風(fēng)電制氫經(jīng)濟性及發(fā)展前景探索

王登峰

（中國石化集團新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083）

0 引言

氫能是一種清潔的二次能源，其能量密度高、容量大、便于儲存和運輸，利用風(fēng)能等可再生能源發(fā)電制氫，可以實現(xiàn)可再生能源多途徑的高效利用，是未來重要的清潔能源之一。

1 風(fēng)電制氫技術(shù)的類型及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)要求

風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)一般是由風(fēng)能機組、電解水設(shè)備、儲氫裝置、能源電池等設(shè)備構(gòu)成。圖1 為風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)的風(fēng)電棄風(fēng)量結(jié)構(gòu)，上半部包括棄風(fēng)制氫工藝部分，下半部則包括了風(fēng)能并網(wǎng)部分[1-2]。在棄風(fēng)制氫工藝部分，風(fēng)能完成過濾處理后利用ADˉDC 整流變換模塊，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并利用直流支撐線路連接DCˉDC 電路，對直流電進行降壓或升壓處理后，將直流電轉(zhuǎn)換成適合制氫工藝的能量，從而完成制氫。在風(fēng)能并網(wǎng)部分，利用低階濾波電路單元、ADˉDC 整流變換單元、逆變和高頻次的濾波電路模塊，將風(fēng)能的高頻諧波全部濾去，形成滿足并網(wǎng)要求的優(yōu)質(zhì)電能，再利用升壓變壓器為電網(wǎng)供電。風(fēng)電并網(wǎng)側(cè)和制氫工藝側(cè)應(yīng)實現(xiàn)合理的能量配置，在風(fēng)能滿足用電需求的前提下，利用多余的風(fēng)電資源完成制氫，以實現(xiàn)能量利用最大化[3-6]。

從科學(xué)技術(shù)角度考慮，由于風(fēng)能具有隨機數(shù)列、質(zhì)量不固定、波動范圍大等特性，風(fēng)能發(fā)動機、電解水制氫裝置、風(fēng)電場能源管理系統(tǒng)等都具有較高的使用效率。風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)的風(fēng)電棄風(fēng)量結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)的風(fēng)電棄風(fēng)量結(jié)構(gòu)

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電機

風(fēng)力發(fā)電廠不但要將能量經(jīng)由變流裝置送入電網(wǎng)，還需要為電解設(shè)備供電，因此風(fēng)力發(fā)動機需要具備高度適應(yīng)性。

1.1.2 電解水制氫系統(tǒng)

鑒于風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的間歇性、隨機性特征，電解水制氫體系必須具備在不穩(wěn)定電能的條件下依然安全、可靠、高效的制氫能力。另外，電解水制氫工藝技術(shù)的高效性、環(huán)保性、低生產(chǎn)成本以及高科技成熟度也很關(guān)鍵，然而，當(dāng)前的制氫工藝技術(shù)卻在這些特性上有不同的體現(xiàn)。

在高效性方面，質(zhì)子交換膜水電解（proton exˉ change membrane, PEM）技術(shù)與風(fēng)能的耦合性比較好，有利于優(yōu)化風(fēng)電制氫體系。

在環(huán)保性方面，由于電解水制氫系統(tǒng)中的堿性水電解（alkaline, ALK）技術(shù)用侵蝕性的酸溶液作電解質(zhì)，會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，相比之下，PEM 技術(shù)更加綠色環(huán)保。

在生產(chǎn)成本和科技成熟度方面，ALK 技術(shù)的生產(chǎn)成本較低且更成熟，適用于大型的風(fēng)電制氫體系[7]。再加上ALK 技術(shù)和PEM 技術(shù)的動態(tài)響應(yīng)持續(xù)時間較短，且動態(tài)反應(yīng)能力也較好，更適用于風(fēng)電制氫體系。從制氫能力、生產(chǎn)成本以及科技成熟度等方面考慮，目前我國ALK 技術(shù)的總體優(yōu)勢已經(jīng)超過了PEM 技術(shù)，所以當(dāng)前的風(fēng)電制氫工藝也大多使用ALK 技術(shù)[8]。

1.1.3 風(fēng)電場能源管理

風(fēng)電場能源管理包括以下3 個方面。

（1）風(fēng)電場能源的有效管理。按照電網(wǎng)調(diào)節(jié)的要求實施風(fēng)電場發(fā)電管理，實現(xiàn)大功率的水力發(fā)電和負載均衡[9]。

