引言

隨著“十四五”電力規(guī)劃的實施，我國正加速能源清潔化轉(zhuǎn)型進程，脫碳減排需求日益增長，在“3060雙碳”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，“十四五”期間風(fēng)電、光伏等可再生能源將迎來爆發(fā)式增長，可再生能源將逐步替代傳統(tǒng)化石能源占據(jù)能源領(lǐng)域主導(dǎo)地位。基于可再生能源發(fā)展不平衡的矛盾，及風(fēng)電、光伏等可再生能源波動性和間歇性特點，配置儲能系統(tǒng)是解決當(dāng)前大規(guī)模棄風(fēng)、棄光問題的有效手段，開發(fā)新型高效的儲能方式不僅可以進一步提高電力系統(tǒng)靈活性，也是解決我國可再生能源發(fā)電量過剩最根本的辦法。氫能是一種理想的能量儲存介質(zhì)，采用氫儲能技術(shù)可有效解決我國可再生能源消納及并網(wǎng)穩(wěn)定性問題。通過棄風(fēng)、棄光電力電解水制氫技術(shù)實現(xiàn)電氫轉(zhuǎn)換，合理利用棄風(fēng)、棄光能源，同時平抑可再生能源并網(wǎng)波動，實現(xiàn)能源的時空平移。 在低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的大背景下，“十四五”期間氫能產(chǎn)業(yè)將迎來重要的機遇。

寧夏寶豐“太陽能電解水制氫綜合示范項目”引進單套產(chǎn)能1000m3/h的電解槽設(shè)備，綠氫綜合制造成本為0.7元/m3，裝置年產(chǎn)2億m3氫氣+1億m3氧氣。吉林風(fēng)光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究預(yù)計總裝機容量400MW，其中示范制氫10MW。河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項目一期年底投產(chǎn)后可形成年制氫700.8萬m3，是全球最大風(fēng)電制氫項目。

基于我國可再生能源制氫技術(shù)難題及氫能發(fā)展瓶頸，本文通過分析國內(nèi)外可再生能源制氫技術(shù)現(xiàn)狀，對可再生能源電解水制氫技術(shù)歸類整理，分別綜述風(fēng)電制氫、太陽能制氫及風(fēng)光耦合制氫技術(shù)，總結(jié)各類規(guī)?；茪浼夹g(shù)特點，結(jié)合我國“雙碳目標(biāo)”及“十四五”氫能規(guī)劃要求，對我國“雙碳目標(biāo)”下可再生能源制取綠氫技術(shù)前景及趨勢進行展望。

電解水制氫氣技術(shù)及現(xiàn)狀 

可再生能源制氫當(dāng)前主流技術(shù)是采用電解水制氫，即將棄風(fēng)、棄光能源所發(fā)電力接入電解槽電解制氫，并通過儲氫罐等設(shè)備存儲為后續(xù)氫燃料電池發(fā)電做備用。其中，電解槽根據(jù)電解質(zhì)的不同主要可以分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽3種，3種電解制氫技術(shù)各指標(biāo)對比如表1所示。

表1 三種典型電解制氫技術(shù)對比 

由表1可以看出:堿性電解槽技術(shù)相對比較成熟，可以應(yīng)用于大規(guī)模制氫，且工藝簡單，成本低，但其難以快速啟動及適應(yīng)變載，無法快速調(diào)節(jié)制氫速率，與可再生能源發(fā)電適配性較差。質(zhì)子交換膜電解槽負荷范圍寬，運行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網(wǎng)的波動性，且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術(shù)快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動的領(lǐng)域，但當(dāng)前技術(shù)還未實現(xiàn)大的突破，難以實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化制氫。固體氧化物電解制氫技術(shù)應(yīng)用相較前者少的多，距離規(guī)?；茪鋺?yīng)用尚需相關(guān)材料和催化劑技術(shù)進一步攻關(guān)，但其能耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點將使其在未來成為主流可再生能源規(guī)?；茪浼夹g(shù)，因此我國應(yīng)提前布局新興電解槽技術(shù)，攻關(guān)固體氧化物電解制氫技術(shù)難點。在我國氫能市場中，堿性電解水制氫技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，被更加廣泛地應(yīng)用于各大型電解水制氫項目中。

近年來，因質(zhì)子交換膜電解槽運行更加靈活且負載范圍寬的特性，國內(nèi)新建項目逐步轉(zhuǎn)為采用質(zhì)子交換膜技術(shù)耦合可再生能源發(fā)電進行規(guī)?；茪?，因此，開發(fā)新型電解槽技術(shù)，進一步提高電解水制氫效率和穩(wěn)定性。電解水制氫工藝近年來發(fā)展迅猛，不斷突破技術(shù)瓶頸，并有大批規(guī)?；娊庵茪漤椖柯涞?，為可再生能源電解制氫技術(shù)提供了實踐支撐。目前國內(nèi)可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術(shù)為主，國外質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)應(yīng)用實例較多。

