風(fēng)光耦合電解水制氫方案研究

王榮祥，金 穩(wěn)，趙富強(qiáng)

(1.陽(yáng)光新能源開(kāi)發(fā)股份有限公司，合肥 230088；2.陽(yáng)光氫能科技有限公司，合肥 231200)

0 引言

中國(guó)承諾努力在2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，爭(zhēng)取于2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]，而中國(guó)主要以煤炭、石油為主要燃料，是世界碳排放第一大國(guó)，要在40 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳中和，任務(wù)艱巨。碳達(dá)峰、碳中和( 下文簡(jiǎn)稱為“雙碳”) 目標(biāo)充分體現(xiàn)了中國(guó)堅(jiān)持生態(tài)環(huán)境“高顏值”、經(jīng)濟(jì)發(fā)展“高素質(zhì)”、生活質(zhì)量“高品質(zhì)”的偉大決心，更體現(xiàn)了中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的責(zé)任擔(dān)當(dāng)與堅(jiān)定決心；同時(shí)，這也為中國(guó)未來(lái)的綠色能源發(fā)展道路指明了方向[1]。

面對(duì)能源消耗和環(huán)境污染等問(wèn)題，大力開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源是推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措[2]。但由于風(fēng)電、光伏發(fā)電存在發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定和可控性較差等特點(diǎn)，隨著此類電力在電網(wǎng)中占比的不斷提高，電網(wǎng)的不穩(wěn)定性增加、安全性降低；再加上消納等問(wèn)題的存在，導(dǎo)致出現(xiàn)了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，一定程度上影響和阻礙了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。因此，目前亟需開(kāi)發(fā)高效的可再生能源轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存技術(shù)，以解決風(fēng)電、光伏發(fā)電的“源-網(wǎng)-荷”不平衡等問(wèn)題[2-3]。

氫能是一種清潔低碳、靈活高效、來(lái)源廣泛、應(yīng)用多元的能源形式，在眾多能源形式中，其是唯一可大規(guī)模替代化石能源的零碳無(wú)污染實(shí)體能源[1]，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要推動(dòng)力。氫能可作為連接不同可再生能源的紐帶和電力儲(chǔ)存的介質(zhì)，將其應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)中，有助于實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化發(fā)展，而電解水制氫技術(shù)，尤其是通過(guò)風(fēng)電、光伏發(fā)電技術(shù)制氫(即“綠電制氫”)，可以實(shí)現(xiàn)零碳排放?；诖?，本文對(duì)可再生能源電解水制氫現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并針對(duì)多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案進(jìn)行研究，最后對(duì)可再生能源電解水制氫的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 可再生能源電解水制氫現(xiàn)狀

由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》確定了氫能的戰(zhàn)略地位，明確了可再生能源制氫將會(huì)是中國(guó)未來(lái)獲取氫能的主要技術(shù)路線；在國(guó)家能源體系中，氫能也將是重要組成部分，氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體[4]。國(guó)家要求建立清潔低碳的能源體系，而可再生能源制氫技術(shù)將會(huì)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段。

根據(jù)氫的來(lái)源、生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)生的碳排放量不同，國(guó)際可再生能源署(IRENA)將氫氣分成灰氫、藍(lán)氫和綠氫[5]。中國(guó)作為工業(yè)原料的氫氣的生產(chǎn)和利用主要集中在化工和冶金行業(yè)。2022年，中國(guó)氫氣總產(chǎn)量為3526.2 萬(wàn)t，其中，煤制氫的產(chǎn)量為2041.5 萬(wàn)t，占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的57.9%；天然氣制氫的產(chǎn)量為787.6 萬(wàn)t，占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的22.3%，相較于2021 年有了較大提高；工業(yè)副產(chǎn)氫量為650.8 萬(wàn)t，占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的18.5%；電網(wǎng)電力制氫、可再生能源電解水制氫等其他制氫方式的氫產(chǎn)量占比較低，僅占?xì)錃饪偖a(chǎn)量的1.3%[1-6]。為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，中國(guó)氫氣需求量將逐年增大，預(yù)計(jì)到2060 年，中國(guó)氫氣的年需求量將增至約1.3 億t，制氫技術(shù)也將轉(zhuǎn)向以可再生能源制氫為主的綠電制氫技術(shù)，可以滿足千萬(wàn)噸級(jí)的氫能需求，電解槽裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到500 GW；僅可再生能源制氫碳減排量就有望達(dá)到每年16億t，低碳清潔供氫體系可以實(shí)現(xiàn)每年18 億t 的二氧化碳減排量，約占當(dāng)前中國(guó)能源活動(dòng)二氧化碳總排放量的 19%[7]。

