電解水制氫技術(shù)在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用研究

孫浩哲

（國(guó)華（寧夏）新能源有限公司，寧夏銀川 750002）

0 引言

新時(shí)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度加快，能源消耗不斷加大。因能源短缺造成的地區(qū)沖突、化石能源生產(chǎn)消耗產(chǎn)生的污染沖突加劇。這一背景下，大規(guī)模開(kāi)發(fā)與利用可再生能源受到人們的關(guān)注。可再生能源具備發(fā)展?jié)摿Υ?、污染小、效益顯著等特點(diǎn)，如今能源安全逐漸受到重視，各類發(fā)電技術(shù)蓬勃發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)越發(fā)成熟，我國(guó)可再生能源裝機(jī)容量再創(chuàng)新高，切實(shí)造福民眾。由于可再生能源自身的間接性特點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨取隨用，大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電為電網(wǎng)帶來(lái)較大的調(diào)度壓力。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，合理高效地存儲(chǔ)可再生能源，減少棄電現(xiàn)象，成為不同領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，可再生能源存儲(chǔ)和消納技術(shù)的重要性日益凸顯。因此，人們開(kāi)始不斷研究和突破各類儲(chǔ)能技術(shù)，拓寬可再生能源消納途徑。可再生能源電解水制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，成為備受關(guān)注的發(fā)展方向。

1 常見(jiàn)電解水制氫技術(shù)

1.1 堿性電解制氫技術(shù)

堿性電解水制氫技術(shù)是目前相對(duì)成熟的技術(shù)應(yīng)用方式，其操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、成本低。裝置由若干單體電解小室組成電解槽，通直流電后，水被分解，產(chǎn)生氫氣與氧氣。由電解槽、陽(yáng)極、隔膜、電解液4 個(gè)部分構(gòu)成，選擇濃度為20 ～30wt%的氫氧化鉀作為電解溶液，使用金屬合金分解水，工作溫度一般不超過(guò)100℃。實(shí)驗(yàn)證明，溫度高可能會(huì)腐蝕隔膜材料，因此工業(yè)操作溫度一般為70 ～80℃。作為目前制氫領(lǐng)域最成熟的一項(xiàng)技術(shù)，至今單臺(tái)規(guī)模已經(jīng)突破了1000Nm3/h，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)也經(jīng)常使用這一項(xiàng)技術(shù)，其具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，唯一的缺陷是電解消耗電能較多，用電成本占制氫成本的主要部分。堿性電解水制氫技術(shù)的研究集中在設(shè)備更新和開(kāi)發(fā)方面，該技術(shù)在電解水制氫領(lǐng)域唯一的缺陷在于成本較高，限制其推廣使用[1]。

1.2 PEM 電解水制氫技術(shù)

PEM 電解水制氫技術(shù)又稱質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)，這一技術(shù)具有三大優(yōu)勢(shì)。一是使用PEM，而非堿槽的隔膜。二是不需要?dú)溲趸涀鳛殡娊馊芤海邆浼夹g(shù)安全性。三是反應(yīng)速度和調(diào)節(jié)速率更快，能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)節(jié)。

然而，投資和運(yùn)行成本高仍是這項(xiàng)技術(shù)亟待解決的主要問(wèn)題。該技術(shù)進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)商業(yè)化應(yīng)用的時(shí)間較短，雖然近年來(lái)設(shè)備成本已有明顯的降低，但仍明顯高于堿性電解槽，根據(jù)最新的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在相同的出氫規(guī)模條件下，PEM 技術(shù)的設(shè)備成本在堿性技術(shù)成本的3 倍以上。由于PEM 槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備依賴價(jià)格昂貴的貴金屬，而質(zhì)子交換膜生產(chǎn)技術(shù)長(zhǎng)期被歐美和日本壟斷，國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行技術(shù)突破。隨著氫能行業(yè)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，疊加可再生能源電力成本逐漸下降，產(chǎn)氫數(shù)量逐漸增加，PEM 電解槽成本或?qū)⒅饾u下降。

1.3 高溫固體氧化技術(shù)

