西北地區(qū)寬功率光伏離網(wǎng)制氫技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展前景

劉傳亮， 郭萬(wàn)貴， 孔心璇， 張 華， 李振亞， 郭嘉靖， 邊文杰

（1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；2.國(guó)家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000；3.中電投新疆能源化工集團(tuán)達(dá)坂城風(fēng)電有限公司，烏魯木齊 830000）

近年來(lái)，隨著清潔高效能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電的裝機(jī)容量不斷增加，光伏發(fā)電技術(shù)也日趨成熟，但同時(shí)其也面臨兩大難題：（1）電能品質(zhì)差，電網(wǎng)調(diào)度難度大。無(wú)規(guī)律的光照資源導(dǎo)致光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和階段性等問(wèn)題。（2）電能存儲(chǔ)較難，傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能及物理儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法滿足能量大量存儲(chǔ)和未來(lái)純綠色能源的發(fā)展需求。而氫作為一種清潔能源，具有能量密度高、容量大、壽命長(zhǎng)、便于儲(chǔ)存和傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，因而成為光伏規(guī)?；茪淅谩?chǔ)存的優(yōu)選方案［1-3］。通過(guò)電解水制氫可有效增強(qiáng)光伏發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力，并將棄光棄電轉(zhuǎn)化為氫能存儲(chǔ)起來(lái)，產(chǎn)生的氫氣可應(yīng)用于以下場(chǎng)景：融入現(xiàn)有的燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)絡(luò)，或者用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電力到燃?xì)獾幕パa(bǔ)轉(zhuǎn)化；用于化工制品如提煉原油，人造黃油、食用油等產(chǎn)品的脂肪氫化，或者合成氨、合成甲醇；用于航天工業(yè)，使用液氫作為燃料；用于加氫站，供給氫能汽車［4-6］。

光伏發(fā)電技術(shù)和制氫技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立商業(yè)運(yùn)行，對(duì)于光伏制氫耦合系統(tǒng)目前還處于理論研究階段，在我國(guó)西北地區(qū)還未運(yùn)用到工程實(shí)際中［7-10］。筆者總結(jié)了制氫的主要途徑，比較了各種光伏制氫模式的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)對(duì)比了存儲(chǔ)、運(yùn)輸氫氣的主要方式，并通過(guò)計(jì)算我國(guó)西北地區(qū)寬功率光伏離網(wǎng)制氫的投資回報(bào)率，分析各種模式下光伏制氫的經(jīng)濟(jì)性。

1 寬功率光伏離網(wǎng)制氫技術(shù)

1.1 離網(wǎng)制氫主要技術(shù)路線對(duì)比

目前，堿水電解制氫（AE）技術(shù)是國(guó)內(nèi)外較成熟的電解制氫技術(shù)，堿水電解制氫設(shè)備主要由電解槽和膈膜等組成，相較其他形式的制氫設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格便宜，但效率略低。電解槽有單極和雙極2種形式，常見(jiàn)的電解液有氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液。傳統(tǒng)的膈膜主要由石棉組成，用于隔離氫氧。陰極、陽(yáng)極主要由Ni-M合金組成。AE技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)成熟度高，投資成本低，但也存在化學(xué)污染、啟動(dòng)緩慢等問(wèn)題，AE技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外寬功率光伏離網(wǎng)制氫技術(shù)的主要路徑［11］。質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）技術(shù)在國(guó)外已進(jìn)入到商業(yè)化示范階段，與AE技術(shù)相比，PEM技術(shù)的制氫設(shè)備具有安全性能高、單位體積制氫量高、起停迅速等優(yōu)點(diǎn)，常規(guī)的PEM制氫設(shè)備采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，能有效阻止電子傳遞。但由于PEM投資成本與AE相比過(guò)于高昂，PEM技術(shù)仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，根據(jù)最新的研究表明，過(guò)去5年電解槽成本已下降了40%［12］?？紤]成本因素，AE技術(shù)是目前最適合的寬功率光伏離網(wǎng)制氫技術(shù)路徑。

高溫固體氧化物水電解制氫（SOEC）技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)階段，該技術(shù)有很好的耐熱性，但由于運(yùn)行溫度超800℃，廢熱利用后效率超過(guò)90%，其在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)運(yùn)行還不太穩(wěn)定。SOEC技術(shù)采用固體氧化物為電解質(zhì)材料，為避免材料腐蝕問(wèn)題，電解槽電極采用非貴金屬催化劑。目前，材料是制約SOEC技術(shù)大規(guī)模推廣的主要因素［13］。

3種主要制氫技術(shù)路線與優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1和表2所示。

表1 制氫技術(shù)路線對(duì)比Tab.1 Comparison of hydrogen production technology routes

表2 制氫技術(shù)路線優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Advantages and disadvantages of main technical routes for off-grid hydrogen production