雖然電解水制氫需要消耗大量電能，但其能產(chǎn)生可利用的高價(jià)值氧氣，且整個(gè)制氫產(chǎn)氧過(guò)程綠色環(huán)保。目前，高耗能和高成本是制約電解水制氫技術(shù)發(fā)展的主要原因，其耗電成本占制氫總成本的 70%以上；若直接利用國(guó)家電網(wǎng)的電力制取氫氣，則成本會(huì)更高，并且國(guó)內(nèi)煤電碳排放問(wèn)題較為突出[7]。

隨著國(guó)內(nèi)外碳減排壓力日益增大，在國(guó)家相關(guān)政策支持及新技術(shù)、新材料和新催化劑研究推動(dòng)下，中國(guó)將在氫的制取、存儲(chǔ)、運(yùn)輸方面逐漸突破。隨著可再生能源電力價(jià)格繼續(xù)下降，結(jié)合可再生能源的分布式制氫加氫一體站技術(shù)、液氫技術(shù)等多種氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的出現(xiàn)，以及大規(guī)?？稍偕茉措娊馑茪湎到y(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，綠電制氫成本將會(huì)明顯降低，使其規(guī)模不斷得到擴(kuò)大。如此一來(lái)，綠氫的經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)效益和環(huán)境效益也將逐步顯現(xiàn)[8]。

2 多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案

風(fēng)電和光伏發(fā)電作為重要的可再生能源利用方式，是解決當(dāng)前能源困境行之有效的方法。在國(guó)家相關(guān)政策的大力支持下，中國(guó)的風(fēng)電、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[8]，2021 年中國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電總新增裝機(jī)容量約為1.01 億kW，其中，風(fēng)電新增裝機(jī)容量為4757 萬(wàn)kW，光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為5297 萬(wàn)kW[9]。但風(fēng)電和光伏發(fā)電均存在間歇性、時(shí)空分布不均等特點(diǎn)，若電解水制氫過(guò)程中采用單一的風(fēng)電或光伏發(fā)電，可能會(huì)造成制氫設(shè)備利用小時(shí)數(shù)降低，經(jīng)濟(jì)性不佳。因此，需要結(jié)合風(fēng)光互補(bǔ)的特性和電解水制氫設(shè)備的特點(diǎn)，開(kāi)展風(fēng)光耦合電解水制氫，在減少項(xiàng)目投資冗余的同時(shí)，充分、合理地利用可再生能源制氫，綜合提升電解水制氫的經(jīng)濟(jì)性。下文介紹了多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案，包括風(fēng)光耦合柔性電解水制氫、“風(fēng)光并網(wǎng)+余電制氫”、“風(fēng)光互補(bǔ)制氫+余電并網(wǎng)”、分散式風(fēng)光就地離網(wǎng)制氫及交流/直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫、“風(fēng)光并網(wǎng)+余電制儲(chǔ)氫發(fā)電并網(wǎng)”等方案。

2.1 風(fēng)光耦合柔性電解水制氫方案

風(fēng)光耦合柔性電解水制氫技術(shù)主要由6 大核心技術(shù)和3 大核心產(chǎn)品組成，實(shí)現(xiàn)了制氫系統(tǒng)與風(fēng)、光、儲(chǔ)、網(wǎng)等多種能源形式及多種應(yīng)用場(chǎng)景的柔性融合，構(gòu)建靈活、高效、友好的綠電制氫系統(tǒng)。其中，6 大核心技術(shù)主要包括：

