光氫耦合制氫技術在蘇州地區探索應用

石 佳 嚴竹菁 丁 俊

國網蘇州供電公司 江蘇蘇州 215000

現如今,發展氫能產業成為世界能源轉型的重要途徑,氫能的綜合利用進入新的階段。氫氣可從水、化石燃料等物質中提取,是重要的工業原料和能源載體。隨著能源緊缺和環境污染問題愈發凸顯,尋找清潔的、便捷的、來源豐富的可再生能源成為全社會共同努力的目標[1-2]。

光伏制氫是實現“雙碳”目標的重要途徑。我國是世界上最大的能源生產和消費國,但能源結構單一,煤炭在能源系統中長期占據主導地位,化石資源的使用不可避免地排放二氧化碳(CO2),CO2會引起全球氣候變化。隨著太陽能光伏發電技術的成熟,成本日益降低,光伏發電并網的成本具備競爭力,大規模生產光伏發電的條件已經成熟[3]。加快發展光伏發電,既是轉變發電方式、調整電源結構,實現可持續發展的戰略選擇之一,也是我國開發利用新能源的重要措施。光伏與氫能結合可以克服光伏的不穩定特點。

氫能的安全使用問題及燃料電池的技術、成本瓶頸已逐步取得突破,產業發展開始向商業化應用階段探索。發展氫能產業是我國推動能源生產、消費和技術革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體系的重要支撐,也是踐行新發展理念,推進社會經濟綠色發展的重要途徑[4-5]。氫能作為一種新興產業,得到全國以及江蘇省政府的大力支持,國家及省市都出臺了相關發展規劃及扶持政策。《江蘇省氫能產業發展“十四五”規劃》提出,到2025年,累計建成100座加氫站,燃料電池汽車規模達到1萬輛,實現規模化示范,擴大氫能在交通、儲能、電力、熱力、鋼鐵、化工、通信、天然氣管道混輸等領域的推廣應用。

本文通過采集蘇州光伏資源數據,模擬光伏電站,建立可靠電力供應,研究新能源制氫技術。結合實際需求,研究適用于蘇州的制氫技術路線和儲氫儲能技術。在前期模型搭建的基礎上,優化光伏制氫的能源匹配度和穩定性耦合機制,研究商業模式。

1 光伏數據

考慮到環境、氣象、日照等因素,就地選取蘇州某光伏電站實測數據采樣。本光伏電站目前實際裝機8.7MW,年最大出力5.76MW,全年負荷采樣及典型日負荷曲線詳見下圖1所示。

圖2 制氫系統

2 光氫耦合制氫系統

2.1 光氫耦合制氫系統

電解水制氫是一種電化學反應,當直流電通過浸入液體或固體電解質中的兩個電極會使水分解成氫氣和氧氣。光伏耦合制氫系統的仿真工作主要分為三塊,分別是光伏發電、直流電轉換控制和電解槽制氫。

為了建立可靠的光伏耦合電解水制氫模型,本研究所構建的系統部分采用了Matlab平臺內已封裝的物理模型,搭建了含光伏最大功率點跟蹤的基本光伏系統。對電解槽組件的仿真依然沿用電解槽電流電壓關系的函數方程組,將函數運算信息繼承給一個等效電阻代替電解槽接入總系統電路中,電阻阻抗信息將會隨系統電壓、電流信息進行動態調節。這樣做的目的是讓電解槽組件作為電學模型加入整個系統當中,并形成組件間的聯動。最終構建的系統模型有信號形式統一、模塊化、易擴展和可復制等特點,為電解槽與多能源系統耦合仿真帶來了便利。

2.2 系統各組件模塊

2.2.1 光伏組件

光伏組件是由光伏電池串聯和并聯組成,并根據入射光強的增減改變輸出。本研究中選用了光伏電池的單個二極管等效電路模型作為仿真基礎模型。單個電池的電流電壓關系可以表達為:

在這里Io是二極管的反向飽和電流,Iph是光生電流,T是光伏電池溫度,n是理想因子,Rs是電池內部的串聯阻抗,Rsh是電池內部的并聯阻抗,k是玻爾茲曼常數,Q是電子電荷。

2.2.2 堿性電解槽組件

堿性電解槽的仿真建模參考了Alhassan Salami等人開發的數學模型,理論基礎主要是依據Ulleberg的電解槽熱力學模型。

ΔG=zFVrev

Vrev=ΔG/zF

公式中ΔG是基伯斯能量系數,z是電子常數,F是法拉第常數。在電解過程中,小室的工作電壓V是可逆過電壓Vrev、激活過電壓Vact(即電極響應)以及電解質的歐姆過電壓Vohm的總和,Vrev也可以看做是電解過程中所需的最小電壓。

Vcell=Vrev+Vact+Vohm

式中s和t是過電勢系數,r是與溫度相關的歐姆電阻參數,T是溫度,A是電極面積。

Oystein Ulleberg公式:

