光氫耦合制氫技術(shù)在蘇州地區(qū)探索應(yīng)用

石 佳 嚴(yán)竹菁 丁 俊

國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司 江蘇蘇州 215000

現(xiàn)如今,發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)成為世界能源轉(zhuǎn)型的重要途徑,氫能的綜合利用進(jìn)入新的階段。氫氣可從水、化石燃料等物質(zhì)中提取,是重要的工業(yè)原料和能源載體。隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)凸顯,尋找清潔的、便捷的、來(lái)源豐富的可再生能源成為全社會(huì)共同努力的目標(biāo)[1-2]。

光伏制氫是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。我國(guó)是世界上最大的能源生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),但能源結(jié)構(gòu)單一,煤炭在能源系統(tǒng)中長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位,化石資源的使用不可避免地排放二氧化碳(CO2),CO2會(huì)引起全球氣候變化。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的成熟,成本日益降低,光伏發(fā)電并網(wǎng)的成本具備競(jìng)爭(zhēng)力,大規(guī)模生產(chǎn)光伏發(fā)電的條件已經(jīng)成熟[3]。加快發(fā)展光伏發(fā)電,既是轉(zhuǎn)變發(fā)電方式、調(diào)整電源結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇之一,也是我國(guó)開發(fā)利用新能源的重要措施。光伏與氫能結(jié)合可以克服光伏的不穩(wěn)定特點(diǎn)。

氫能的安全使用問題及燃料電池的技術(shù)、成本瓶頸已逐步取得突破,產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始向商業(yè)化應(yīng)用階段探索。發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是我國(guó)推動(dòng)能源生產(chǎn)、消費(fèi)和技術(shù)革命,構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系的重要支撐,也是踐行新發(fā)展理念,推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展的重要途徑[4-5]。氫能作為一種新興產(chǎn)業(yè),得到全國(guó)以及江蘇省政府的大力支持,國(guó)家及省市都出臺(tái)了相關(guān)發(fā)展規(guī)劃及扶持政策?！督K省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出,到2025年,累計(jì)建成100座加氫站,燃料電池汽車規(guī)模達(dá)到1萬(wàn)輛,實(shí)現(xiàn)規(guī)?；痉?擴(kuò)大氫能在交通、儲(chǔ)能、電力、熱力、鋼鐵、化工、通信、天然氣管道混輸?shù)阮I(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

本文通過采集蘇州光伏資源數(shù)據(jù),模擬光伏電站,建立可靠電力供應(yīng),研究新能源制氫技術(shù)。結(jié)合實(shí)際需求,研究適用于蘇州的制氫技術(shù)路線和儲(chǔ)氫儲(chǔ)能技術(shù)。在前期模型搭建的基礎(chǔ)上,優(yōu)化光伏制氫的能源匹配度和穩(wěn)定性耦合機(jī)制,研究商業(yè)模式。

1 光伏數(shù)據(jù)

考慮到環(huán)境、氣象、日照等因素,就地選取蘇州某光伏電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采樣。本光伏電站目前實(shí)際裝機(jī)8.7MW,年最大出力5.76MW,全年負(fù)荷采樣及典型日負(fù)荷曲線詳見下圖1所示。

圖2 制氫系統(tǒng)

2 光氫耦合制氫系統(tǒng)

2.1 光氫耦合制氫系統(tǒng)

電解水制氫是一種電化學(xué)反應(yīng),當(dāng)直流電通過浸入液體或固體電解質(zhì)中的兩個(gè)電極會(huì)使水分解成氫氣和氧氣。光伏耦合制氫系統(tǒng)的仿真工作主要分為三塊,分別是光伏發(fā)電、直流電轉(zhuǎn)換控制和電解槽制氫。

為了建立可靠的光伏耦合電解水制氫模型,本研究所構(gòu)建的系統(tǒng)部分采用了Matlab平臺(tái)內(nèi)已封裝的物理模型,搭建了含光伏最大功率點(diǎn)跟蹤的基本光伏系統(tǒng)。對(duì)電解槽組件的仿真依然沿用電解槽電流電壓關(guān)系的函數(shù)方程組,將函數(shù)運(yùn)算信息繼承給一個(gè)等效電阻代替電解槽接入總系統(tǒng)電路中,電阻阻抗信息將會(huì)隨系統(tǒng)電壓、電流信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這樣做的目的是讓電解槽組件作為電學(xué)模型加入整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中,并形成組件間的聯(lián)動(dòng)。最終構(gòu)建的系統(tǒng)模型有信號(hào)形式統(tǒng)一、模塊化、易擴(kuò)展和可復(fù)制等特點(diǎn),為電解槽與多能源系統(tǒng)耦合仿真帶來(lái)了便利。

