干貨 | 可再生能源電解水制氫儲能應用前景廣闊

發布時間:2022年03月25日  瀏覽量:

引言


隨著“十四五”電力規劃的實施,我國正加速能源清潔化轉型進程,脫碳減排需求日益增長,在“3060雙碳”戰略指導下,“十四五”期間風電、光伏等可再生能源將迎來發式增長,可再生能源將逐步替代傳統化石能源占據能源領域主導地位。


基于可再生能源發展不平衡的矛盾,及風電、光伏等可再生能源波動性和間歇性特點,配置儲能系統是解決當前大規模棄風、棄光問題的有效手段,開發新型高效的儲能方式不僅可以進一步提高電力系統靈活性,也是解決我國可再生能源發電量過剩最根本的辦法。


氫能是一種理想的能量儲存介質,采用氫儲能技術可有效解決我國可再生能源消納及并網穩定性問題。通過棄風、棄光電力電解水制氫技術實現電氫轉換,合理利用棄風、棄光能源,同時平抑可再生能源并網波動,實現能源的時空平移。


在低碳發展和能源轉型的大背景下,“十四五”期間氫能產業將迎來重要的機遇。


寧夏寶豐“太陽能電解水制氫綜合示范項目”引進單套產能1000m3/h的電解槽設備,綠氫綜合制造成本為0.7元/m3,裝置年產2億m3氫氣+1億m3氧氣。


吉林風光電結合海水制氫技術前期研究預計總裝機容量400MW,其中示范制氫10MW。


河北沽源風電制氫綜合利用示范項目一期年底投產后可形成年制氫700.8萬m3,是全球最大風電制氫項目。


基于我國可再生能源制氫技術難題及氫能發展瓶頸,本文通過分析國內外可再生能源制氫技術現狀,對可再生能源電解水制氫技術歸類整理,分別綜述風電制氫、太陽能制氫及風光耦合制氫技術,總結各類規?;茪浼夹g特點,結合我國“雙碳目標”及“十四五”氫能規劃要求,對我國“雙碳目標”下可再生能源制取綠氫技術前景及趨勢進行展望。


電解水制氫氣技術及現狀


可再生能源制氫當前主流技術是采用電解水制氫,即將棄風、棄光能源所發電力接入電解槽電解制氫,并通過儲氫罐等設備存儲為后續氫燃料電池發電做備用。


其中,電解槽根據電解質的不同主要可以分為堿性電解槽、質子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽3種,3種電解制氫技術各指標對比如表1所示。


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表1 三種典型電解制氫技術對比


由表1可以看出:堿性電解槽技術相對比較成熟,可以應用于大規模制氫,且工藝簡單,成本低,但其難以快速啟動及適應變載,無法快速調節制氫速率,與可再生能源發電適配性較差。


質子交換膜電解槽負荷范圍寬,運行更加靈活,更適用于平抑可再生能源并網的波動性,且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術快一倍以上,適用于交通、航空等需要快速啟動的領域,但當前技術還未實現大的突破,難以實現大規模商業化制氫。


固體氧化物電解制氫技術應用相較前者少的多,距離規?;茪鋺蒙行柘嚓P材料和催化劑技術進一步攻關,但其能耗低、能量轉換效率高的優點將使其在未來成為主流可再生能源規?;茪浼夹g,因此我國應提前布局新興電解槽技術,攻關固體氧化物電解制氫技術難點。


在我國氫能市場中,堿性電解水制氫技術占據著主導地位,被更加廣泛地應用于各大型電解水制氫項目中。


近年來,因質子交換膜電解槽運行更加靈活且負載范圍寬的特性,國內新建項目逐步轉為采用質子交換膜技術耦合可再生能源發電進行規?;茪?,因此,開發新型電解槽技術,進一步提高電解水制氫效率和穩定性。


電解水制氫工藝近年來發展迅猛,不斷突破技術瓶頸,并有大批規?;娊庵茪漤椖柯涞?,為可再生能源電解制氫技術提供了實踐支撐。目前國內可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術為主,國外質子交換膜電解制氫技術應用實例較多。