1.2 制氫主要供應(yīng)商及主要指標(biāo)

筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外的主要制氫廠家進(jìn)行了充分調(diào)研，德國(guó)ELB公司主要以3 MPa以上電解槽和常壓下電解槽2種技術(shù)路線進(jìn)行市場(chǎng)推廣，從事水電解行業(yè)40多年，具備項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、氫氣氧氣的運(yùn)輸和存儲(chǔ)等豐富的上下游經(jīng)驗(yàn)；蘇州競(jìng)立制氫設(shè)備有限公司前期的制氫技術(shù)主要從美國(guó)TELEDYNE公司引進(jìn)，目前已具備研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造制氫設(shè)備的能力，是國(guó)內(nèi)堿水制氫的主要供應(yīng)商；Verde（美國(guó)）建立了全球第一個(gè)利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的制氫系統(tǒng)，目前在國(guó)內(nèi)南通和南京擁有2家全資子公司；挪威Nel公司在質(zhì)子膜的水電解制氫領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位，該公司生產(chǎn)的質(zhì)子膜制氫設(shè)備體積小、產(chǎn)能大。此外，還有德國(guó)Sunfire、中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所（簡(jiǎn)稱718所）、康明斯（美國(guó)）等國(guó)內(nèi)外企業(yè)從事制氫產(chǎn)業(yè)，表3和表4給出了上述公司的業(yè)績(jī)及估價(jià)情況。從表3、表4可以看出，國(guó)內(nèi)堿性電解技術(shù)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，關(guān)鍵設(shè)備的主要性能指標(biāo)均接近國(guó)際先進(jìn)水平，且設(shè)備成本較低，單堆電解制氫產(chǎn)量較大；在質(zhì)子交換膜制氫領(lǐng)域，國(guó)外單堆氫產(chǎn)量最高500 m3／h，系統(tǒng)通過(guò)多模塊集成實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)電解水制氫，在技術(shù)成熟度、裝置規(guī)模等方面，國(guó)內(nèi)技術(shù)較國(guó)際先進(jìn)水平差距還較大。

表3 堿水電解制氫主要供應(yīng)商及指標(biāo)Tab.3 Main suppliers and indicators of AE

表4 質(zhì)子交換膜電解水制氫主要供應(yīng)商及指標(biāo)Tab.4 Main suppliers and indicators of PEM

1.3 寬功率光伏離網(wǎng)制氫

目前，國(guó)內(nèi)光伏制氫主要有并網(wǎng)集中制氫、寬功率離網(wǎng)制氫和并-離網(wǎng)多模式制氫3種模式。光伏并網(wǎng)集中制氫由于能量變換級(jí)別較多，電的利用效率只有80%～85%。光伏并-離網(wǎng)多模式制氫由于其系統(tǒng)復(fù)雜，投資成本大，收益也并不顯著，目前并不適合大規(guī)模應(yīng)用。而使用寬功率光伏離網(wǎng)制氫，一方面對(duì)太陽(yáng)能電站改造的投資較低，并且投資規(guī)模不受電網(wǎng)限制，可以規(guī)模自定，獨(dú)立發(fā)展；另一方面寬功率光伏離網(wǎng)棄電的利用效率較高，可達(dá)90%左右。

寧楠［14］對(duì)水電解裝置制氫進(jìn)行了寬功率適應(yīng)分析，對(duì)電解水制氫系統(tǒng)進(jìn)行了寬功率波動(dòng)耐受性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率下降時(shí)，需要調(diào)整其他參數(shù)以保證系統(tǒng)安全性，通過(guò)改變工作溫度、電解液循環(huán)量等參數(shù)，可以找到復(fù)雜功率波動(dòng)工況下保證水電解制氫系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)途徑。張存滿等［15］提出了一種具有寬功率波動(dòng)適應(yīng)性的大型電解水制氫系統(tǒng)及控制方法，該方法可以提升制氫系統(tǒng)的效率和寬功率波動(dòng)適應(yīng)性，增強(qiáng)瞬時(shí)響應(yīng)速度，降低功率加載成本。

研究表明，光伏發(fā)電對(duì)時(shí)間、空間的依賴性很強(qiáng)，具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等主要特點(diǎn)，很難為負(fù)載提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。因此，寬功率光伏離網(wǎng)制氫需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是寬功率的調(diào)整范圍，根據(jù)其波動(dòng)性和不確定性，整個(gè)制氫系統(tǒng)需要有一個(gè)比較寬的功率調(diào)整范圍。

2 氫氣的主要儲(chǔ)運(yùn)形式

2.1 氫氣的儲(chǔ)運(yùn)