2.2 系統(tǒng)各組件模塊

2.2.1 光伏組件

光伏組件是由光伏電池串聯(lián)和并聯(lián)組成,并根據(jù)入射光強(qiáng)的增減改變輸出。本研究中選用了光伏電池的單個(gè)二極管等效電路模型作為仿真基礎(chǔ)模型。單個(gè)電池的電流電壓關(guān)系可以表達(dá)為:

在這里Io是二極管的反向飽和電流,Iph是光生電流,T是光伏電池溫度,n是理想因子,Rs是電池內(nèi)部的串聯(lián)阻抗,Rsh是電池內(nèi)部的并聯(lián)阻抗,k是玻爾茲曼常數(shù),Q是電子電荷。

2.2.2 堿性電解槽組件

堿性電解槽的仿真建模參考了Alhassan Salami等人開發(fā)的數(shù)學(xué)模型,理論基礎(chǔ)主要是依據(jù)Ulleberg的電解槽熱力學(xué)模型。

ΔG=zFVrev

Vrev=ΔG/zF

公式中ΔG是基伯斯能量系數(shù),z是電子常數(shù),F是法拉第常數(shù)。在電解過程中,小室的工作電壓V是可逆過電壓Vrev、激活過電壓Vact(即電極響應(yīng))以及電解質(zhì)的歐姆過電壓Vohm的總和,Vrev也可以看做是電解過程中所需的最小電壓。

Vcell=Vrev+Vact+Vohm

式中s和t是過電勢(shì)系數(shù),r是與溫度相關(guān)的歐姆電阻參數(shù),T是溫度,A是電極面積。

Oystein Ulleberg公式:

根據(jù)法拉第定律,法拉第效率可以表達(dá)為:

產(chǎn)氫效率:

氫氣的體積流量可以用Nm3/h為單位表示如下:

2.3 系統(tǒng)模型

整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分構(gòu)成:光伏、直流變換器和堿性電解槽。光強(qiáng)作為輸入條件至光伏陣列,光伏根據(jù)光強(qiáng)產(chǎn)生相應(yīng)的電流電壓。直流變換器連接在光伏組件和電解槽之間,采用的是DC-DC升降壓電路,其功能是根據(jù)負(fù)載的變化來(lái)調(diào)節(jié)光伏組件的輸出,確保光伏組件始終保持在最大功率。直流變換器根據(jù)負(fù)載情況對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)整從而影響電流,負(fù)載的反饋電流信息傳入電解槽模塊用來(lái)計(jì)算產(chǎn)氫量和電解槽的電壓。系統(tǒng)通過光強(qiáng)的變化,實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載狀態(tài),最終實(shí)現(xiàn)了光到電、電到氫的過程仿真模擬。

3 光伏制氫加氫站商業(yè)模式探究

張家港市積極開展氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展謀劃工作,推進(jìn)氫能及燃料電池汽車的示范推進(jìn)工作。張家港未來(lái)將不斷完善氫能供應(yīng)保障體系,預(yù)計(jì)將建成16座加氫站、5個(gè)制氫項(xiàng)目,故本課題選取加氫站作為研究場(chǎng)景。通過光伏太陽(yáng)能設(shè)備產(chǎn)生清潔能源電力,電解水制氫,以成熟電解水制氫技術(shù)一次性制取年可供燃料電池車使用的高純氫氣(99.999%)。所制氫氣將通過加氫站固定補(bǔ)給于清潔能源車輛使用,在滿足此項(xiàng)目固定收益基礎(chǔ)上,為當(dāng)?shù)刈龀龆愂臻]環(huán)貢獻(xiàn),及助力本地節(jié)能減排工作進(jìn)程。

3.1 系統(tǒng)框架

制氫系統(tǒng)由補(bǔ)水系統(tǒng)、堿液循環(huán)系統(tǒng)、電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化裝置等部分組成。

加氫站主要由供氫系統(tǒng)、壓縮機(jī)、存儲(chǔ)瓶組以及加注系統(tǒng)等部分組成。加氫站整體工藝流程如圖3所示:

圖3 加氫站系統(tǒng)