1)柔性組網(wǎng)技術(shù)。該技術(shù)由穩(wěn)/暫態(tài)仿真分析、中壓級(jí)聯(lián)技術(shù)、大容量直流開(kāi)斷技術(shù)、黑啟動(dòng)技術(shù)、故障穿越等組成，解決了電解水制氫系統(tǒng)與可再生能源系統(tǒng)之間的耦合方式和運(yùn)行方式，且因地制宜、滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2)電力電子技術(shù)。該技術(shù)由拓?fù)浼夹g(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)組成，采用PWM 控制算法，可以搭建高效、友好的電氫耦合橋梁。

3)電化學(xué)和過(guò)程控制技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)在結(jié)構(gòu)、材料、電解槽本體和工藝控制方面均具備先進(jìn)技術(shù)，可使電氫轉(zhuǎn)換過(guò)程更加高效、安全和靈活。

4)能量管理技術(shù)。該技術(shù)可解決電、熱、質(zhì)多物理過(guò)程的耦合，構(gòu)建電氫協(xié)同一體化管理體系。在“源”端實(shí)現(xiàn)平滑風(fēng)光輸出、跟蹤計(jì)劃輸出功率、無(wú)功電壓支撐、電網(wǎng)調(diào)度響應(yīng)，在“網(wǎng)”端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)峰和調(diào)頻，在“荷”端實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氫氣產(chǎn)量、跟蹤產(chǎn)氫計(jì)劃等功能。

5)集群控制技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小室電壓監(jiān)測(cè)、故障分析診斷、電解槽能效分析、健康狀態(tài)(SOH)估算等功能，同時(shí)可開(kāi)展分級(jí)調(diào)節(jié)控制、動(dòng)態(tài)投切控制、智能功率分配運(yùn)行、熱待機(jī)運(yùn)行控制，使柔性制氫系統(tǒng)運(yùn)行更智能、更高效。

3 大核心產(chǎn)品主要為柔性制氫電源、柔性電解水制氫設(shè)備(堿性電解槽、質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽、氣液分離與純化設(shè)備)、智慧氫能管理系統(tǒng)。柔性制氫電源采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)全控型功率器件及PWM 控制算法，轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、輸出精度高，具備良好的電網(wǎng)支撐能力。柔性電解水制氫設(shè)備具有寬負(fù)荷調(diào)節(jié)，可適應(yīng)可再生能源波動(dòng)特性；具有先進(jìn)的電氫協(xié)同控制算法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快；智慧氫能管理系統(tǒng)具備系統(tǒng)集成、能量管理、集群控制等核心能力。

2.2 “風(fēng)光并網(wǎng)+余電制氫”方案

“風(fēng)光并網(wǎng)+余電制氫”系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、風(fēng)機(jī)變流器、光伏逆變器、升壓變壓器、降壓變壓器、IGBT 制氫整流電源、制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置、智慧氫能管理系統(tǒng)、電網(wǎng)等，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)設(shè)置了風(fēng)光發(fā)電量、并網(wǎng)電量和制氫量管理功能，在風(fēng)光發(fā)電并網(wǎng)電量滿足預(yù)設(shè)值后，進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)余電制氫。這樣不但提高了可再生能源利用率，同時(shí)也提高了設(shè)備利用率。

圖1 “風(fēng)光并網(wǎng)+余電制氫”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure schematic diagram of“wind-PV grid-connection+residual electricity hydrogen production”system

2.3 “風(fēng)光互補(bǔ)制氫+余電并網(wǎng)”方案

“風(fēng)光互補(bǔ)制氫+余電并網(wǎng)”系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、風(fēng)機(jī)變流器、光伏逆變器、升壓變壓器、降壓變壓器、IGBT 制氫整流電源、制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置、智慧氫能管理系統(tǒng)、電網(wǎng)等，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 “風(fēng)光互補(bǔ)制氫+余電并網(wǎng)”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure schematic diagram of “wind-PV complementary hydrogen production + residual electricity grid-connection” system

