風(fēng)電耦合電解水制氫技術(shù)研究

浙江浙能航天氫能技術(shù)有限公司 潘 塵

1 引言

我國幅員遼闊，風(fēng)能資源非常豐富且分布廣泛。風(fēng)能資源清潔低碳安全高效，具有較大的開發(fā)潛力，是新能源開發(fā)的重點(diǎn)對象。根據(jù)氣象局估算，我國陸地70m 高度層年平均風(fēng)能密度達(dá)到300W/m2和200W/m2以上的可開發(fā)風(fēng)能資源分別為2.6TW 和3.6TW；離海岸線50km 的近海海域，水深不超過50m 的海上可發(fā)電裝機(jī)容量約為500GW[1]。

氫能具有清潔無污染、可長期存儲、應(yīng)用場景豐富等優(yōu)點(diǎn)，備受能源領(lǐng)域關(guān)注，相關(guān)研究人員將氫能譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”。世界主要發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、德國等對氫能重視程度不斷提高。國際能源署預(yù)測到2050年全球氫氣需求量近3億噸，到2070年達(dá)到5.2億噸；中國氫能聯(lián)盟預(yù)測我國到2050年接近6000萬噸。伴隨著我國社會發(fā)展速度不斷提高，能源消耗日益增加，越來越重視氫能的開發(fā)應(yīng)用。目前，我國已具備產(chǎn)業(yè)化條件，地方政府與氫能行業(yè)不斷加大對氫能的研發(fā)，為氫能應(yīng)用提供幫助。

黨的十九大報告明確提出：“構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系”，減少傳統(tǒng)石化能源使用，降低二氧化碳排放，清潔能源為主導(dǎo)的能源轉(zhuǎn)型革命將使我國既能實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)，又能維持經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。風(fēng)氫耦合系統(tǒng)將在能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮重要作用，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效消納風(fēng)能，充當(dāng)能源緩沖載體以提高能源系統(tǒng)韌性[2]。

2 常用氫氣制備技術(shù)

2.1 生物法制氫

生物法制氫本質(zhì)是通過某種生物體，如化學(xué)轉(zhuǎn)化細(xì)菌、向光性細(xì)菌或藻類中存在與制氫有關(guān)的微生物酶（主要是固氮酶和氫酶），在陽光的照射下，借助厭氧發(fā)酵與光合生物的光合作用完成制氫。生物法制氫可以有效利用工農(nóng)業(yè)廢棄物、城市污水、養(yǎng)殖場廢水等可再生資源，是一種可持續(xù)地從自然界中獲取氫氣的方法。該研究起源于20世紀(jì)七十年代的能源危機(jī)，具有清潔、節(jié)能和不消耗礦物資源等優(yōu)點(diǎn)，不會破壞環(huán)境，造成環(huán)境污染，是一種理想且很有前景的制氫技術(shù)。目前，實(shí)際制氫效率與穩(wěn)定性較低，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2 化石燃料制氫

化石燃料制氫是目前主流的制氫技術(shù)，主要有兩種主導(dǎo)的制氫工藝，分別是天然氣制氫和煤炭氣化制氫，國際可再生能源機(jī)構(gòu)（International Renewable Energy Agency，IRENA）數(shù)據(jù)顯示，目前超過95%的氫氣從化石燃料中制取。但是這種制氫方式從綠色發(fā)展角度來看碳排放量較高，約占全球總排放量的2.2%，制取的氫氣叫“灰氫”，會給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，與碳中和目標(biāo)背道而馳。且這種制氫方式取得的氫氣含雜質(zhì)較高，需要提純。從制氫成本來看，煤氣化制氫成本較低。若要控制這兩種制氫方式的碳排放強(qiáng)度，需在制氫過程中結(jié)合碳捕集與封存（CCS）技術(shù)，這會大幅提高制氫成本。

2.3 太陽能制氫

太陽能制氫是一種利用太陽能來生產(chǎn)氫氣的過程，被看作是一種最有前景的制氫方式之一。太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的研究已經(jīng)有60年的歷史，太陽能制氫是最近三、四十年發(fā)展起來的新興技術(shù)，主要包括熱化學(xué)法制氫、光電化學(xué)分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫等。其最大的技術(shù)障礙是氫和氧分裂后又很容易再次結(jié)合，科學(xué)家們正在尋找一種能使水的兩個組成元素氫、氧彼此分離的催化劑[3]。上述方法利用太陽能制氫的效率還有待進(jìn)一步提高，目前都還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一段路程。