（2）風(fēng)電場電壓管理。根據(jù)風(fēng)電場的工作模式，利用協(xié)調(diào)無功補償裝置、風(fēng)能機組等保證風(fēng)電場輸出電壓的穩(wěn)定性[10]。

（3）風(fēng)能直接制氫系統(tǒng)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)站的管理。依據(jù)供電需要、風(fēng)力等狀況，對制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電裝置等的起動、停機與功率進行管理[11]。風(fēng)電場離網(wǎng)全電量制氫系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 風(fēng)電場離網(wǎng)全電量制氫系統(tǒng)

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)電制氫工藝技術(shù)是一種把風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的能量經(jīng)過簡單處理并直接應(yīng)用于電解水制氫的新型制氫工藝技術(shù)，目前主要應(yīng)用于氫燃料電池汽車以及工業(yè)原料等。風(fēng)電制氫工藝技術(shù)作為一種新型的儲能手段，能夠在一定程度上解決風(fēng)電的棄風(fēng)問題并實現(xiàn)就地消納，因此目前不少地方政府正在積極應(yīng)用風(fēng)電制氫工藝技術(shù)，以進一步提升本地風(fēng)電的效益[12]。

隨著我國不斷出臺各種可再生能源的利好政策，風(fēng)電制氫工藝技術(shù)的發(fā)展也越來越受到社會關(guān)注。但是受限于我國的制氫場所需要建立在化學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)和發(fā)電過網(wǎng)等原因，風(fēng)電制氫工藝技術(shù)的審批政策和經(jīng)濟效益都受到了很大影響，且還沒有形成成熟的商業(yè)運營體系，總體進展相對遲緩[13]。

2 風(fēng)電制氫經(jīng)濟效益分析

（1）高壓堿性電解液制氫設(shè)備。以一個裝機容量為10 萬kW 的風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場年利用小時為3000 h，年發(fā)電量為3 億kW·h。以0.5 元（/kW·h）的上網(wǎng)電價計算，每年可實現(xiàn)銷售收入1.5 億元，其中還包括無法及時到賬的補貼約3800 萬元。如果這一風(fēng)電場所的發(fā)電量用于制氫，按照每立方米氫氣耗電 5 kW·h 計算，3 億 kW·h 電可以制備 6000 萬 m3（約545 萬kg）氫氣。目前，市場上的氫氣價格約為70 元/kg，在不考慮其他制約條件的情況下，可以實現(xiàn)銷售收入3.8 億元。

（2）儲氫環(huán)節(jié)（含高壓儲氫模塊、中壓緩沖儲氫罐和壓縮機）。按照當(dāng)前的產(chǎn)氣量計算，每1000 m3/h所產(chǎn)生的儲氫總費用為300 元/臺。而目前出口的45 MPa 壓縮機最大排量為1000 m3/h，氫氣耗電量約為0.26（kW·h）/m3，以上數(shù)據(jù)基于安徽省當(dāng)前的大企業(yè)供電報價0.6347 元（/kW·h）計算。

（3）其他輔助設(shè)備。除以上的主要設(shè)施之外，整個電解制氫流程還需輔助設(shè)施支持，并計列其相應(yīng)成本。

（4）根據(jù)目前電解水設(shè)備的使用壽命要求，考慮在工程運行第一年更新電解水設(shè)備。

以某城市的典型風(fēng)力建設(shè)項目為主要測算對象，項目建設(shè)期一年，經(jīng)營期限為20 年，風(fēng)電場采用離網(wǎng)、直接制氫的管理模式，每年發(fā)電使用總小時數(shù)取2300 h，并選取了10～200 MW 中不同設(shè)備容量所對應(yīng)的制氫工藝平準(zhǔn)化成本，制氫工藝費用將大幅減少。當(dāng)前，一般風(fēng)電場制氫工藝的生產(chǎn)成本為25～40 元/kg，2030 年裝機容量在 50 MW 及以上的風(fēng)電場制氫工藝生產(chǎn)成本可降低至20 元/kg 以下，降幅約為35%。而大型風(fēng)電場制氫工藝將面臨終端用氫的市場需求問題，如果當(dāng)?shù)仫L(fēng)氫產(chǎn)業(yè)市場需求發(fā)展的動能不足，則風(fēng)電制氫工藝設(shè)備的年平均運營時間和運作效果都將大打折扣。

