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    2. 新聞中心

      可再生能源電解水制氫儲能應(yīng)用前景廣闊

      引言

      隨著十四五電力規(guī)劃的實施,我國正加速能源清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程,脫碳減排需求日益增長,在“3060雙碳戰(zhàn)略指導(dǎo)下,十四五期間風(fēng)電、光伏等可再生能源將迎來爆發(fā)式增長,可再生能源將逐步替代傳統(tǒng)化石能源占據(jù)能源領(lǐng)域主導(dǎo)地位。基于可再生能源發(fā)展不平衡的矛盾,及風(fēng)電、光伏等可再生能源波動性和間歇性特點,配置儲能系統(tǒng)是解決當(dāng)前大規(guī)模棄風(fēng)、棄光問題的有效手段,開發(fā)新型高效的儲能方式不僅可以進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)靈活性,也是解決我國可再生能源發(fā)電量過剩最根本的辦法。氫能是一種理想的能量儲存介質(zhì),采用氫儲能技術(shù)可有效解決我國可再生能源消納及并網(wǎng)穩(wěn)定性問題。通過棄風(fēng)、棄光電力電解水制氫技術(shù)實現(xiàn)電氫轉(zhuǎn)換,合理利用棄風(fēng)、棄光能源,同時平抑可再生能源并網(wǎng)波動,實現(xiàn)能源的時空平移。 在低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的大背景下,十四五期間氫能產(chǎn)業(yè)將迎來重要的機(jī)遇。

      寧夏寶豐太陽能電解水制氫綜合示范項目引進(jìn)單套產(chǎn)能1000m3/h的電解槽設(shè)備,綠氫綜合制造成本為0.7/m3,裝置年產(chǎn)2m3氫氣+1m3氧氣。吉林風(fēng)光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究預(yù)計總裝機(jī)容量400MW,其中示范制氫10MW河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項目一期年底投產(chǎn)后可形成年制氫700.8m3,是全球最大風(fēng)電制氫項目。

      基于我國可再生能源制氫技術(shù)難題及氫能發(fā)展瓶頸,本文通過分析國內(nèi)外可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)狀,對可再生能源電解水制氫技術(shù)歸類整理,分別綜述風(fēng)電制氫、太陽能制氫及風(fēng)光耦合制氫技術(shù),總結(jié)各類規(guī)?;茪浼夹g(shù)特點,結(jié)合我國雙碳目標(biāo)十四五氫能規(guī)劃要求,對我國雙碳目標(biāo)下可再生能源制取綠氫技術(shù)前景及趨勢進(jìn)行展望。

      電解水制氫氣技術(shù)及現(xiàn)狀 

      可再生能源制氫當(dāng)前主流技術(shù)是采用電解水制氫,即將棄風(fēng)、棄光能源所發(fā)電力接入電解槽電解制氫,并通過儲氫罐等設(shè)備存儲為后續(xù)氫燃料電池發(fā)電做備用。其中,電解槽根據(jù)電解質(zhì)的不同主要可以分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽3種,3種電解制氫技術(shù)各指標(biāo)對比如表1所示。

      1 三種典型電解制氫技術(shù)對比 

      由表1可以看出:堿性電解槽技術(shù)相對比較成熟,可以應(yīng)用于大規(guī)模制氫,且工藝簡單,成本低,但其難以快速啟動及適應(yīng)變載,無法快速調(diào)節(jié)制氫速率,與可再生能源發(fā)電適配性較差。質(zhì)子交換膜電解槽負(fù)荷范圍寬,運行更加靈活,更適用于平抑可再生能源并網(wǎng)的波動性,且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術(shù)快一倍以上,適用于交通、航空等需要快速啟動的領(lǐng)域,但當(dāng)前技術(shù)還未實現(xiàn)大的突破,難以實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化制氫。固體氧化物電解制氫技術(shù)應(yīng)用相較前者少的多,距離規(guī)?;茪鋺?yīng)用尚需相關(guān)材料和催化劑技術(shù)進(jìn)一步攻關(guān),但其能耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點將使其在未來成為主流可再生能源規(guī)?;茪浼夹g(shù),因此我國應(yīng)提前布局新興電解槽技術(shù),攻關(guān)固體氧化物電解制氫技術(shù)難點。在我國氫能市場中,堿性電解水制氫技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位,被更加廣泛地應(yīng)用于各大型電解水制氫項目中。

      近年來,因質(zhì)子交換膜電解槽運行更加靈活且負(fù)載范圍寬的特性,國內(nèi)新建項目逐步轉(zhuǎn)為采用質(zhì)子交換膜技術(shù)耦合可再生能源發(fā)電進(jìn)行規(guī)?;茪洌虼?,開發(fā)新型電解槽技術(shù),進(jìn)一步提高電解水制氫效率和穩(wěn)定性。電解水制氫工藝近年來發(fā)展迅猛,不斷突破技術(shù)瓶頸,并有大批規(guī)?;娊庵茪漤椖柯涞?,為可再生能源電解制氫技術(shù)提供了實踐支撐。目前國內(nèi)可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術(shù)為主,國外質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)應(yīng)用實例較多。