高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)適用于近距離、小體量運(yùn)輸場(chǎng)景，適合壓縮至24 MPa以上的運(yùn)氫場(chǎng)景，該技術(shù)發(fā)展成熟，是目前國(guó)內(nèi)使用最廣泛的輸氫方式，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，缺點(diǎn)是體積密度低；液態(tài)輸氫技術(shù)適用于遠(yuǎn)距離、大體量運(yùn)輸場(chǎng)景，運(yùn)輸過(guò)程中需要將氫冷卻至-250℃以下液化，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是體積密度高、純度高，缺點(diǎn)是液化能耗高，容器有絕熱要求，成本較高，液態(tài)輸氫技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展較成熟，已得到規(guī)?；瘧?yīng)用，而國(guó)內(nèi)運(yùn)用還較少。管道輸氫適用于遠(yuǎn)距離、大體量以及長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)輸場(chǎng)景，其技術(shù)特點(diǎn)是運(yùn)行壓力為1～6 MPa，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行能耗和成本低，缺點(diǎn)是初投資較高，該技術(shù)在國(guó)外發(fā)展成熟，總長(zhǎng)度超過(guò)10 000 km。各氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式的比較見(jiàn)表5。

表5 氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式比較Tab.5 Comparison of hydrogen storage and transportation methods

2.2 與天然氣摻混

在歐盟，普遍采用氫氣與天然氣混合的形式節(jié)省運(yùn)輸氫氣成本（如圖1所示）。大約2%～5%的氫氣可以混合在天然氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中，而不需要更換或調(diào)整壓縮機(jī)，當(dāng)摻氫率超過(guò)5%時(shí)，則需要更換或調(diào)整壓縮機(jī)。在天然氣管道中放置一個(gè)小的氫氣管，通過(guò)這種方式可以輸送1～2 GW的氫氣到更遠(yuǎn)的地方，例如穿越地中?；虮焙?，而不需要高昂的成本。德國(guó)Avacon計(jì)劃將天然氣管道中的摻氫率提高至20%，意大利則計(jì)劃將其提高至10%，英國(guó)Hydeploy計(jì)劃將其提高至20%。

圖1 西方國(guó)家采用的摻氫比例［16］Fig.1 Hydrogen doping ratios adopted by western countries

我國(guó)目前已有多條輸氫管道在運(yùn)行，如中石化洛陽(yáng)煉化氫氣輸送管道長(zhǎng)25 km，年輸氣量10×104t；烏海-銀川輸氣管道長(zhǎng)216.4 km，年輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣16.1×108m3；巴陵-長(zhǎng)嶺輸氫管道全長(zhǎng)42 km，年輸氣量達(dá)4.42×104t。2019年，國(guó)家電力投資集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)家電投）在遼寧朝花藥業(yè)有限公司開(kāi)展了天然氣摻氫示范項(xiàng)目，2020年，國(guó)家電投又在張家口啟動(dòng)“天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范”，其中一路與張家口市政燃?xì)夤軗交欤?jì)劃年輸送氫氣440×104m3。

3 西北地區(qū)光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 西北地區(qū)光伏電力現(xiàn)狀

我國(guó)西北地區(qū)光資源豐富，光伏累計(jì)裝機(jī)規(guī)模約占全國(guó)的1／5。但是，根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2021年第一季度，西北地區(qū)近3個(gè)季度的棄風(fēng)率同比下降0.4個(gè)百分點(diǎn)至4.6%，而棄光率卻同比上升3.0個(gè)百分點(diǎn)至5.9%。

截至2020年底，國(guó)家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司總裝機(jī)容量約319.22×104k W，其中不同裝機(jī)容量占比如圖2所示，不同地區(qū)的光伏裝機(jī)容量如表6所示，其中絲路乾元的若羌依吞布拉克光伏電站棄光率最高，達(dá)25.13%。調(diào)研結(jié)果顯示，新疆中午為光伏大發(fā)時(shí)段，但同時(shí)也是負(fù)荷低谷階段，中午時(shí)段經(jīng)營(yíng)用電平均負(fù)荷僅有約260×104k W，調(diào)峰空間不足導(dǎo)致棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，98%的新疆光伏電站可以通過(guò)配備制氫來(lái)解決60%～80%的棄電問(wèn)題。

圖2 國(guó)家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司光伏裝機(jī)容量分布Fig.2 Installed PV of SPIC Xinjiang Energy&Chemical Co.，Ltd.capacity

表6 國(guó)家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司不同地區(qū)光伏裝機(jī)容量Tab.6 Installed PV of SPIC Xinjiang Energy&Chemical Co.，Ltd.capacity in different regions

3.2 寬功率光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性的影響因素

根據(jù)以上對(duì)設(shè)備的調(diào)研結(jié)果，結(jié)合光伏電站的實(shí)際情況，總結(jié)得出影響光伏制氫成本的5大主要因素包括：電解制氫規(guī)模、電解制氫效率、項(xiàng)目總投資、上網(wǎng)電價(jià)和棄電率。對(duì)寬功率光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性的影響因素進(jìn)行分析。