加拿大20MW項目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項目可實現(xiàn)日產(chǎn)氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設(shè)備。丹麥1.2MW項目采用就地制氫的方案，在風(fēng)電場附近建立制氫、儲氫、氫氣管道輸出一體化電解水制氫站，用于制取綠氫及配合可再生能源風(fēng)電消納，同樣采用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。

因此，本文建議：我國應(yīng)重視質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，重點突破質(zhì)子交換膜電解槽的催化劑技術(shù)、雙極板材料、膜電極等關(guān)鍵技術(shù)和部件的研發(fā)和制造技術(shù)，通關(guān)提高催化劑效率降低質(zhì)子交換膜電解水制氫成本，通過研發(fā)制造更高性能的雙極板材料提高質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命。

目前，我國電解水裝置的安裝總量在 1500-2000套左右，電解水制氫年產(chǎn)量約9億m3，堿性電解水技術(shù)占絕對主導(dǎo)地位。國內(nèi)堿性電解水設(shè)備的單臺產(chǎn)能最大可達1000m3/h，電解水設(shè)備制造廠家主要有中國船舶重工集團公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司及蘇州競立制氫設(shè)備有限公司等。

可再生能源制氫技術(shù)分類

傳統(tǒng)的電解水制氫在發(fā)電環(huán)節(jié)多采用火電，伴隨著大量碳排放，而可再生能源制氫采用的是風(fēng)電、光電等能源，是真正意義上的綠氫制取技術(shù)。下面分別以2類典型可再生能源制氫技術(shù)展開，介紹其基本原理與系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究現(xiàn)狀，對我國可再生能源制氫技術(shù)進一步發(fā)展提供借鑒和參考。

1）風(fēng)電制氫技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)根據(jù)與電網(wǎng)連接情況可以分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)，目前我國離網(wǎng)條件下風(fēng)電耦合制氫技術(shù)尚處于起步階段，大多采用并網(wǎng)型風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括風(fēng)力發(fā)電機組、儲能變流器(PCS)能量轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機、高壓儲氫罐等部分。

 

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從已有研究可知，風(fēng)電資源用于大規(guī)模制氫及提高風(fēng)電消納在經(jīng)濟效益上是完全可行的，且全過程近乎零碳排放，無污染，因此，風(fēng)電制氫技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。此外，遠海風(fēng)力資源豐富，可用于發(fā)展更大裝機容量的風(fēng)電場，國外學(xué)者LloydJames等人提出整合電解制氫與海上風(fēng)電資源，將電解制氫裝置集成到海上風(fēng)電發(fā)電項目中，防止海上風(fēng)力渦輪發(fā)電機與陸地連接點之間所產(chǎn)生的運輸損失和因電力轉(zhuǎn)換而造成的能源損失。 

國內(nèi)學(xué)者邵志芳等人對我國某地海上風(fēng)電場規(guī)模化制氫進行了可行性綜合評價，提出海上風(fēng)電規(guī)?；茪渚哂泻芎玫纳鐣熬?。國內(nèi)外大批風(fēng)電制氫項目的落地也為風(fēng)電制氫技術(shù)提供了工程支撐。 

2014年，國家863項目“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范”啟動，該項目中制氫功率為100kW，燃料電池發(fā)電為30kW。同年，“氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用研究”項目啟動，該項目涉及30kW光伏模擬模塊，2m3/h堿性電解水制氫、16m3固態(tài)金屬合金儲氫以及10kW質(zhì)子交換膜燃料電池模塊。2015年，河北建投新能源展開中德合作項目沽源風(fēng)電制氫項目，該項目投建10MW電解水制氫系統(tǒng)配合200MW風(fēng)電場制氫，具有年制氫1752萬m3的生產(chǎn)能力。因此，風(fēng)電制氫技術(shù)將在我國實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的道路上起到至關(guān)重要的作用，不僅可提供大量氫能源，還副產(chǎn)多種有直接經(jīng)濟效益的產(chǎn)品，風(fēng)電制氫技術(shù)對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。 

2）光伏發(fā)電制氫技術(shù)

光伏發(fā)電制氫即將太陽能面板轉(zhuǎn)化的電能供給電解槽系統(tǒng)電解水制氫，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)類似風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)。其中，光伏發(fā)電技術(shù)主要是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，光伏發(fā)電的主要核心元件是太陽能電池，其他還包含有蓄電池組、控制器等元件，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著我國可再生能源的迅猛發(fā)展及國家政策的大力支持，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)及建設(shè)規(guī)模已達世界領(lǐng)先水平，光伏發(fā)電成本持續(xù)下降，因此在我國能源清潔化轉(zhuǎn)型進程中，光伏+氫的組合將在脫碳減排工作中扮演不可或缺的角色。 在現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)政策積極推動了相關(guān)項目的實施落地。 

