風電耦合電解水制氫技術(shù)研究

田江南，羅 揚

(1. 中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120；2. 香港城市大學物理學系，中國香港 999077)

0 引言

氫能具有資源豐富、來源多樣、潔凈環(huán)保、單位質(zhì)量熱值高和應(yīng)用場景豐富等特點而備受關(guān)注，近年來成為能源領(lǐng)域的一大熱點。氫能被稱為21世紀的終極能源，已被美國、日本和德國等國家提升至國家戰(zhàn)略高度[1]。韓國政府希望將韓國打造成為世界最高水平的氫能經(jīng)濟領(lǐng)先國家，到21世紀中葉，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造43萬億韓元的年附加值和42萬個就業(yè)崗位。歐盟預(yù)計到2050年，氫能的大力發(fā)展將使世界的碳排放量減少80%；整個氫能行業(yè)可為歐洲提供540萬個高技能就業(yè)崗位；研究顯示，通過大力發(fā)展氫能，歐盟將減少碳排放量5.6億t，氮氧化物排放將減少15%[2-3]。

我國已具備產(chǎn)業(yè)化的初步條件，地方政府和氫能行業(yè)具有很高的發(fā)展積極性。目前珠三角、長三角和京津冀區(qū)域的發(fā)展勢頭強勁，氫能逐漸成為資本和行業(yè)競逐的新領(lǐng)域。2019年，我國的水電、風電和光伏發(fā)電平均利用率有很大提升，分別達到97%、96%和98%。雖然棄電率有了大幅度的下降，但隨著全國可再生能源總裝機容量的增長，新能源發(fā)電的棄電總量還是很可觀的。因此，必須保障可再生能源的健康持續(xù)發(fā)展[4]。根據(jù)我國風電產(chǎn)業(yè)的中長期規(guī)劃，截止到2050年底我國風電總裝機容量將達到1 000 GW，但風電限電上網(wǎng)一直是一個大問題。我國的風電裝機容量主要集中在三北地區(qū)和東部沿海地區(qū)，風電設(shè)施一般都是規(guī)?；薪ㄔO(shè)，這就導致這些區(qū)域的風電可上網(wǎng)量遠遠大于電網(wǎng)的可接納量。另外，風電具有間歇性、隨機性和波動性的特點，而電網(wǎng)對于并網(wǎng)風電的品質(zhì)著較高的要求。因此，這些風資源集中的區(qū)域可能會出現(xiàn)大量棄風現(xiàn)象。發(fā)展風電制氫技術(shù)有利于解決風電就地消納問題，有利于實現(xiàn)分散式風力發(fā)電技術(shù)的規(guī)?；?、實現(xiàn)風電的多途徑高效利用。風電與制氫技術(shù)耦合，既可將氫氣作為清潔燃氣對用戶供氣，實現(xiàn)電力到燃氣的互補轉(zhuǎn)換，也可將氫能直接利用在電力、化工和汽車等領(lǐng)域。

1 主要氫氣制備技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，世界制氫總量約保持在3 400 t/d，其中我國的制氫量約為 1 320 t/d。從世界角度來看，96%以上的制氫原料都來自化石原料的化學重整，其余基本來源于電解水制氫。氫氣可從多種途徑制備，制氫技術(shù)大多數(shù)較成熟，每種制氫工藝的成本及環(huán)保程度均不相同。目前新型制氫技術(shù)主要包括生物法制氫、生物質(zhì)熱解制氫和光催化分解水制氫等。傳統(tǒng)工業(yè)制氫技術(shù)主要包括煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫等[5]。

1.1 新型制氫技術(shù)

生物法制氫是通過微生物代謝產(chǎn)氫，如微生物通過厭氧發(fā)酵和光合生物通過光合作用產(chǎn)生氫氣，但是制氫產(chǎn)率和穩(wěn)定性較低，大規(guī)模生產(chǎn)的可能性受到限制；生物質(zhì)熱解制氫主要是將生物質(zhì)中的有機物組分通過熱解過程轉(zhuǎn)化為合成氣(CO、H2)。為提高氫氣產(chǎn)量，可將反應(yīng)得到的CO再與H2O反應(yīng)制取H2和CO2；光催化分解水制氫是一種較理想的制氫技術(shù)：它是直接利用太陽能來分解水制取H2，不消耗除太陽能以外的其他能源。這種技術(shù)對環(huán)境無污染，但是以目前技術(shù)水平較難實現(xiàn)。

