术处于加速发展阶段,但相较德国、日本等国家,我国可再生能源制氢技术仍面临诸多屏障,如光伏、风电制氢系统中风机结构设计、光伏面板转换效率、抗风电大范围扰动的电解槽设计技术、更高安全性的储氢设备等有待进一步突破。 

因此本文总结以下结论:

我国应积极布局可再生能源发电与氢储能系统结合,加大风电、光伏等可再生能源制氢的电力电子装置研究,从底层优化制氢效率。

探索新型多能互补耦合制氢技术及协同控制策略,在可再生能源丰富的地方充分利用当地资源,就地制氢储能,减少电力能源远距离输送所产生的损失。

开发新型电解槽,设计改进电解槽催化剂结构,减少对贵金属的使用,突破电解制氢技术成本瓶颈。


文章来源:李建林,李光辉,梁丹曦,马速良.“双碳目标下可再生能源制氢技术综述及前景展望[J].分布式能源,2021,6(05):1-9.DOI:10.16513/j.2096-2185.de.2106528.

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