1982 年，高溫固體氧化技術(shù)由德國(guó)的W.Doenitz 在HOTELLY 項(xiàng)目中首次使用，并獲得了工業(yè)領(lǐng)域的突破。該裝置制作簡(jiǎn)單，卻受到材料性能的限制。生產(chǎn)時(shí)，電解池溫度可達(dá)到1000℃，高溫下材料性能不穩(wěn)定、缺乏高效的清潔熱源等問(wèn)題限制了這一項(xiàng)技術(shù)的廣泛使用。隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，材料的限制逐漸被打破，美國(guó)科學(xué)家利用單體固體氧化物電解池組裝的平板式高溫電解堆制氫打破了SOCE 制氫的局限，使該技術(shù)成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。

高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)消耗電能非常少，利用高溫電解解決制氫技術(shù)電能消耗過(guò)多的問(wèn)題。高溫制氫減少了整個(gè)過(guò)程的能量消耗，保證了電解質(zhì)量。在制氫過(guò)程中還可以使用非貴金屬催化劑進(jìn)行生產(chǎn)，有效降低制氫成本。該技術(shù)使用全陶瓷材料，解決了在其他技術(shù)中出現(xiàn)的材料腐蝕問(wèn)題。高溫條件下，生產(chǎn)效率顯著提高，但是關(guān)于電解池材料的選擇仍然受到限制，尤其是平板式SOEC 對(duì)材料要求更苛刻。因此，新時(shí)期，解決材料問(wèn)題和高溫下氫電極衰減問(wèn)題成為人們思考的重點(diǎn)[2]。

2 電解水制氫技術(shù)在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的必要性

2.1 零碳經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)的必然

從全球能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，當(dāng)前終端能源中化石能源消費(fèi)占比較大，終端能源消費(fèi)中化石能源的占比為78%，是全球碳排放的主要來(lái)源。我國(guó)已確定2030 年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060 年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的發(fā)展愿景，驅(qū)使我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。未來(lái)，大力發(fā)展清潔低碳能源、多種能源形勢(shì)并舉成為大勢(shì)所趨。在這一背景下，電力、氫能以及相關(guān)的衍生品成為未來(lái)全球能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。2050年，全球能源結(jié)構(gòu)中氫氣將作為重要的替補(bǔ)品（衍生品），在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域起到十分重要的作用。氫作為分布較廣的元素，以化合態(tài)存在于現(xiàn)實(shí)生活中。雖然氫氣的存儲(chǔ)運(yùn)輸存在風(fēng)險(xiǎn)，但是從環(huán)保效果來(lái)看，氫是高效的清潔能源，其能量密度高，排放產(chǎn)物為水，排放物相對(duì)安全、可靠；從能源安全儲(chǔ)備方面來(lái)看，制取方式多樣。我國(guó)在發(fā)展過(guò)程中，正在逐步完善氫能產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)鏈涉及氫能的制取、儲(chǔ)運(yùn)、設(shè)備制造和應(yīng)用等，涉及交通、工業(yè)、能源等多個(gè)領(lǐng)域。未來(lái)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游將逐漸完善，長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸和多種儲(chǔ)運(yùn)方式逐漸成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的煉化、生產(chǎn)、化工原料等領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用。隨著交通領(lǐng)域氫燃料電池車技術(shù)的逐漸成熟，氫能將作為我國(guó)能源體系的重要組成部分。

2.2 傳統(tǒng)制氫路線潛力有待開(kāi)發(fā)

化石燃料制氫作為傳統(tǒng)的制取方式，技術(shù)更新中仍存在一定潛力。煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)制備氫氣的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中氣化爐與水蒸氣反應(yīng)，生成二氧化碳與氫氣。天然氣制氫主要是天然氣脫硫處理后，天然氣中的甲烷和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣。目前，化石燃料制氫仍占據(jù)國(guó)內(nèi)主要制氫市場(chǎng)，我國(guó)現(xiàn)階段主要用煤制氫。煤制氫適合運(yùn)用在大規(guī)模生產(chǎn)中，現(xiàn)階段煤氣化爐的制氫潛力較大，設(shè)備還有挖掘資源的可能。除此以外，提純和碳捕集環(huán)節(jié)都存在巨大的開(kāi)發(fā)潛力[3]。