3 風(fēng)電制氫發(fā)展挑戰(zhàn)及前景分析

3.1 發(fā)展挑戰(zhàn)

3.1.1 研發(fā)能迅速反應(yīng)的電解水制氫工藝

因為風(fēng)能具有較強的不穩(wěn)定性，所以風(fēng)力發(fā)電會生成大量較低質(zhì)量的電能。電解水制氫設(shè)備對電能穩(wěn)定性的要求也較高，因此經(jīng)常性的風(fēng)電量波動將會對裝置的工作壽命及儲氫材料純度質(zhì)量等造成很大影響[14]。

面對技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，需要實現(xiàn)合理的能量匹配，以提升制氫裝置的可利用率。相關(guān)研究人員要提高電解水制氫工藝裝置對間歇性電源輸出功率波形的適應(yīng)作用，研究高效的工業(yè)化堿性電解水制氫工藝技術(shù)以及能迅速應(yīng)對高功率波形的質(zhì)子交換膜性電解水制氫工藝技術(shù)。

3.1.2 出臺風(fēng)電制氫的有利政策措施

氫氣屬于可燃易爆的高危化品，高?；沸枰诨@區(qū)內(nèi)生產(chǎn)，而風(fēng)電場的設(shè)備通常分布較廣，就地消納風(fēng)電的制氫工藝項目無法全部進駐化工園區(qū)，在一定程度上限制了風(fēng)電制氫工藝技術(shù)的發(fā)展[15]。希望未來可以引導(dǎo)更多的地方政府出臺符合自身特點的風(fēng)電制氫技術(shù)優(yōu)惠政策，解除風(fēng)電制氫技術(shù)進駐化工園區(qū)的限制。

3.1.3 通過“降本擴量”促進風(fēng)電制氫規(guī)?；?jīng)營

受限于高生產(chǎn)成本，目前的儲氫材料大部分來源于煤炭制備氫氣工藝以及天然氣重整制氫等，因為能源電解水制備氫氣的生產(chǎn)成本較高，不具備規(guī)模化經(jīng)營的優(yōu)勢。

為應(yīng)對應(yīng)用領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)，需要實現(xiàn)“降本擴量”，亦即成本和規(guī)?；?。當(dāng)前電解水制氫的生產(chǎn)成本遠遠超過其他制氫工藝，因此必須從電價、運輸和加注等環(huán)節(jié)拉動總需求。同時建設(shè)風(fēng)電制氫工藝示范基地，利用示范培育發(fā)展環(huán)境，不斷擴大風(fēng)電制氫工藝的市場，實現(xiàn)風(fēng)電制氫工藝的大面積商品化運用[16]。

3.2 前景分析

（1）儲氫材料的輸運成本。目前，氫能的輸運方法大致可分為氣態(tài)輸運、液態(tài)輸運和固體輸運，其中氣態(tài)輸運又可分為長管拖車和管道運輸。儲氫材料的貨物運輸費用一般由加氫站和氫能用戶共同分擔(dān)，當(dāng)前以氣氫長管拖車和液氫槽車方法居多，對比兩種運輸方法，當(dāng)運送距離在250 km 以內(nèi)時，長管拖車的運送費用遠小于液氫槽車，距離超過250 km時液氫槽車更具有經(jīng)濟優(yōu)越性[17]。

（2）氫氣終端市場產(chǎn)品價格變化趨勢。筆者從氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫、運氫、增速器3 個環(huán)節(jié)（含儲氫）的費用入手，剖析氫氣終端市場產(chǎn)品價格在特定運輸區(qū)域內(nèi)的變化。預(yù)計在2021—2030 年，風(fēng)電制氫最低可接受的出廠價格變動不大。如果在2030 年前汽油價格并無明顯增長，燃料電池汽車相校于傳統(tǒng)的電動汽車與燃油車都不具有經(jīng)濟優(yōu)越性。新能源產(chǎn)業(yè)同步開展氫氣輸運管線工程建設(shè)，能有效提升風(fēng)能等可再生能源在制氫產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中的競爭力。

4 結(jié)語

本文主要分析了制氫及儲運等全環(huán)節(jié)的成本效益變化，從而為新能源消納受限地區(qū)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式提供參考。在未來，我國制氫行業(yè)也將會有更為理想的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，同時實現(xiàn)進一步的創(chuàng)新和發(fā)展。