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

本項(xiàng)目總投資約6018.80萬(wàn)元,其中包含土建成本、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用購(gòu)買費(fèi)用,工程其他費(fèi)用以及預(yù)備費(fèi)等。其中加氫站土地約5000平方米,總價(jià)約175萬(wàn);制氫廠需約2000平方米,建設(shè)在工業(yè)園區(qū),土地價(jià)格在45萬(wàn);土建價(jià)格含加氫站225萬(wàn),及制氫站的175萬(wàn)。制氫設(shè)備價(jià)格在4380.00萬(wàn)元,加氫站購(gòu)置成本在1600萬(wàn)左右,但根據(jù)《張家港氫能保障供應(yīng)體系一期工程建設(shè)實(shí)施方案》,500kg以上加氫站建設(shè)補(bǔ)貼800萬(wàn)元,補(bǔ)貼后設(shè)備成本預(yù)計(jì)800萬(wàn)元。另含部分其他費(fèi)用。

本項(xiàng)目擬用一年完成項(xiàng)目建設(shè),包括生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)、購(gòu)置及安裝調(diào)試,人員的招聘培訓(xùn)等項(xiàng)目工作。完工后制氫設(shè)備將達(dá)年產(chǎn)200萬(wàn)方,加氫站將達(dá)到最大的日儲(chǔ)集量。產(chǎn)品的銷售價(jià)格預(yù)測(cè)是根據(jù)張家港地區(qū)2020、2021年歷史價(jià)格做出的判斷和預(yù)估。一方面,根據(jù)本項(xiàng)目定位于為張家港氫能產(chǎn)業(yè)服務(wù)的要求,氫氣銷售給張家港市燃料電池汽車時(shí),價(jià)格為75元/kg。另一方面,氫氣售賣給本地其他企業(yè)以及售賣給周邊地區(qū)燃料電池汽車用時(shí),價(jià)格均參考市場(chǎng)價(jià)格,售價(jià)為75元/kg(包運(yùn)輸),得到最終的銷售收入。

根據(jù)市場(chǎng)銷售情況和加氫站的最大儲(chǔ)集量來(lái)考慮,建設(shè)年產(chǎn)371775kg、日產(chǎn)約為1018.5kg的制氫站。日加氫量1000kg的加氫站,剩余的18.5kg均售賣至本地企業(yè)及其他。

工藝設(shè)備投資按照2.5%殘值,折舊期限40年計(jì)提折舊;基礎(chǔ)建設(shè)投資按照5%殘值,折舊期限20年計(jì)提折舊;土地按照50年的使用期進(jìn)行核算。生產(chǎn)成本中,除折舊成本外,還包括直接材料費(fèi)、項(xiàng)目功耗、直接工資及維修費(fèi)等其他費(fèi)用攤銷等。主要耗材及能耗主要包括制氫設(shè)備功耗、加氫設(shè)備功耗、運(yùn)輸充裝平臺(tái)功耗以及站房、照明、輔助電源等其他功耗,以電費(fèi)為0.372元/kW·h算,年均耗電費(fèi)約588.6萬(wàn)元;產(chǎn)品每kg制高純氫僅需水0.1方,工地用水1.5元/方,即每kg氫氣用水成本0.15元,年耗水費(fèi)約5.57萬(wàn)元。人工成本以本地人工每年平均花費(fèi)40萬(wàn)元計(jì)算。包括運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、管理費(fèi)用。維修費(fèi)用為設(shè)備維修及零配件處理等,每年30萬(wàn)元。運(yùn)輸成本,其中氫氣運(yùn)輸成本為12元/kg。年平均運(yùn)輸費(fèi)用446.1萬(wàn)元。銷售及管理費(fèi)用包括研發(fā)投入、銷售拓展及其他管理費(fèi)用,根據(jù)設(shè)備運(yùn)行方式來(lái)核算。按照一年30萬(wàn)元費(fèi)用計(jì)算。財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)為14.54%,財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值(Ic=3%)為5490.80萬(wàn)元,投資回收期為6.2年,投資利潤(rùn)率13.87%。從以上財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)中可以看出,財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率大于等于基準(zhǔn)收益率,項(xiàng)目可行,其毛利率達(dá)47.60%、凈利率達(dá)34.76%,明項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益較好,盈利能力較強(qiáng)。

結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目順應(yīng)能源、可再生資源變革趨勢(shì),開展氫氣產(chǎn)業(yè)的示范項(xiàng)目,為項(xiàng)目公司積累經(jīng)驗(yàn)的同時(shí),也將帶動(dòng)蘇州本地氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,為蘇州乃至江蘇省經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的動(dòng)力,將取得良好的示范效果。