電轉(zhuǎn)氫技術(shù)融入分布式智慧能源的應(yīng)用模式研討

宋天琦 劉惠萍

1.上海航天工業(yè)(集團(tuán))有限公司

2.上海市交通工程學(xué)會

0 概述

電轉(zhuǎn)氫技術(shù)，作為電轉(zhuǎn)氣技術(shù)最基礎(chǔ)與關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，一直是互聯(lián)網(wǎng)+“智慧能源”（即能源互聯(lián)網(wǎng)）發(fā)展關(guān)注的重點(diǎn)。隨著國家對氫氣作為能源的相關(guān)產(chǎn)業(yè)愈發(fā)重視以及產(chǎn)業(yè)自身的不斷發(fā)展迭代，電轉(zhuǎn)氫技術(shù)為能源互聯(lián)網(wǎng)帶來了諸多前所未有的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。

一方面，專業(yè)化、規(guī)模化氫氣制、儲、運(yùn)體系的不斷建設(shè)與完善，使分布式可再生能源電解水制氫等技術(shù)蓬勃發(fā)展。作為電轉(zhuǎn)氫技術(shù)中最具潛力的路徑之一，分布式可再生能源電解水制氫在完善氫氣供應(yīng)保障的同時(shí)，緩解了可再生能源消納與儲存等相關(guān)問題。氣電融合得以進(jìn)一步推進(jìn)，在電力能源和氣態(tài)能源之間架起更多調(diào)節(jié)調(diào)度的橋梁，十分契合氫產(chǎn)業(yè)“環(huán)境創(chuàng)新、構(gòu)建生態(tài)、多源互補(bǔ)”和能源互聯(lián)網(wǎng)“技術(shù)創(chuàng)新、模式突破”的發(fā)展方向。

另一方面，國內(nèi)外專家不斷探索向現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施注氫的可行性與技術(shù)和機(jī)制限制，上海2020 年11 月13 日發(fā)布的《上海市燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施計(jì)劃》中提出，“鼓勵寶山、金山等氫氣氣源充足地區(qū)建立局域供氫管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)高效快速供氫，建立重點(diǎn)氫氣生產(chǎn)企業(yè)供給監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)氫氣資源智能化調(diào)配與利用”，也傳遞出氫氣注入管網(wǎng)的另一種可能。在因地制宜的前提下，無論是建立局域供氫管網(wǎng)還是向現(xiàn)有區(qū)域天然氣管網(wǎng)注氫，都將為能源系統(tǒng)提供更加創(chuàng)新多元的彈性和高性價(jià)比的儲存調(diào)節(jié)能力。

1 電轉(zhuǎn)氫技術(shù)應(yīng)用路徑與案例模式梳理分析

電轉(zhuǎn)氫技術(shù)，以電解槽為核心，通過電解水來制取氫氣及副產(chǎn)品氧氣。其融入分布式智慧能源系統(tǒng)促進(jìn)電能向氣態(tài)能源轉(zhuǎn)化的應(yīng)用路徑主要有兩種（見圖1）：一是直接利用，以氫氣為連接因子，融入分布式智慧能源系統(tǒng)；二是結(jié)合適宜碳源，進(jìn)一步進(jìn)行甲烷化，將達(dá)到注入天然氣管網(wǎng)品質(zhì)的甲烷作為連接因子。

圖1 電制氫促進(jìn)電能向氣態(tài)能源轉(zhuǎn)化應(yīng)用路徑圖

融入了電轉(zhuǎn)氫技術(shù)的分布式智慧能源系統(tǒng)存在于諸多場景中。針對不同應(yīng)用場景與服務(wù)對象，其應(yīng)用模式也多種多樣。選取國外較成熟的典型案例進(jìn)行了梳理匯總，案例服務(wù)對象主要在于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及社區(qū)建筑三大領(lǐng)域。工業(yè)類用戶包含褐煤火力發(fā)電廠、熱電聯(lián)產(chǎn)廠、紙漿廠、污泥廢水處理廠、石油公司、鋼鐵生產(chǎn)廠、廢水處理廠、煉油廠等；農(nóng)業(yè)類用戶包含生物質(zhì)（泥炭和森林殘留物）熱電聯(lián)產(chǎn)廠、葡萄園等；社區(qū)建筑類則應(yīng)用于羅馬、柏林、哥本哈根等城市。