2.4 電解水制氫

電解水制氫主要原材料為水。在水中通過電流后，水分子在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。全部生產(chǎn)流程中不會產(chǎn)生廢物，無溫室氣體排放，制氫效率高，屬于綠色環(huán)保制氫技術(shù)。在“碳中和”目標(biāo)下，大力發(fā)展電解水制氫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)由“灰氫”到“綠氫”轉(zhuǎn)化意義重大。

3 電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展

根據(jù)隔膜差異，目前主要的三種電解水技術(shù)分別是堿性電解、固體聚合物水電解和固體氧化物水電解。

3.1 堿性電解制氫技術(shù)

早在20世紀(jì)中期，堿性電解制氫技術(shù)就完成了工業(yè)化建設(shè)。是當(dāng)前成熟、商業(yè)化程度較高的電解制氫技術(shù)。通常采用KOH 或NaOH 當(dāng)做電解質(zhì)，選用石棉為隔膜，使用非貴金屬如Ni、Co、Mn 等為催化劑，主反應(yīng)在電解槽中完成。電解槽會被隔膜分解成陰陽兩部分，并且各自存在電極，在陰極處產(chǎn)生氫氣，在陽極處產(chǎn)生氧氣。其操作溫度在70～90℃，效率在70%～80%，系統(tǒng)電耗4.5～7.1kWh·m3，設(shè)備運(yùn)行壽命在20～30年[4]，產(chǎn)生的氫氣中含有堿霧和水氣，需經(jīng)輔助設(shè)備清除。傳統(tǒng)電解槽存在功率調(diào)節(jié)與啟動慢的缺點(diǎn)，隨著電源技術(shù)的改進(jìn)，堿水電解槽快速響應(yīng)調(diào)頻能力得到提高，和可再生能源系統(tǒng)耦合適配性大幅提高。對相關(guān)研究進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電功率處于不斷變化之中，堿水電解槽自身負(fù)荷可以滿足因風(fēng)速變化所造成的影響，實(shí)際響應(yīng)時間不超過1s，且堿水電解槽運(yùn)行負(fù)荷較寬，在10%～100%均可穩(wěn)定運(yùn)行，綜上可滿足在不穩(wěn)定供電時穩(wěn)定制氫的條件。

3.2 固體聚合物水電解制氫技術(shù)

固體聚合物水電解制氫技術(shù)采用質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane,PEM）代替石棉膜完成質(zhì)子傳導(dǎo)，主要是因?yàn)橘|(zhì)子交換膜可以更好地隔絕電極兩側(cè)的氣體，可以緩解堿水電解使用強(qiáng)堿性融合所造成的缺點(diǎn)。其工作溫度較低，在50～80℃，效率約為75%，系統(tǒng)電耗4.5～7.5kWh·m3。且設(shè)備體積小、質(zhì)量輕、啟停速度快、模塊操作等優(yōu)點(diǎn)，適合用于可再生能源豐富的地區(qū)，但是PEM 電解設(shè)備價格非常高，對PEM 和催化劑也有較高的技術(shù)要求，導(dǎo)致其無法被大范圍普及，目前仍處在試驗(yàn)階段。

3.3 固體氧化物水電解制氫技術(shù)

固體氧化物水電解技術(shù)在三種電解技術(shù)中能耗最低，為3.6～4.5kWh/Nm3，電解質(zhì)材料為固體氧化物，其工作溫度為500～1000℃。通過向電解池外部施加電壓，將水分解為氫氣和氧離子，離子通過致密的鈣鈦礦類陶瓷到達(dá)氧電極生成氧氣。該技術(shù)的最大優(yōu)勢在于能量轉(zhuǎn)換效率高，缺點(diǎn)為設(shè)備成本較高（需要貴金屬作為催化劑）、材料退化快（介質(zhì)中混入的其他雜質(zhì)離子對催化劑有毒害作用）、不安全性較高、啟動速度慢等。

4 風(fēng)電耦合制氫優(yōu)勢及工作模式

我國具有豐富的風(fēng)力資源，因風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自身具有間歇性與隨機(jī)性特點(diǎn)，是限制風(fēng)電并網(wǎng)的主要問題，但隨著風(fēng)電規(guī)模的擴(kuò)張，電能消納及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)更受關(guān)注。2019年，我國棄風(fēng)、棄水、棄光電力合計(jì)約720億kWh，2020年甘肅棄風(fēng)率就高達(dá)13.8%[5]，棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。為實(shí)現(xiàn)達(dá)成“碳達(dá)峰”“碳中和”任務(wù)目標(biāo)，解決大規(guī)模的能源消納、可再生能源發(fā)電量過剩問題，風(fēng)電耦合電解水制氫是實(shí)現(xiàn)可再生能源充分利用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到氫能轉(zhuǎn)換的理想途徑之一。