加拿大20MW項目作為全球最大的質子交換膜電解水制氫項目可實現日產氫8640kg,該項目所采用的即為5MW質子交換膜電解水制氫設備。


丹麥1.2MW項目采用就地制氫的方案,在風電場附近建立制氫、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電消納,同樣采用的質子交換膜電解水制氫技術。


因此,本文建議:我國應重視質子交換膜電解水制氫技術的發展,重點突破質子交換膜電解槽的催化劑技術、雙極板材料、膜電極等關鍵技術和部件的研發和制造技術,通關提高催化劑效率降低質子交換膜電解水制氫成本,通過研發制造更高性能的雙極板材料提高質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,電解水制氫年產量約9億m3,堿性電解水技術占絕對主導地位。


目前,國內堿性電解水設備的單臺產能最大可達1000m3/h,電解水設備制造廠家主要有中國船舶重工集團公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設備有限公司及蘇州競立制氫設備有限公司等。


可再生能源制氫技術分類


傳統的電解水制氫在發電環節多采用火電,伴隨著大量碳排放,而可再生能源制氫采用的是風電、光電等能源,是真正意義上的綠氫制取技術。


下面分別以2類典型可再生能源制氫技術展開,介紹其基本原理與系統架構,并總結國內外學者研究現狀,對我國可再生能源制氫技術進一步發展提供借鑒和參考。


1)風電制氫技術


風力發電制氫系統根據與電網連接情況可以分為并網型風電制氫系統和離網型風電制氫系統,目前我國離網條件下風電耦合制氫技術尚處于起步階段,大多采用并網型風電耦合制氫系統,整體系統結構如圖1所示,包括風力發電機組、儲能變流器(PCS)能量轉換及控制系統、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機、高壓儲氫罐等部分。


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圖1 風電并網制氫系統結構圖


從已有研究可知,風電資源用于大規模制氫及提高風電消納在經濟效益上是完全可行的,且全過程近乎零碳排放,無污染,因此,風電制氫技術具有很好的應用前景。


此外,遠海風力資源豐富,可用于發展更大裝機容量的風電場,國外學者LloydJames等人提出整合電解制氫與海上風電資源,將電解制氫裝置集成到海上風電發電項目中,防止海上風力渦輪發電機與陸地連接點之間所產生的運輸損失和因電力轉換而造成的能源損失。


國內學者邵志芳等人對我國某地海上風電場規?;茪溥M行了可行性綜合評價,提出海上風電規?;茪渚哂泻芎玫纳鐣熬?。


國內外大批風電制氫項目的落地也為風電制氫技術提供了工程支撐。


2014年,國家863項目“風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示范”啟動,該項目中制氫功率為100kW,燃料電池發電為30kW。


同年,“氫儲能關鍵技術及其在新能源接入中的應用研究”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固態金屬合金儲氫以及10kW質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電制氫項目,該項目投建10MW電解水制氫系統配合200MW風電場制氫,具有年制氫1752萬m3的生產能力。


因此,風電制氫技術將在我國實現“雙碳目標”的道路上起到至關重要的作用,不僅可提供大量氫能源,還副產多種有直接經濟效益的產品,風電制氫技術對未來產業發展意義重大。


2)光伏發電制氫技術


光伏發電制氫即將太陽能面板轉化的電能供給電解槽系統電解水制氫,系統整體結構類似風力發電制氫系統。其中,光伏發電技術主要是基于半導體的光電效應,光伏發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,系統整體結構如圖2所示。


圖2 光伏發電制氫系統結構圖


隨著我國可再生能源的迅猛發展及國家政策的大力支持,光伏發電相關技術及建設規模已達世界領先水平,光伏發電成本持續下降,因此在我國能源清潔化轉型進程中,光伏+氫的組合將在脫碳減排工作中扮演不可或缺的角色。 