1.2 傳統(tǒng)制氫技術(shù)

傳統(tǒng)煤制氫的原理是利用C取代水中的H生成CO2、H2，或通過煤的焦化(或稱高溫干餾)和煤的氣化生成H2和其他煤氣成分。天然氣制氫的原料為CH4和水，首先對CH4進行增壓和預(yù)熱，然后通入蒸汽反應(yīng)得到H2。目前，煤制氫是世界上最成熟、成本最低的制氫工藝，其成本約為天然氣制氫的七成[6]。電解水制氫是在直流電的作用下，通過電解作用將H2O電解為 H2與 O2。

2 風力發(fā)電與電解水制氫 合技術(shù)研究進展

根據(jù)隔膜不同，可將電解水制氫技術(shù)分為三種：堿水電解、質(zhì)子交換膜水電解和固體氧化物水電解。堿水電解制氫的電耗一般為4.5～5.5 kWh/Nm3[7]。電解水制氫的原料為水，生產(chǎn)過程幾乎不產(chǎn)生廢棄物，相對來說是一種綠色環(huán)保的制氫技術(shù)。隨著電解水制氫技術(shù)逐漸成熟，其發(fā)展的道路會越來越寬闊。KOH或NaOH的水溶液作為堿水電解技術(shù)的電解質(zhì)，隔膜一般采用石棉布，在直流電的作用下，水電解會生成H2與O2。堿水電解技術(shù)最早于20世紀中期就實現(xiàn)了工業(yè)化。該技術(shù)是較成熟、成本也最低的電解水制氫技術(shù)，設(shè)備運行壽命可達15年。質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane, PEM)作為固體聚合物電解質(zhì)(solid polymer electrolyte, SPE)水電解技術(shù)的隔膜，因而也被稱為PEM電解。質(zhì)子交換膜水電解制氫的電耗一般為4.5～7.5 kWh/Nm3[8]。以質(zhì)子交換膜替代石棉膜傳導質(zhì)子，而且質(zhì)子交換膜起到隔絕電極兩側(cè)的氣體的作用，避免了堿水電解使用強堿性液體電解質(zhì)所帶來的缺點。但是PEM電解設(shè)備造價高，限制在工程上的廣泛應(yīng)用。固體氧化物作為固體氧化物水電解技術(shù)(solid oxide electrolysis cell, SOEC)的電解質(zhì)材料，在600～1 000℃溫度下工作，利用熱量進行電氫轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)的優(yōu)點是具有能量轉(zhuǎn)化效率高且不需要使用貴金屬催化劑，但是這種技術(shù)的缺點是制氫所需溫度較高，不安全因素較多[9]。

間歇性和隨機性是風力發(fā)電系統(tǒng)的兩大特點，在這種條件下制氫對電解水制氫系統(tǒng)的要求為：在不穩(wěn)定供電條件下具有安全、可靠和高效制氫的能力。換句話說，電解水制氫系統(tǒng)應(yīng)具有良好的寬功率波動適用性。有研究表明，風力發(fā)電的功率是迅速變化的，堿水電解槽的負荷能夠迅速地匹配上風速的變化，響應(yīng)時間小于1 s。而且，堿水電解槽的運行負荷范圍比較寬，介于10%～100%都可穩(wěn)定運行[10]。堿水電解技術(shù)與質(zhì)子交換膜電解、固體氧化物電解技術(shù)相比，具有技術(shù)簡單、應(yīng)用成熟、動態(tài)響應(yīng)時間較短的優(yōu)點，因此適用于風力發(fā)電制氫系統(tǒng)[11]。