根據法拉第定律,法拉第效率可以表達為:

產氫效率:

氫氣的體積流量可以用Nm3/h為單位表示如下:

2.3 系統模型

整個系統由三個部分構成:光伏、直流變換器和堿性電解槽。光強作為輸入條件至光伏陣列,光伏根據光強產生相應的電流電壓。直流變換器連接在光伏組件和電解槽之間,采用的是DC-DC升降壓電路,其功能是根據負載的變化來調節光伏組件的輸出,確保光伏組件始終保持在最大功率。直流變換器根據負載情況對電壓進行調整從而影響電流,負載的反饋電流信息傳入電解槽模塊用來計算產氫量和電解槽的電壓。系統通過光強的變化,實時調整負載狀態,最終實現了光到電、電到氫的過程仿真模擬。

3 光伏制氫加氫站商業模式探究

張家港市積極開展氫能源產業發展謀劃工作,推進氫能及燃料電池汽車的示范推進工作。張家港未來將不斷完善氫能供應保障體系,預計將建成16座加氫站、5個制氫項目,故本課題選取加氫站作為研究場景。通過光伏太陽能設備產生清潔能源電力,電解水制氫,以成熟電解水制氫技術一次性制取年可供燃料電池車使用的高純氫氣(99.999%)。所制氫氣將通過加氫站固定補給于清潔能源車輛使用,在滿足此項目固定收益基礎上,為當地做出稅收閉環貢獻,及助力本地節能減排工作進程。

3.1 系統框架

制氫系統由補水系統、堿液循環系統、電解槽、氣液分離裝置、氫氣純化裝置等部分組成。

加氫站主要由供氫系統、壓縮機、存儲瓶組以及加注系統等部分組成。加氫站整體工藝流程如圖3所示:

圖3 加氫站系統

3.2 經濟性分析

本項目總投資約6018.80萬元,其中包含土建成本、設備購置費用購買費用,工程其他費用以及預備費等。其中加氫站土地約5000平方米,總價約175萬;制氫廠需約2000平方米,建設在工業園區,土地價格在45萬;土建價格含加氫站225萬,及制氫站的175萬。制氫設備價格在4380.00萬元,加氫站購置成本在1600萬左右,但根據《張家港氫能保障供應體系一期工程建設實施方案》,500kg以上加氫站建設補貼800萬元,補貼后設備成本預計800萬元。另含部分其他費用。

本項目擬用一年完成項目建設,包括生產設備的設計、購置及安裝調試,人員的招聘培訓等項目工作。完工后制氫設備將達年產200萬方,加氫站將達到最大的日儲集量。產品的銷售價格預測是根據張家港地區2020、2021年歷史價格做出的判斷和預估。一方面,根據本項目定位于為張家港氫能產業服務的要求,氫氣銷售給張家港市燃料電池汽車時,價格為75元/kg。另一方面,氫氣售賣給本地其他企業以及售賣給周邊地區燃料電池汽車用時,價格均參考市場價格,售價為75元/kg(包運輸),得到最終的銷售收入。

根據市場銷售情況和加氫站的最大儲集量來考慮,建設年產371775kg、日產約為1018.5kg的制氫站。日加氫量1000kg的加氫站,剩余的18.5kg均售賣至本地企業及其他。

工藝設備投資按照2.5%殘值,折舊期限40年計提折舊;基礎建設投資按照5%殘值,折舊期限20年計提折舊;土地按照50年的使用期進行核算。生產成本中,除折舊成本外,還包括直接材料費、項目功耗、直接工資及維修費等其他費用攤銷等。主要耗材及能耗主要包括制氫設備功耗、加氫設備功耗、運輸充裝平臺功耗以及站房、照明、輔助電源等其他功耗,以電費為0.372元/kW·h算,年均耗電費約588.6萬元;產品每kg制高純氫僅需水0.1方,工地用水1.5元/方,即每kg氫氣用水成本0.15元,年耗水費約5.57萬元。人工成本以本地人工每年平均花費40萬元計算。包括運營、維護、管理費用。維修費用為設備維修及零配件處理等,每年30萬元。運輸成本,其中氫氣運輸成本為12元/kg。年平均運輸費用446.1萬元。銷售及管理費用包括研發投入、銷售拓展及其他管理費用,根據設備運行方式來核算。按照一年30萬元費用計算。財務內部收益率(稅后)為14.54%,財務凈現值(Ic=3%)為5490.80萬元,投資回收期為6.2年,投資利潤率13.87%。從以上財務數據中可以看出,財務內部收益率大于等于基準收益率,項目可行,其毛利率達47.60%、凈利率達34.76%,明項目的經濟效益較好,盈利能力較強。

結語

本項目順應能源、可再生資源變革趨勢,開展氫氣產業的示范項目,為項目公司積累經驗的同時,也將帶動蘇州本地氫能產業發展,為蘇州乃至江蘇省經濟發展注入新的動力,將取得良好的示范效果。