在現有理論研究基礎上,國內政策積極推動了相關項目的實施落地。


鄂爾多斯市準格爾旗納日松光伏制氫產業示范項目配置了40萬kW光伏、1萬t/a電解水制氫、8~10座35MPa加氫站和500輛氫能重卡,該項目被列入內蒙古自治區2021年度風光氫一體化示范項目清單,有望助力內蒙地區加速碳中和進程。


2021年,凱豪達氫自主設計生產的一期制氫項目光伏制氫與燃料電池熱電聯供系統裝置,完成調試驗收工作,該裝置由太陽能光伏發電、電解水制氫、儲氫罐、燃料電池熱電聯供系統組成,不僅能解決新能源消納問題,還能為偏遠地區供熱供電,對天然氣摻氫的應用場景也有重要的示范作用。


3)風光互補發電制氫技術/多能耦合發電制氫


眾多研究案例表明,在發電機組容量相同時,風光互補發電制氫儲能系統相較于單一含有風電或光伏發電制氫的系統具有以下優點:

  • 利用風能、太陽能的互補性,可以獲得比較穩定的輸出,系統有較高的穩定性和可靠性;
  • 在保證同樣供電的情況下,可大大減少儲能蓄電池的容量;
  • 通過合理地設計與匹配,可以基本上由風光互補發電系統供電,很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發電機組等,可獲得較好的社會效益和經濟效益,符合脫碳減排理念。因此,多種可再生能源互補耦合發電制氫將是我國實現“雙碳目標”的重要手段。


風光互補耦合發電制氫系統由風力發電系統、太陽能發電系統、電解制氫裝置及氫能儲存和利用系統組成,系統總體框架如圖3所示。



近年來,國內學者開始針對風光互補耦合發電制氫技術展開了研究,并開始探索更多可再生能源實現多能耦合制氫系統的可行性。


2017年,楊衛華等人針對不同應用規模下風光互補發電儲能系統進行了優化設計,提出需結合系統建設地點氣候環境,考慮風機、光伏面板參數特性合理分配容量才可以最大化風光資源利用率。


2018年,蔣康樂提出了一種風光互補聯合制氫系統的環境效益評價方法,認為風光互補聯合制氫系統在不同地區的利用對光照和風力資源曲線的重視度不同。


2019年,陳建明等人分析了應用氫儲能技術來解決能源發展中棄風棄光問題的可行性,提出可再生能源制氫儲能技術可最大程度避免能源浪費,風光互補制氫系統技術領域的相關研究對我國能源清潔化轉型及脫碳減排進程具有極大促進作用。


總體來看,多能互補耦合發電制氫將會是氫儲能領域的未來趨勢,相關學者應深入研究,探索并推廣更低成本的風光互補制氫技術,促進我國能源轉型進程,保障國家能源安全。


論與期望


氫能源是未來可以同時解決能源危機和環境污染問題的綠色能源,是未來能源的發展趨勢。通過風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安全穩定性,且幾乎無污染排放,是一種應用前景廣闊的儲能形式。


本文通過對電解制氫技術及典型可再生能源制氫技術進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處于加速發展階段,但相較德國、日本等國家,我國可再生能源制氫技術仍面臨諸多屏障,如光伏、風電制氫系統中風機結構設計、光伏面板轉換效率、抗風電大范圍擾動的電解槽設計技術、更高安全性的儲氫設備等有待進一步突破。


因此本文總結以下結論:

  • 我國應積極布局可再生能源發電與氫儲能系統結合,加大風電、光伏等可再生能源制氫的電力電子裝置研究,從底層優化制氫效率。
  • 探索新型多能互補耦合制氫技術及協同控制策略,在可再生能源豐富的地方充分利用當地資源,就地制氫儲能,減少電力能源遠距離輸送所產生的損失。
  • 開發新型電解槽,設計改進電解槽催化劑結構,減少對貴金屬的使用,突破電解制氫技術成本瓶頸。



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


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