該系統(tǒng)設(shè)置了風(fēng)光發(fā)電量、并網(wǎng)電量和制氫量管理功能，在風(fēng)光發(fā)電量滿足制氫所需電力后，余電并網(wǎng)。該方式可在最大化利用可再生能源的同時(shí)，提高設(shè)備的利用率。

2.4 分散式風(fēng)光就地離網(wǎng)制氫方案及交流/直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫方案

中國(guó)的光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)大多建于土地租金廉價(jià)的次發(fā)達(dá)地區(qū)，大量光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)集中建設(shè)、并網(wǎng)致使當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量飽和，從而導(dǎo)致電網(wǎng)采取限電措施，不得不棄風(fēng)、棄光，大量能源資源因此被浪費(fèi)。存在棄光或棄風(fēng)的光伏電站或風(fēng)電場(chǎng)，往往又缺乏建設(shè)制氫站的條件，因此，為了更好地利用可再生能源電力和更好地制取綠氫，可以采用分散式風(fēng)光就地離網(wǎng)制氫方案或采用交流/直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫方案。

采用分散式風(fēng)光就地離網(wǎng)制氫方案，可實(shí)現(xiàn)直流耦合制氫，適合大規(guī)模風(fēng)光分散式制氫，特別是深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電離岸制氫。而交流/直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫方案需要自建電網(wǎng)，與公共電網(wǎng)無(wú)互動(dòng)，且其通常需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，以支撐電解水制氫設(shè)備跟隨風(fēng)電和光伏發(fā)電輸出功率特性曲線。

分散式風(fēng)光就地離網(wǎng)制氫系統(tǒng)主要包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、IGBT 制氫直流變換電源、制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置、智慧氫能管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分散式風(fēng)光就地離網(wǎng)制氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure schematic diagram of decentralized wind-PV on-site off grid hydrogen production system

交流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫系統(tǒng)主要包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、風(fēng)機(jī)變流器、光伏逆變器、升壓變壓器、高壓電網(wǎng)、降壓變壓器、IGBT 制氫整流電源、制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置、智慧氫能管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 交流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure schematic diagram of AC coupled off grid high-voltage transmission wind-PV hydrogen production system

直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫系統(tǒng)主要包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、IGBT制氫直流變換電源、直流輸電系統(tǒng)、制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置、智慧氫能管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Structure schematic diagram of DC coupled off grid high-voltage transmission wind-PV hydrogen production system

交流/直流耦合離網(wǎng)高壓傳輸風(fēng)光制氫方案降低了電力的傳輸成本。此外，相較于交流輸電而言，直流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中已得到較多運(yùn)用，且可以較好解決輸電線路中電感耗損問(wèn)題[10]。直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離海底電纜、大城市地下電纜送電、配電網(wǎng)輕型直流輸電等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在今后的輸電系統(tǒng)中，直流輸電與交流輸電將會(huì)相互配合補(bǔ)充，構(gòu)成更加多樣、高效、安全的新型電力傳輸系統(tǒng)[11]。

2.5 “風(fēng)光并網(wǎng)+余電制儲(chǔ)氫發(fā)電并網(wǎng)”方案

“風(fēng)光并網(wǎng)+余電制儲(chǔ)氫發(fā)電并網(wǎng)”系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列、用氫端、風(fēng)機(jī)變流器、光伏逆變器、儲(chǔ)氫裝置、氫燃料電池、升壓變壓器、制氫裝置、IGBT 制氫整流電源、降壓變壓器、高壓電網(wǎng)、智慧氫能管理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 “風(fēng)光并網(wǎng)+余電制儲(chǔ)氫發(fā)電并網(wǎng)”系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Structure schematic diagram of“wind-grid connection + residual electricity hydrogen production，storage and power generation system grid connection”