對案例進(jìn)行多角度歸納：從電力來源、最終氣態(tài)能源產(chǎn)品等關(guān)鍵融合點(diǎn)入手，形成應(yīng)用模式關(guān)鍵融合點(diǎn)匯總表（見表1）；從碳源、副產(chǎn)品與服務(wù)對象產(chǎn)業(yè)融合利用等擴(kuò)展融合點(diǎn)入手梳理匯總，形成應(yīng)用模式擴(kuò)展融合點(diǎn)匯總表（見表2）。

2 電轉(zhuǎn)氫技術(shù)在分布式智慧能源中應(yīng)用模式分析

可再生能源是電力來源的主力。多數(shù)案例全部或部分采用可再生能源所發(fā)電力進(jìn)行電解，常見的主要有風(fēng)電、光伏發(fā)電以及水電。同時(shí)，核電和處理廢棄生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)所發(fā)電力，常具有較好的價(jià)格優(yōu)勢，也可用作電源。此外，也有未滿負(fù)荷供電的并網(wǎng)電廠，利用其富余容量發(fā)電參與電解制氫的案例。

最終產(chǎn)物利用方面，當(dāng)為天然氣時(shí)，注入管網(wǎng)是主要選擇。同時(shí)，也可就地單獨(dú)或與氫氣混合作為燃料利用。當(dāng)為氫氣時(shí)，多作為供熱燃料和交通工具燃料。同時(shí)有案例將其作為工業(yè)原料利用。此外，也有案例注入允許一定比例氫氣摻混的天然氣管網(wǎng)中。

碳源獲取方面，環(huán)境友好且易捕捉收集是優(yōu)先考慮來源的主要因素。主要選擇有發(fā)動機(jī)、鍋爐等廢氣中的CO2和其他碳密集型產(chǎn)業(yè)中的CO2，如液化石油氣中捕獲酰胺基CO2、硫酸鹽紙漿廠的木基CO2等。

應(yīng)用模式具有與場景精準(zhǔn)匹配的特點(diǎn)。依據(jù)應(yīng)用場景個(gè)性化的屬性或工藝流程，充分利用電轉(zhuǎn)氫的副產(chǎn)品及電轉(zhuǎn)氫后續(xù)流程甲烷化的潛在功能，可找到有效提升整體能源效率和經(jīng)濟(jì)性的路徑。例如，紙漿廠電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)的副產(chǎn)品氧氣，可用于現(xiàn)場的木質(zhì)素脫除和漂白環(huán)節(jié)；煉油廠電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)目前已有1MW 規(guī)模案例，如加拿大安大略省的煉油廠，其副產(chǎn)品氧氣就地用于工藝中的富氧環(huán)節(jié)（如流體催化裂化、硫磺回收、爐加熱、廢水處理），等等。

表1 應(yīng)用模式關(guān)鍵融合點(diǎn)匯總表

表2 應(yīng)用模式擴(kuò)展融合點(diǎn)匯總表

3 國內(nèi)相應(yīng)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢

針對電轉(zhuǎn)氫技術(shù)應(yīng)用場景多元化、個(gè)性化的特點(diǎn)，采用一體化、模塊式產(chǎn)品將是應(yīng)對其產(chǎn)品技術(shù)適應(yīng)性和成本進(jìn)行優(yōu)化的思路。目前國內(nèi)電解制氫產(chǎn)品較多，但同時(shí)兼顧第二段氫氣甲烷化的聯(lián)合應(yīng)用產(chǎn)品幾乎空白。