風力發(fā)電制氫產(chǎn)生的氫氣如何消納的問題也有很多研究。如果風電場和用氫市場的距離比較遠，可采用就地式制氫模式(即在氫氣需求端制氫、風電直供方式)。這種方式的經(jīng)濟性優(yōu)于分布式制氫方式(即在風電場制氫用管道或者車輛運輸至氫氣需求端)。如果在風電制氫項目建設(shè)地區(qū)的氫氣需求量不足，氫氣也可以接入天然氣管網(wǎng)供給燃氣用戶，這就需要實施一些優(yōu)惠政策才能保證風電制氫項目的經(jīng)濟性。因此風電制氫示范項目應(yīng)選擇氫氣需求相對較高或者當?shù)卣畬錃庥泄膭钚哉叩牡貐^(qū)，做好可行性研究等前期工作[12]。

3 風力發(fā)電與電解水制氫 合模式研究

風電制氫系統(tǒng)大體上分為：并網(wǎng)棄電制氫、孤網(wǎng)運行制氫和非并網(wǎng)運行制氫三種方式。因為固定投資較少，目前來說并網(wǎng)運行的風電制氫模式是最經(jīng)濟的。但是并網(wǎng)棄電制氫主要目的是發(fā)電，本文暫不討論。孤網(wǎng)運行制氫可分為有儲能裝置和無儲能裝置兩種方式。有研究對孤網(wǎng)運行的風電制氫系統(tǒng)進行了財務(wù)分析，分析表明風電制氫成本在2.8～6.2歐元/kg區(qū)間內(nèi)。風電制氫敏感性分析表明電解水制氫設(shè)備數(shù)量和風機數(shù)量對制氫成本影響很大。非并網(wǎng)運行主要依靠外界電網(wǎng)對負荷進行功率補償，它的缺點主要體現(xiàn)在風電制氫系統(tǒng)需頻繁與外界電網(wǎng)進行交互作用。

類似的研究，Hamanea等人研究表明，阿爾及利亞地區(qū)某風場開展了一個孤網(wǎng)型10 kW風機耦合5 kW堿水電解制氫裝置的示范性項目。阿爾及利亞項目的十月和十一月平均風速最低，風電制氫產(chǎn)量在那兩個月份處于最低水平；五月份風速達到最大，風電制氫產(chǎn)量同時也達到了最大值400 Nm3/月。而且研究還顯示，隨著風力發(fā)電機葉輪輪轂高度的變化，年制氫量也會隨之變化。在輪轂高度從10 m增加到30 m時制氫量發(fā)生了顯著變化，制氫產(chǎn)量增加了 1 600 Nm3/a。當輪轂高度大于 30 m 時，隨輪轂高度的增加年制氫量增加的幅度逐漸放緩[13]。

基于電解水制氫，考慮氫氣終端的市場應(yīng)用需求，從不同角度分析電解水制氫設(shè)備與風電機組耦合模式，本文例舉三種風電制氫模式。模式一“孤網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”；模式二“孤網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備+儲能設(shè)施”；模式三“非并網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”。以三種風電制氫模式能獲得一定的的氫產(chǎn)量為分析標準。一定的氫產(chǎn)量，也就意味著電解水制氫裝置的出力是一定的，變量為風機容量、儲能設(shè)施的有無及容量、是否從網(wǎng)上購電。

3.1 模式一“孤網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”

此模式下風力發(fā)電機與外界電網(wǎng)不相連。風力發(fā)電機所發(fā)電量部分用來制氫，而且沒有儲能設(shè)備來平抑風力發(fā)電的波動性。由于此模式下制氫系統(tǒng)在10%～100%的出力范圍內(nèi)運行，當風速低于某一值時電解水制氫設(shè)備無法啟動，造成風電的浪費。由于風機容量過高，當風機滿發(fā)時電解水制氫設(shè)備也不能完全接納風機所發(fā)的電量。也就是說，此模式不能完全利用風力發(fā)電機所發(fā)的電，因此為達到一定的氫產(chǎn)量需匹配的風機數(shù)量最多。此模式下制氫系統(tǒng)長期在一個不穩(wěn)定的負荷下運行會導致制氫設(shè)備的壽命縮短，而且對氫氣純度和系統(tǒng)的安全性造成一定影響[14]。

3.2 模式二“孤網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備+儲能設(shè)施”