該系統(tǒng)主要是先將光伏發(fā)電、風(fēng)電并網(wǎng)，當(dāng)有多余電力時(shí)，可通過(guò)電解水制氫消納一部分余電，并將制取的氫氣儲(chǔ)存至儲(chǔ)氫裝置；當(dāng)光伏發(fā)電和風(fēng)電余電無(wú)法滿足用電需求時(shí)，再利用氫燃料電池消耗氫氣來(lái)發(fā)電。此外，當(dāng)風(fēng)電、光伏發(fā)電不足且又急需大量氫氣時(shí)，也可通過(guò)網(wǎng)電補(bǔ)充電力來(lái)進(jìn)行電解水制氫。氫燃料電池以電-氫-電的方式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電，從而進(jìn)行電網(wǎng)的削峰填谷。風(fēng)光余電制取的綠氫儲(chǔ)存后，既可以作為氫能汽車的燃料來(lái)源，替代油氣資源；又能用于化工、冶金行業(yè)，降低工業(yè)領(lǐng)域的碳排放。

3 主要的電解水制氫技術(shù)應(yīng)用對(duì)比

對(duì)于多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案中的電解水制氫技術(shù)，目前主要的技術(shù)路線有堿性電解水制氫、PEM 電解水制氫、固體氧化物電解水制氫3 種路線。其中，已實(shí)際應(yīng)用的主要為堿性電解水制氫和PEM 電解水制氫這兩種技術(shù)。

固體氧化物電解水制氫是一種高溫電解水制氫技術(shù)，溫度一般為700～1000 ℃。目前該技術(shù)成本高、難度大，正處于開(kāi)發(fā)驗(yàn)證階段，未在市場(chǎng)上實(shí)際應(yīng)用。

堿性電解水制氫是一種以氫氧化鉀溶液作為電解質(zhì)、多孔膜作為隔膜的制氫技術(shù)。該技術(shù)較為成熟，是目前主流且規(guī)模化應(yīng)用的電解水制氫技術(shù)。中國(guó)目前的電解水制氫系統(tǒng)主要以壓力系統(tǒng)為主，經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和運(yùn)行實(shí)踐證明，采用電解水槽及其輔助設(shè)備、純水制備裝置、堿液制備裝置、氫氣純化裝置、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐、直流電源、自控裝置等組成的堿性電解水制氫系統(tǒng)更為合理[8]。雖然堿性電解水制氫系統(tǒng)存在設(shè)備體積大、維護(hù)成本高、工作電流小、對(duì)風(fēng)光發(fā)電類波動(dòng)性電源輸入適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，但考慮到堿性電解水制氫技術(shù)較為成熟且成本較低，因此近些年仍是電解水制氫的主流技術(shù)。

相比于堿性電解水制氫技術(shù)，PEM 電解水制氫技術(shù)以質(zhì)子交換膜取代了堿性電解水制氫技術(shù)中的隔膜和電解質(zhì)，其具有電阻小、制氫效率高、電流大、設(shè)備占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，且采用該技術(shù)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速啟停、大幅度功率調(diào)節(jié)，對(duì)風(fēng)光發(fā)電類波動(dòng)性電源輸入適應(yīng)性強(qiáng)，非常適合風(fēng)光耦合電解水制氫方案。目前該技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是其還需要進(jìn)一步優(yōu)化和突破，且成本比堿性電解水制氫技術(shù)高。但隨著技術(shù)的不斷改善和成本的不斷降低，將該技術(shù)應(yīng)用在波動(dòng)性大的可再生能源耦合電解水制氫上，有非常大的優(yōu)勢(shì)和空間。

4 電解水制氫工藝系統(tǒng)組成

以目前主流堿性電解水制氫技術(shù)為例，其原理是將1 對(duì)電極浸沒(méi)在電解液中，電極中間放置防止氣體滲透的隔膜，從而構(gòu)成電解槽。電解槽內(nèi)包括多個(gè)電解小室，電解槽內(nèi)的原料水在直流電作用下將會(huì)發(fā)生分解，在每個(gè)電解小室的陰、陽(yáng)極表面將分別產(chǎn)生帶有堿液的氫氣、氧氣，這些氣體分別通過(guò)極板上方出氣孔流入各自的氣道中，然后分別進(jìn)入氫氣氣液分離器、氧氣氣液分離器進(jìn)行處理，再通過(guò)管道流出。