2.3 可再生能源制氫發(fā)展迅速

當(dāng)前，我國(guó)可再生能源制氫處于起步階段，但發(fā)展迅速。我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電技術(shù)逐漸成熟，建設(shè)規(guī)模領(lǐng)先世界，建設(shè)成本隨技術(shù)發(fā)展逐漸下降，可再生能源發(fā)展日趨多樣化。根據(jù)區(qū)域資源不同，我國(guó)可再生能源制氫項(xiàng)目各具特色，發(fā)展和研究方向多樣。

首先，風(fēng)電大規(guī)模制氫在提高風(fēng)電消納和經(jīng)濟(jì)效益方面有巨大的潛力，陸上風(fēng)電制氫項(xiàng)目已開(kāi)展多項(xiàng)工程示范，基于遠(yuǎn)海風(fēng)力資源充沛的情況，提出整合電解制氫與海上風(fēng)電資源的設(shè)想，利用遠(yuǎn)海風(fēng)電平臺(tái)進(jìn)行規(guī)?；茪?，降低海上風(fēng)電機(jī)組至陸地連接點(diǎn)之間的電力損耗和投資。國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行海上風(fēng)電制氫、海水制氫的相關(guān)研究，普遍認(rèn)為其具備較大的潛力。除了提供氫能源之外，其他伴隨風(fēng)電制氫發(fā)展起來(lái)的生產(chǎn)制造領(lǐng)域也能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)發(fā)展。

其次，光伏發(fā)電成本下降明顯，光伏發(fā)電項(xiàng)目規(guī)?；懂a(chǎn)進(jìn)程加快，度電成本已明顯低于燃煤標(biāo)桿電價(jià)，大規(guī)模光伏發(fā)電項(xiàng)目的并網(wǎng)帶來(lái)了光伏電力消納的問(wèn)題。相較于風(fēng)能發(fā)電，光伏發(fā)電具有發(fā)電時(shí)間趨同、間歇性和周期性明顯的特點(diǎn)，但利用光伏發(fā)電進(jìn)行電解水制氫，存在周期性間歇性的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)光熱項(xiàng)目仍處于示范階段，成本較高，將規(guī)?；瘍?chǔ)能和光熱項(xiàng)目融入電解水制氫項(xiàng)目，仍存在一定的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

可再生能源制氫潛力巨大，且國(guó)內(nèi)化工、能源企業(yè)布局項(xiàng)目發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出一批結(jié)合地方發(fā)展特色的可再生能源制氫項(xiàng)目[6]。

3 可再生能源發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)行電解水制氫的方法

3.1 利用太陽(yáng)能光熱發(fā)電進(jìn)行電解水制氫

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)使用大面積太陽(yáng)能反射鏡和追蹤系統(tǒng)吸收太陽(yáng)光，吸收器加熱后將熱量傳輸?shù)秸羝O(shè)備中，在高溫下實(shí)現(xiàn)無(wú)污染發(fā)電，這是太陽(yáng)能的一大優(yōu)勢(shì)。與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，在太陽(yáng)能光熱與儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合后，系統(tǒng)發(fā)電的穩(wěn)定性也隨之提升。目前，由于成本等問(wèn)題，我國(guó)的光熱發(fā)電尚未實(shí)現(xiàn)全面商用，太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)利用高溫和高壓蒸汽產(chǎn)生能量，這與高溫固體氧化物制氫基本吻合，因此這是該技術(shù)廣泛推行的關(guān)鍵。