4.1 風(fēng)電耦合制氫的優(yōu)勢

優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高風(fēng)電利用率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組首要任務(wù)是向電網(wǎng)供電，但風(fēng)的間歇性和隨機(jī)波動性造成風(fēng)能穩(wěn)定性低、品質(zhì)差，接入電網(wǎng)會產(chǎn)生電壓和頻率的不穩(wěn)定，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，被稱為“垃圾電”。電解水制氫系統(tǒng)具備一定的寬功率波動適用性，當(dāng)電網(wǎng)客戶端負(fù)荷用電量較小時，多余電能將被傳輸至電解水裝置中，將電能轉(zhuǎn)化為氫能方式進(jìn)行存儲，減少“棄風(fēng)”，提高消納水平；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過大，風(fēng)電機(jī)組處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時，氫氣與氧氣通過燃料電池產(chǎn)生電能，發(fā)揮快速功率調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，降低電網(wǎng)的不穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大程度提高風(fēng)電利用率和經(jīng)濟(jì)性。

實(shí)現(xiàn)能量存儲，提高氫能利用率。我國風(fēng)能儲量大、分布廣，但其能量密度低（只有水能的1/800），風(fēng)力資源具有極大的不確定性、隨機(jī)性，能量無法存儲，導(dǎo)致風(fēng)能發(fā)電無法被廣泛應(yīng)用。氫能具有能量密度高、容量大、壽命長、便于儲存和傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，是優(yōu)秀的二次能源，在“雙碳”目標(biāo)的大前提下，有效利用氫能極具重要性。

借助電解水制氫可以有效解決風(fēng)能存儲問題，氫能主要儲運(yùn)方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機(jī)化合物儲運(yùn)氫、管道輸氫等。氫氣通過管道或高壓儲氣罐，可以進(jìn)入工業(yè)或商業(yè)領(lǐng)域，如燃料電池車、冶金、化工等行業(yè)。也可以將多余的氫氣摻入天然氣管道，相比較天然氣、煤炭、原油等化工材料，氫的熱值較高，燃燒1kg 氫可放出143MJ 的熱量，約為天然氣的1.6倍，可以減少溫室氣體排放，符合我國綠色能源發(fā)展趨勢，未來還可利用儲氫實(shí)現(xiàn)跨季調(diào)峰等應(yīng)用。發(fā)展風(fēng)氫耦合實(shí)現(xiàn)可再生能源和氫能之間的轉(zhuǎn)換情形較為理想。

有效利用資源，降低綜合成本。電解水制氫需要大量的水資源，單獨(dú)運(yùn)輸水資源成本較高，由于全球96.5%的水是海水，而非冰凍淡水僅占1%，直接電解海水似乎是一種理想的制氫方法。全球風(fēng)能委員會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2020年年底，中國的海上風(fēng)電裝機(jī)容量為9.96GW，其中2020年的新增容量超過3GW，占全球新增容量的50.45%，連續(xù)3年在海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量居世界首位。且在2020年的北京國際風(fēng)能大會上，國家能源局明確表示將會更大力度的發(fā)展海上風(fēng)電，海上風(fēng)電場的離岸距離將會從50km 逐步增加至100km。綜合上述情況遠(yuǎn)海風(fēng)電耦合淡化海水制氫具有更深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

4.2 風(fēng)電耦合制氫的工作模式

風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、能量管理系統(tǒng)、水解制氫設(shè)備、儲氫/儲氧設(shè)備、燃料電池、輸送管道等。在有風(fēng)天氣，風(fēng)能作用于風(fēng)機(jī)葉片使其轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)完成風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化。電能在能量管理系統(tǒng)的管理下給電網(wǎng)供電，多余的電能用于蓄電池充電或電解水制氫系統(tǒng)運(yùn)行，將所獲得氫氣儲存在儲氫罐內(nèi)，氧氣存在儲氧罐中。當(dāng)風(fēng)能減少時，在能量管理系統(tǒng)的控制下，對燃料電池的發(fā)電功率進(jìn)行決策，完成氫能到電能的轉(zhuǎn)化，在蓄電池的協(xié)同下，向電網(wǎng)供電，保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。多余的氫氣、氧氣可以通過輸送管道另作其他商用。詳見圖1。

圖1 風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)