電解制氫規(guī)模是影響光伏制氫成本的重要因素，研究表明在0.1～100 MW負(fù)荷范圍內(nèi)，隨著水電解器名義功率增加10倍，相應(yīng)的光伏制氫成本顯著減少（0.1元／kg），針對(duì)上述原因，建議進(jìn)行電解制氫的項(xiàng)目規(guī)模為300～1 500 m3／h。

上網(wǎng)電價(jià)是目前制約大規(guī)模制氫發(fā)展的主要因素。按照當(dāng)前工程制氫經(jīng)驗(yàn)，4.8 k W·h電能產(chǎn)生約1 m3的氫氣，光伏發(fā)電制氫電價(jià)應(yīng)控制在0.3元／k W以下時(shí)才具有競(jìng)爭(zhēng)力，而目前國(guó)內(nèi)光伏的上網(wǎng)電價(jià)普遍在0.35～0.5元／k W，這種情況下需消納光伏的棄光棄電才能顯著提高寬功率光伏離網(wǎng)制氫的經(jīng)濟(jì)性。

按照西部地區(qū)光伏電廠3%～5%的棄電率，筆者建議按棄電率的200%進(jìn)行配比即6%～10%的制氫規(guī)模，一方面可以控制負(fù)荷波動(dòng)率大于50%，保證電解制氫的效率，另一方面不占用過(guò)多的光伏電廠上網(wǎng)電量，保證寬功率光伏離網(wǎng)制氫的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 西北地區(qū)寬功率光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性分析

以國(guó)內(nèi)能大規(guī)模生產(chǎn)制造的AE技術(shù)為主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)對(duì)象，分析了光伏發(fā)電在不同棄電率下離網(wǎng)制氫規(guī)模對(duì)光伏制氫經(jīng)濟(jì)性的影響，同時(shí)比較了不同PEM制氫占比與AE制氫進(jìn)行耦合的經(jīng)濟(jì)性。

以新疆某60 MW光伏電廠為研究對(duì)象，該電廠光伏棄電率約為3%，上網(wǎng)電價(jià)為0.35元／k W，4.8 k W·h電能約產(chǎn)生1 m3氫氣，以此為基礎(chǔ)分析制氫規(guī)模對(duì)內(nèi)部收益率的影響，并按照目前市場(chǎng)價(jià)格進(jìn)行測(cè)算。

如表7所示，根據(jù)電廠側(cè)反饋的模擬數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)制氫規(guī)模達(dá)到700 m3／h時(shí)，耗電功率增大，棄電用于制氫的可調(diào)節(jié)范圍增大，棄電利用率達(dá)到90%，但當(dāng)制氫規(guī)模超過(guò)700 m3／h時(shí)，增大制氫規(guī)模以后，棄電利用率增幅有限。

表7 3%棄電率下制氫規(guī)模對(duì)內(nèi)部收益率的影響Tab.7 Effect of hydrogen production scale on internal rate of return under 3%curtailment rate

在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，可以考慮加入小規(guī)模PEM制氫（＜5%）與AE制氫進(jìn)行耦合，以減少系統(tǒng)制氫的起動(dòng)時(shí)間，增加系統(tǒng)的負(fù)荷正向調(diào)節(jié)能力。表8給出了不同PEM制氫占比對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響。由于PEM制氫成本較高，目前仍不適用于光伏電廠大規(guī)模制氫，除非PEM制氫平均每天的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)12 h，或者PEM制氫的成本大幅降低。

表8 PEM制氫占比對(duì)內(nèi)部收益率的影響Tab.8 Effect of the proportion of PEM hydrogen production on the internal rate of return

4 結(jié) 論

（1）由于能夠利用棄光棄電，與上網(wǎng)后制氫相比，大規(guī)模光伏離網(wǎng)制氫的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好。

（2）目前商業(yè)化的制氫規(guī)模需根據(jù)光伏電站的棄電率來(lái)計(jì)算，制氫的耗電功率大約為光伏電站棄電率的2～3倍，這時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較好。

（3）PEM制氫商業(yè)化的經(jīng)濟(jì)性較差，即使與AE制氫相耦合也不建議其比例占總功率的5%以上，除非PEM制氫的成本大幅降低，低于AE制氫總成本的2倍。

總體而言，西北地區(qū)寬功率光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)較為復(fù)雜，與項(xiàng)目所采用的技術(shù)路線與規(guī)模、棄電率、上網(wǎng)電價(jià)、電解水制氫投資、當(dāng)?shù)貧錃馐蹆r(jià)、儲(chǔ)運(yùn)乃至政策等因素都有關(guān)系，需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)估。