太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫技術(shù)也在研制中，該技術(shù)有太陽(yáng)能全光譜利用、無(wú)需氫氧分離等優(yōu)勢(shì)，是比較環(huán)保的制氫手段。通過(guò)載氧材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能熱化學(xué)反應(yīng)器的研究，合成產(chǎn)氫性能優(yōu)異的新型材料，研制規(guī)模達(dá)到10kW 的超高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)器。該反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)上綜合考慮動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)等因素，充分考慮溫度場(chǎng)和氣密性。目前，在太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)高效制氫中，使用ABO3型鈣鈦礦材料可以滿足生產(chǎn)，該材料具備很強(qiáng)的氧空位調(diào)節(jié)性能、改性能力，在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算、篩選、預(yù)測(cè)，合成新母體。作為新型材料，可以在未來(lái)的太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫中使用。

3.2 利用風(fēng)光儲(chǔ)一體化多能互補(bǔ)進(jìn)行電解水制氫

發(fā)電機(jī)組容量相同狀況下，利用不同的可再生能源互補(bǔ)可以取得更理想的效果。與單一可再生能源制氫相比，多能互補(bǔ)的形式可以有效增加供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，有效提升電解水制氫系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，從而提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性[7]。通過(guò)風(fēng)光儲(chǔ)等形式的科學(xué)配比組合，可有效減少可再生能源電解水制氫系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)的依賴，提升系統(tǒng)的自供電安全性，未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，只需要進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，就可以保證供電，能夠使用各種柴油機(jī)等備用電源，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成影響，效益良好。此外，對(duì)于新能源富集和消納條件受限的區(qū)域，將多能互補(bǔ)電解水制氫系統(tǒng)接入電網(wǎng)，可有效增加新能源發(fā)電儲(chǔ)力，通過(guò)合理調(diào)度，可以有效吸收電網(wǎng)富余電力，緩解電網(wǎng)調(diào)節(jié)壓力，為電網(wǎng)提供靈活、調(diào)節(jié)性資源。

3.3 利用風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)行電解水制氫

風(fēng)電制氫是指將富余的風(fēng)力資源通過(guò)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化送入電解水制氫設(shè)備中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，送入壓縮機(jī)中壓縮存儲(chǔ)。將存儲(chǔ)的能源通過(guò)氫燃料電池直接運(yùn)用到化工與醫(yī)療等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)可再生能源的清潔利用。風(fēng)電制氫系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，可分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫與離網(wǎng)型風(fēng)電制氫，前者相對(duì)成熟，后者的發(fā)展還處于起步階段。整個(gè)風(fēng)電并網(wǎng)制氫系統(tǒng)中，有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能變流器、電解槽、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐等。整個(gè)系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由渦輪、發(fā)動(dòng)機(jī)等部分組成，風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷提升，發(fā)電機(jī)定子端的輸出功率降低，機(jī)組將風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)、電解槽，如果電網(wǎng)的電力有富余，風(fēng)力系統(tǒng)就會(huì)停止供電；如果電力不足，系統(tǒng)就會(huì)從風(fēng)機(jī)中獲得電能，提高風(fēng)電制氫的經(jīng)濟(jì)性。按照現(xiàn)有研究來(lái)看，風(fēng)電資源運(yùn)用在大規(guī)模制氫及提高風(fēng)電消納中完全可行，具有清潔高效、市場(chǎng)效益良好等優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

在能源安全與節(jié)能降碳的壓力下，發(fā)展可再生能源制氫是解決問(wèn)題的重要途徑。目前，可再生能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展逐漸成熟，將電能轉(zhuǎn)化為清潔高效的氫能，是新型能源架構(gòu)體系的重要組成部分。氫能作為能源和原料的消費(fèi)場(chǎng)景不斷豐富，產(chǎn)業(yè)鏈條不斷完善，可再生能源制氫在我國(guó)低碳發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮重要的作用。隨著技術(shù)研究的不斷深入，電解水制氫技術(shù)將不局限于單一技術(shù)形式。此外，隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，多能互補(bǔ)電解水制氫項(xiàng)目將朝著低碳高效、安全穩(wěn)定、電網(wǎng)友好的方向發(fā)展。隨著技術(shù)成本的降低和商業(yè)化應(yīng)用的成熟，可再生能源電解水制氫技術(shù)的發(fā)展前景日益廣闊。