      加拿大20MW項目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項目可實現(xiàn)日產(chǎn)氫8640kg,該項目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設(shè)備。丹麥1.2MW項目采用就地制氫的方案,在風(fēng)電場附近建立制氫、儲氫、氫氣管道輸出一體化電解水制氫站,用于制取綠氫及配合可再生能源風(fēng)電消納,同樣采用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。

      因此,本文建議:我國應(yīng)重視質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的發(fā)展,重點突破質(zhì)子交換膜電解槽的催化劑技術(shù)、雙極板材料、膜電極等關(guān)鍵技術(shù)和部件的研發(fā)和制造技術(shù),通關(guān)提高催化劑效率降低質(zhì)子交換膜電解水制氫成本,通過研發(fā)制造更高性能的雙極板材料提高質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命。

      目前,我國電解水裝置的安裝總量在 1500-2000套左右,電解水制氫年產(chǎn)量約9m3,堿性電解水技術(shù)占絕對主導(dǎo)地位。國內(nèi)堿性電解水設(shè)備的單臺產(chǎn)能最大可達(dá)1000m3/h,電解水設(shè)備制造廠家主要有中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司及蘇州競立制氫設(shè)備有限公司等。

      可再生能源制氫技術(shù)分類

      傳統(tǒng)的電解水制氫在發(fā)電環(huán)節(jié)多采用火電,伴隨著大量碳排放,而可再生能源制氫采用的是風(fēng)電、光電等能源,是真正意義上的綠氫制取技術(shù)。下面分別以2類典型可再生能源制氫技術(shù)展開,介紹其基本原理與系統(tǒng)架構(gòu),并總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究現(xiàn)狀,對我國可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和參考。

      1)風(fēng)電制氫技術(shù)

      風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)根據(jù)與電網(wǎng)連接情況可以分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng),目前我國離網(wǎng)條件下風(fēng)電耦合制氫技術(shù)尚處于起步階段,大多采用并網(wǎng)型風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng),整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲能變流器(PCS)能量轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機(jī)、高壓儲氫罐等部分。

       

      1 風(fēng)電并網(wǎng)制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      從已有研究可知,風(fēng)電資源用于大規(guī)模制氫及提高風(fēng)電消納在經(jīng)濟(jì)效益上是完全可行的,且全過程近乎零碳排放,無污染,因此,風(fēng)電制氫技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。此外,遠(yuǎn)海風(fēng)力資源豐富,可用于發(fā)展更大裝機(jī)容量的風(fēng)電場,國外學(xué)者LloydJames等人提出整合電解制氫與海上風(fēng)電資源,將電解制氫裝置集成到海上風(fēng)電發(fā)電項目中,防止海上風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)與陸地連接點之間所產(chǎn)生的運輸損失和因電力轉(zhuǎn)換而造成的能源損失。 

      國內(nèi)學(xué)者邵志芳等人對我國某地海上風(fēng)電場規(guī)?;茪溥M(jìn)行了可行性綜合評價,提出海上風(fēng)電規(guī)?;茪渚哂泻芎玫纳鐣熬啊?/span>國內(nèi)外大批風(fēng)電制氫項目的落地也為風(fēng)電制氫技術(shù)提供了工程支撐。 

      2014年,國家863項目風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范啟動,該項目中制氫功率為100kW,燃料電池發(fā)電為30kW。同年,氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用研究項目啟動,該項目涉及30kW光伏模擬模塊,2m3/h堿性電解水制氫、16m3固態(tài)金屬合金儲氫以及10kW質(zhì)子交換膜燃料電池模塊。2015年,河北建投新能源展開中德合作項目沽源風(fēng)電制氫項目,該項目投建10MW電解水制氫系統(tǒng)配合200MW風(fēng)電場制氫,具有年制氫1752m3的生產(chǎn)能力。因此,風(fēng)電制氫技術(shù)將在我國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的道路上起到至關(guān)重要的作用,不僅可提供大量氫能源,還副產(chǎn)多種有直接經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品,風(fēng)電制氫技術(shù)對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。 

      2)光伏發(fā)電制氫技術(shù)

      光伏發(fā)電制氫即將太陽能面板轉(zhuǎn)化的電能供給電解槽系統(tǒng)電解水制氫,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)類似風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)。其中,光伏發(fā)電技術(shù)主要是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng),光伏發(fā)電的主要核心元件是太陽能電池,其他還包含有蓄電池組、控制器等元件,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      2 光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

      隨著我國可再生能源的迅猛發(fā)展及國家政策的大力支持,光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)及建設(shè)規(guī)模已達(dá)世界領(lǐng)先水平,光伏發(fā)電成本持續(xù)下降,因此在我國能源清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中,光伏+氫的組合將在脫碳減排工作中扮演不可或缺的角色。 在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上,國內(nèi)政策積極推動了相關(guān)項目的實施落地。 

      鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗納日松光伏制氫產(chǎn)業(yè)示范項目配置了40kW光伏、1t/a電解水制氫、8~1035MPa加氫站和500輛氫能重卡,該項目被列入內(nèi)蒙古自治區(qū)2021年度風(fēng)光氫一體化示范項目清單,有望助力內(nèi)蒙地區(qū)加速碳中和進(jìn)程。2021年,凱豪達(dá)氫自主設(shè)計生產(chǎn)的一期制氫項目光伏制氫與燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)裝置,完成調(diào)試驗收工作,該裝置由太陽能光伏發(fā)電、電解水制氫、儲氫罐、燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)組成,不僅能解決新能源消納問題,還能為偏遠(yuǎn)地區(qū)供熱供電,對天然氣摻氫的應(yīng)用場景也有重要的示范作用。 

      3)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫技術(shù)/多能耦合發(fā)電制氫 

      眾多研究案例表明,在發(fā)電機(jī)組容量相同時,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫儲能系統(tǒng)相較于單一含有風(fēng)電或光伏發(fā)電制氫的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:

      利用風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)性,可以獲得比較穩(wěn)定的輸出,系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性;

      在保證同樣供電的情況下,可大大減少儲能蓄電池的容量;

      通過合理地設(shè)計與匹配,可以基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電,很少或基本不用啟動備用電源如柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等,可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,符合脫碳減排理念。因此,多種可再生能源互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫將是我國實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要手段。風(fēng)光互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫裝置及氫能儲存和利用系統(tǒng)組成,系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

      近年來,國內(nèi)學(xué)者開始針對風(fēng)光互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫技術(shù)展開了研究,并開始探索更多可再生能源實現(xiàn)多能耦合制氫系統(tǒng)的可行性。 

      2017年,楊衛(wèi)華等人針對不同應(yīng)用規(guī)模下風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電儲能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,提出需結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)地點氣候環(huán)境,考慮風(fēng)機(jī)、光伏面板參數(shù)特性合理分配容量才可以最大化風(fēng)光資源利用率。2018年,蔣康樂提出了一種風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫系統(tǒng)的環(huán)境效益評價方法,認(rèn)為風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫系統(tǒng)在不同地區(qū)的利用對光照和風(fēng)力資源曲線的重視度不同。2019年,陳建明等人分析了應(yīng)用氫儲能技術(shù)來解決能源發(fā)展中棄風(fēng)棄光問題的可行性,提出可再生能源制氫儲能技術(shù)可最大程度避免能源浪費,風(fēng)光互補(bǔ)制氫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究對我國能源清潔化轉(zhuǎn)型及脫碳減排進(jìn)程具有極大促進(jìn)作用。

      總體來看,多能互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫將會是氫儲能領(lǐng)域的未來趨勢,相關(guān)學(xué)者應(yīng)深入研究,探索并推廣更低成本的風(fēng)光互補(bǔ)制氫技術(shù),促進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程,保障國家能源安全。 

      結(jié)論與期望

      氫能源是未來可以同時解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的綠色能源,是未來能源的發(fā)展趨勢。通過風(fēng)光等可再生能源電解水制氫儲能可以極大地提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性,且?guī)缀鯚o污染排放,是一種應(yīng)用前景廣闊的儲能形式。 

      本文通過對電解制氫技術(shù)及典型可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)行了深入分析及綜述,分析得出目前我國可再生能源制氫技術(shù)處于加速發(fā)展階段,但相較德國、日本等國家,我國可再生能源制氫技術(shù)仍面臨諸多屏障,如光伏、風(fēng)電制氫系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、光伏面板轉(zhuǎn)換效率、抗風(fēng)電大范圍擾動的電解槽設(shè)計技術(shù)、更高安全性的儲氫設(shè)備等有待進(jìn)一步突破。 

      因此本文總結(jié)以下結(jié)論:

      我國應(yīng)積極布局可再生能源發(fā)電與氫儲能系統(tǒng)結(jié)合,加大風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫的電力電子裝置研究,從底層優(yōu)化制氫效率。

      探索新型多能互補(bǔ)耦合制氫技術(shù)及協(xié)同控制策略,在可再生能源豐富的地方充分利用當(dāng)?shù)刭Y源,就地制氫儲能,減少電力能源遠(yuǎn)距離輸送所產(chǎn)生的損失。

      開發(fā)新型電解槽,設(shè)計改進(jìn)電解槽催化劑結(jié)構(gòu),減少對貴金屬的使用,突破電解制氫技術(shù)成本瓶頸。


      文章來源:李建林,李光輝,梁丹曦,馬速良.“雙碳目標(biāo)下可再生能源制氫技術(shù)綜述及前景展望[J].分布式能源,2021,6(05):1-9.DOI:10.16513/j.2096-2185.de.2106528.

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