陰極上的反應(yīng)式為：

陽(yáng)極上的反應(yīng)式為：

總反應(yīng)式為：

電解水制氫工藝系統(tǒng)除了制氫電解槽外，還需要包括氣液分離系統(tǒng)、氫氣純化系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)、氣體排空(氮?dú)庵脫Q)系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、原料水補(bǔ)水系統(tǒng)、閉式冷卻液循環(huán)系統(tǒng)、冷凍液循環(huán)系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、補(bǔ)堿系統(tǒng)等。其中：氣液分離系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖7 所示；氫氣純化系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖8 所示。

圖7 氣液分離系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig. 7 Schematic diagram of working principle of gas-liquid separation system

圖8 氫氣純化系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig. 8 Schematic diagram of working principle of hydrogen purification system

5 可再生能源電解水制氫的發(fā)展前景

根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)(BNEF)發(fā)布的《可再生能源制氫經(jīng)濟(jì)性》報(bào)告，在2019—2029 年這10 年內(nèi)，可再生能源電解水制氫成本將會(huì)持續(xù)且大幅降低。預(yù)計(jì)到2030 年，可再生能源電解水制氫成本可降至1.4 美元/kg；到2050 年，可再生能源電解水制氫成本將會(huì)進(jìn)一步降至80 美分/kg，相當(dāng)于6 美元/MMBTU 的天然氣價(jià)格，這將促使氫能在未來(lái)能源市場(chǎng)中擁有較大的競(jìng)爭(zhēng)力[12]。根據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)(Hydrogen Council)的預(yù)測(cè)，到2050 年，氫能產(chǎn)業(yè)可以創(chuàng)造3000萬(wàn)個(gè)工作崗位，減少60 億t 二氧化碳排放，創(chuàng)造2.5 萬(wàn)億美元的產(chǎn)值，在全球能源中的占比可以達(dá)到18%[13]。

目前，中國(guó)不斷加大清潔能源發(fā)電的研發(fā)力度，希望在2030 年實(shí)現(xiàn)將單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的二氧化碳排放強(qiáng)度可降低65%，顯著降低化石能源消費(fèi)的占比，風(fēng)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)容量超過(guò) 12 億kW。采用風(fēng)光耦合電解水制氫的清潔制氫技術(shù)，將是未來(lái)實(shí)現(xiàn)可再生能源成熟化、大眾化使用需要解決的關(guān)鍵點(diǎn)[14]。

采用大規(guī)模以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的耦合電解水制氫可以有效減少油氣進(jìn)口、化石能源應(yīng)用，極大地保障中國(guó)的能源安全；并且隨著未來(lái)中國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，其裝機(jī)容量將不斷增加，加上國(guó)家政策的引導(dǎo)和支持，在風(fēng)電場(chǎng)或光伏電站配置電解水制氫系統(tǒng)，或采用輸電系統(tǒng)利用風(fēng)電和光伏發(fā)電來(lái)電解水制氫，所需成本將會(huì)越來(lái)越低。采用綠色、低廉的風(fēng)電、光伏發(fā)電耦合電解水制氫將會(huì)在未來(lái)成為中國(guó)消納可再生能源發(fā)電、使用綠氫、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保證能源安全、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主流路線。

6 結(jié)論

本文對(duì)可再生能源電解水制氫現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并針對(duì)多種風(fēng)光耦合電解水制氫方案進(jìn)行了研究，最后對(duì)可再生能源電解水制氫的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。研究結(jié)果顯示：采用大規(guī)模以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主的耦合電解水制氫可以有效減少油氣進(jìn)口、化石能源應(yīng)用，極大保障中國(guó)的能源安全。另外，可在未來(lái)積極構(gòu)建以氫能為“源- 網(wǎng)-荷”各環(huán)節(jié)支撐的新型電力系統(tǒng)，共同建立“電-氫-電”體系。利用可再生能源耦合電解水制氫，同時(shí)將儲(chǔ)氫與新型電力系統(tǒng)耦合，將是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的最佳途徑。