此模式下風力發(fā)電機與外界電網(wǎng)不相連。與模式一不同的是此模式有儲能設(shè)施來平抑風電的波動性。由于升壓站和制氫系統(tǒng)都需要儲能裝置，對于孤網(wǎng)運行方案，可以設(shè)置一套儲能裝置，來替代升壓站的蓄電池并兼顧解決制氫系統(tǒng)的供電要求。由于儲能設(shè)施的容量有限，不能做到儲存全部的風電。因此，儲能裝置容量的選擇可考慮兩種方案：一種是當風力發(fā)電機組全停時，能滿足制氫裝置安全停機用電需求；一種是風電機組總?cè)萘亢椭茪溲b置總?cè)萘恐睢?/p>

由于提高風電的利用率，需匹配的風機數(shù)量中等，電解水制氫系統(tǒng)可在較穩(wěn)定的負荷下運行，安全可靠。由于此模式設(shè)置了儲能設(shè)施，固定投資大于模式一，但是從長期安全穩(wěn)定運行的角度考慮此模式優(yōu)于模式一。此外，利用儲能技術(shù)平抑風電的波動性已經(jīng)成為趨勢，隨著超導儲能和超級電容的快速發(fā)展，可靠的儲能技術(shù)具備了精確化和規(guī)?；?。目前新型儲能系統(tǒng)已經(jīng)能夠快速充放電，電能轉(zhuǎn)化效率可達90%以上，可靈活平抑風電波動的特性[15]。

3.3 模式三“非并網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”

此模式風力發(fā)電機與外界電網(wǎng)相連，但是風電不上網(wǎng)，僅通過購電制氫。此模式需匹配的風機數(shù)量最少，沒有儲能設(shè)施，固定投資最少。但為了保證制氫系統(tǒng)穩(wěn)定運行需從電網(wǎng)購電，運行費用是三種匹配模式里最高的。非并網(wǎng)運行制氫雖然僅能改善風電短時間的波動特性，但是很難應(yīng)對長時間的波動。另外，使用不當會對外界電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護造成嚴重損耗，而且也會增加外界電網(wǎng)系統(tǒng)功率損耗。

總的來說，模式一理論上可以實現(xiàn)，但是工程落地對設(shè)備和控制策略要求很高；模式二制得的氫屬于“綠氫”，即利用可再生能源制氫過程中無CO2排放；模式三由于利用了部分市電，制得的氫屬于“灰氫”或“藍氫”，違背了新能源制氫的初衷。

4 結(jié)論

氫氣是一種清潔能源已經(jīng)受到了全世界的關(guān)注，新能源制氫的的優(yōu)勢也越來越明顯。本文通過分析得出以下結(jié)論：由于成本較低，煤氣化制氫是世界上的主流制氫方式，一些新型制氫技術(shù)也正在研發(fā)過程中。電解水制氫目前的工藝技術(shù)比較成熟，但是制氫成本目前仍然較高，小規(guī)模應(yīng)用較多。新能源制氫這種可循環(huán)發(fā)展的環(huán)保制氫理念越來越受人推崇。目前用棄風、棄光和棄水電制氫的項目較多，但是新能源發(fā)電孤網(wǎng)運行制氫的項目僅有少數(shù)幾個示范項目。本文主要對風機和電解水制氫耦合的運行模式做了論述，得出采用“孤網(wǎng)運行：風力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備+儲能設(shè)施”模式進行匹配在技術(shù)上更加合理。此模式的固定投資較高，投資回收期也較長。但是此模式符合“綠氫”的理念，從可持續(xù)發(fā)展的角度看是值得推廣的。

在以后的研究中可從以下方面入手：降低電解水制氫設(shè)備造價、改進電解水制氫設(shè)備對不穩(wěn)定電源的適應(yīng)性、優(yōu)化新能源制氫系統(tǒng)容量匹配模式、提升氫能下游市場活躍性，政策上也需進一步明確氫能屬性并給與支持。后續(xù)工作也可對三種匹配模式的財務(wù)生存能力進行系統(tǒng)評估，進一步深化風電制氫的可行性研究。