航天智慧能源研究院開發(fā)的圍繞PEM 技術(shù)和化學(xué)甲烷化技術(shù)展開的三段式分系統(tǒng)樣機(jī)——模塊式電解制氫裝置、模塊式甲烷化反應(yīng)裝置以及燃?xì)庾⑷胭|(zhì)量控制裝置，是國內(nèi)該技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域的探索先鋒。經(jīng)過聯(lián)動設(shè)計(jì)，其模塊化產(chǎn)品可輕松實(shí)現(xiàn)電解制氫及二段制甲烷系統(tǒng)的構(gòu)建，并提升了整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平，正嘗試應(yīng)用于我國相應(yīng)場景中，參見圖2。

4 思考與建議

高性價(jià)比的電源將是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保證應(yīng)是共識。歐盟多國的氫能戰(zhàn)略規(guī)劃數(shù)據(jù)，均將之作為聚焦點(diǎn)之一。日本作為氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程較長，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累較豐富的國家，對氫氣情有獨(dú)鐘，其早期戰(zhàn)略思想便來源于大力發(fā)展核電可以產(chǎn)生低成本且大量的電力，用于電解法制氫氣[1]。

在能源互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展變革的大背景下，伴隨著2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和的推進(jìn)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合《上海市燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施計(jì)劃》倡導(dǎo)的目標(biāo)，充分挖掘和發(fā)揮電轉(zhuǎn)氫技術(shù)的應(yīng)用能級，建議可從技術(shù)、機(jī)制以及產(chǎn)業(yè)服務(wù)等方面找到著力點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)更大作為。

圖2 電制氫相應(yīng)技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展趨勢與應(yīng)用

技術(shù)上，電轉(zhuǎn)氫技術(shù)的應(yīng)用涉及多領(lǐng)域、跨行業(yè)。充分互補(bǔ)、資源互享才能更好與應(yīng)用場景結(jié)合，最大化服務(wù)對象乃至整個(gè)社會的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)揮技術(shù)潛力和影響力。一是促進(jìn)氣電碳耦合，運(yùn)用資本手段使電網(wǎng)公司、燃?xì)馄髽I(yè)乃至碳產(chǎn)業(yè)和生物質(zhì)相關(guān)企業(yè)的相互耦合，促進(jìn)融合發(fā)展。二是基于深度低碳的技術(shù)解決方案，研發(fā)一體化、模塊化、經(jīng)濟(jì)性高的產(chǎn)品。三是結(jié)合崇明生態(tài)島的低碳訴求和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、臨港新片區(qū)能源系統(tǒng)的綠色韌性需求等開展示范項(xiàng)目實(shí)踐，形成可復(fù)制、可推廣的技術(shù)方案和示范項(xiàng)目。

機(jī)制上，繞不開行業(yè)內(nèi)一致認(rèn)為亟待解決的問題：如何將制氫環(huán)節(jié)從“化工區(qū)”里安全穩(wěn)妥地“放”出來，允許其在創(chuàng)新場景中落地生根。新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，需要經(jīng)歷變革與磨合。一是在政府的指導(dǎo)下、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持下，通過試點(diǎn)項(xiàng)目或課題研究聯(lián)動政產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)，充分研究論證。二是參考科研示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，大膽突破改革現(xiàn)有機(jī)制體制。

產(chǎn)業(yè)服務(wù)模式上，加強(qiáng)協(xié)同聯(lián)動。一是行業(yè)協(xié)會及學(xué)會的相關(guān)專業(yè)委員會，可結(jié)合各應(yīng)用場景相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，一起開展工作，發(fā)揮平臺型、開放型、樞紐型組織的作用。二是匯聚各方資源和力量，打造“產(chǎn)業(yè)群”“企業(yè)圈”。基于氫安全，從氫來源到氫應(yīng)用場景，從氫技術(shù)到氫產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，從氫服務(wù)到氫商業(yè)模式，齊心協(xié)力共促氫能產(chǎn)業(yè)健康有序高質(zhì)量發(fā)展！