鄂爾多斯市準格爾旗納日松光伏制氫產(chǎn)業(yè)示范項目配置了40萬kW光伏、1萬t/a電解水制氫、8~10座35MPa加氫站和500輛氫能重卡，該項目被列入內(nèi)蒙古自治區(qū)2021年度風(fēng)光氫一體化示范項目清單，有望助力內(nèi)蒙地區(qū)加速碳中和進程。2021年，凱豪達氫自主設(shè)計生產(chǎn)的一期制氫項目光伏制氫與燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)裝置，完成調(diào)試驗收工作，該裝置由太陽能光伏發(fā)電、電解水制氫、儲氫罐、燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)組成，不僅能解決新能源消納問題，還能為偏遠地區(qū)供熱供電，對天然氣摻氫的應(yīng)用場景也有重要的示范作用。 

3）風(fēng)光互補發(fā)電制氫技術(shù)/多能耦合發(fā)電制氫 

眾多研究案例表明，在發(fā)電機組容量相同時，風(fēng)光互補發(fā)電制氫儲能系統(tǒng)相較于單一含有風(fēng)電或光伏發(fā)電制氫的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

利用風(fēng)能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性;

在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量;

通過合理地設(shè)計與匹配，可以基本上由風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發(fā)電機組等，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益，符合脫碳減排理念。因此，多種可再生能源互補耦合發(fā)電制氫將是我國實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的重要手段。風(fēng)光互補耦合發(fā)電制氫系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫裝置及氫能儲存和利用系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

近年來，國內(nèi)學(xué)者開始針對風(fēng)光互補耦合發(fā)電制氫技術(shù)展開了研究，并開始探索更多可再生能源實現(xiàn)多能耦合制氫系統(tǒng)的可行性。 

2017年，楊衛(wèi)華等人針對不同應(yīng)用規(guī)模下風(fēng)光互補發(fā)電儲能系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，提出需結(jié)合系統(tǒng)建設(shè)地點氣候環(huán)境，考慮風(fēng)機、光伏面板參數(shù)特性合理分配容量才可以最大化風(fēng)光資源利用率。2018年，蔣康樂提出了一種風(fēng)光互補聯(lián)合制氫系統(tǒng)的環(huán)境效益評價方法，認為風(fēng)光互補聯(lián)合制氫系統(tǒng)在不同地區(qū)的利用對光照和風(fēng)力資源曲線的重視度不同。2019年，陳建明等人分析了應(yīng)用氫儲能技術(shù)來解決能源發(fā)展中棄風(fēng)棄光問題的可行性，提出可再生能源制氫儲能技術(shù)可最大程度避免能源浪費，風(fēng)光互補制氫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究對我國能源清潔化轉(zhuǎn)型及脫碳減排進程具有極大促進作用。

總體來看，多能互補耦合發(fā)電制氫將會是氫儲能領(lǐng)域的未來趨勢，相關(guān)學(xué)者應(yīng)深入研究，探索并推廣更低成本的風(fēng)光互補制氫技術(shù)，促進我國能源轉(zhuǎn)型進程，保障國家能源安全。 

結(jié)論與期望

氫能源是未來可以同時解決能源危機和環(huán)境污染問題的綠色能源，是未來能源的發(fā)展趨勢。通過風(fēng)光等可再生能源電解水制氫儲能可以極大地提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，且?guī)缀鯚o污染排放，是一種應(yīng)用前景廣闊的儲能形式。 

本文通過對電解制氫技術(shù)及典型可再生能源制氫技術(shù)進行了深入分析及綜述，分析得出目前我國可再生能源制氫技術(shù)處于加速發(fā)展階段，但相較德國、日本等國家，我國可再生能源制氫技術(shù)仍面臨諸多屏障，如光伏、風(fēng)電制氫系統(tǒng)中風(fēng)機結(jié)構(gòu)設(shè)計、光伏面板轉(zhuǎn)換效率、抗風(fēng)電大范圍擾動的電解槽設(shè)計技術(shù)、更高安全性的儲氫設(shè)備等有待進一步突破。 

因此本文總結(jié)以下結(jié)論:

我國應(yīng)積極布局可再生能源發(fā)電與氫儲能系統(tǒng)結(jié)合，加大風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫的電力電子裝置研究，從底層優(yōu)化制氫效率。

探索新型多能互補耦合制氫技術(shù)及協(xié)同控制策略，在可再生能源豐富的地方充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，就地制氫儲能，減少電力能源遠距離輸送所產(chǎn)生的損失。

開發(fā)新型電解槽，設(shè)計改進電解槽催化劑結(jié)構(gòu)，減少對貴金屬的使用，突破電解制氫技術(shù)成本瓶頸。

文章來源：李建林,李光輝,梁丹曦,馬速良.“雙碳目標(biāo)”下可再生能源制氫技術(shù)綜述及前景展望[J].分布式能源,2021,6(05):1-9.DOI:10.16513/j.2096-2185.de.2106528.

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