5 風(fēng)力耦合電解水制氫運(yùn)行模式研究

風(fēng)電耦合電解水制氫運(yùn)行模式根據(jù)是否和電網(wǎng)連接可分為離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行。其中，離網(wǎng)運(yùn)行又可分為風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備+儲能系統(tǒng)兩種模式；并網(wǎng)運(yùn)行也可分為風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備+儲能系統(tǒng)兩種模式。我國風(fēng)電耦合制氫發(fā)展較晚，目前還沒有規(guī)模化的示范工程。

5.1 離網(wǎng)運(yùn)行一：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備

風(fēng)力發(fā)電機(jī)不和公共電網(wǎng)相連接，與電網(wǎng)相互獨(dú)立，風(fēng)電場的輸出端直接和電解制氫設(shè)備相連，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)能直接供給電解水制氫設(shè)備。這是一種最簡單的風(fēng)電耦合制氫模式，主要用于制氫站，投資小，高效低成本，且不會對電網(wǎng)造成沖擊。意大利ENEA 研究中心發(fā)現(xiàn)，制氫系統(tǒng)需在10%～100%出力范圍內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)功率小于設(shè)備的最小運(yùn)行功率時，電解槽將被迫停機(jī)，重新啟動電解槽需要30～60min，制氫效率和氫氣品質(zhì)將無法保證。長期運(yùn)行在不穩(wěn)定負(fù)荷下將縮短電解水制氫設(shè)備的壽命，對氫氣純度和系統(tǒng)的安全性造成影響。

5.2 離網(wǎng)運(yùn)行二：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備+儲能系統(tǒng)

該模式克服前一種模式的缺點(diǎn)，增加了儲能系統(tǒng)來平抑風(fēng)電不穩(wěn)定的影響，不光可以用于制氫站，還可組建微電網(wǎng)，以滿足偏遠(yuǎn)未通電地區(qū)的用電需要。集中式智能化電網(wǎng)+分布式發(fā)電為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)是未來電力供應(yīng)的發(fā)展方向，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。儲能系統(tǒng)一般配置大容量蓄電池或燃料電池，以提高電解水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加設(shè)備的壽命與安全性。該系統(tǒng)固定投資大，因此在設(shè)計(jì)儲能容量的大小時需通過進(jìn)行生命周期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化分析論證確定，考慮的因素包括：一是當(dāng)整組風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都處于停止?fàn)顟B(tài)時，可以滿足制氫系統(tǒng)安全停機(jī)用電需求；二是風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘颗c制氫系統(tǒng)總?cè)萘恐睢?/p>

5.3 并網(wǎng)運(yùn)行一：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備

在此模式以制氫為主，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，當(dāng)儲氫裝置充滿后多余的風(fēng)電用于并網(wǎng)供電；當(dāng)風(fēng)力不足時，利用電網(wǎng)的供電來保證制氫系統(tǒng)的安全停機(jī)，或以低谷電制氫有利于電網(wǎng)填谷需求。該模式?jīng)]有儲能系統(tǒng)，固定投資最少，但部分利用了電網(wǎng)的電，制取的氫屬于“灰氫”或“藍(lán)氫”，違背了新能源制氫的初衷。

5.4 并網(wǎng)運(yùn)行二：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+電解水制氫設(shè)備+儲能系統(tǒng)

該模式在有效利用風(fēng)電的同時，有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是利用“棄風(fēng)”制氫降低制氫成本。相關(guān)研究表明，電解制氫裝置的最佳運(yùn)行功率范圍在25%～100%，利用棄風(fēng)電力制氫的成本可低至22.4元/kg 左右，電網(wǎng)取電制氫的成本則在32.5元/kg 左右。二是可以優(yōu)化電源品質(zhì)，提高并網(wǎng)“友好性”。在用電高峰時，在能量管理系統(tǒng)的控制下利用儲能系統(tǒng)的蓄電池，結(jié)合燃料電池發(fā)電，氫能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)一步提升風(fēng)電輸出效率，優(yōu)化電源質(zhì)量；在用電低谷時，利用低谷電制氫填谷。

6 結(jié)語

2020年，中國水電解制氫只占全國制氫原料1%。2019年6月26日，中國氫能聯(lián)盟在山東濰坊發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，預(yù)計(jì)到2030年，氫能市場發(fā)展中期，可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體。筆者針對常用風(fēng)電耦合電解水制氫技術(shù)及應(yīng)用模式展開詳細(xì)闡述。相信在不遠(yuǎn)的“3060”，必將告別“碳經(jīng)濟(jì)”迎來“氫經(jīng)濟(jì)”，風(fēng)電耦合電解水制氫項(xiàng)目建設(shè)與規(guī)模擴(kuò)張是未來必經(jīng)的發(fā)展路，幫助我國早日實(shí)現(xiàn)“綠氫”理念推廣，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。