風電耦合電解水制氫技術研究

田江南，羅 揚

(1. 中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120；2. 香港城市大學物理學系，中國香港 999077)

0 引言

氫能具有資源豐富、來源多樣、潔凈環保、單位質量熱值高和應用場景豐富等特點而備受關注，近年來成為能源領域的一大熱點。氫能被稱為21世紀的終極能源，已被美國、日本和德國等國家提升至國家戰略高度[1]。韓國政府希望將韓國打造成為世界最高水平的氫能經濟領先國家，到21世紀中葉，氫能產業將創造43萬億韓元的年附加值和42萬個就業崗位。歐盟預計到2050年，氫能的大力發展將使世界的碳排放量減少80%；整個氫能行業可為歐洲提供540萬個高技能就業崗位；研究顯示，通過大力發展氫能，歐盟將減少碳排放量5.6億t，氮氧化物排放將減少15%[2-3]。

我國已具備產業化的初步條件，地方政府和氫能行業具有很高的發展積極性。目前珠三角、長三角和京津冀區域的發展勢頭強勁，氫能逐漸成為資本和行業競逐的新領域。2019年，我國的水電、風電和光伏發電平均利用率有很大提升，分別達到97%、96%和98%。雖然棄電率有了大幅度的下降，但隨著全國可再生能源總裝機容量的增長，新能源發電的棄電總量還是很可觀的。因此，必須保障可再生能源的健康持續發展[4]。根據我國風電產業的中長期規劃，截止到2050年底我國風電總裝機容量將達到1 000 GW，但風電限電上網一直是一個大問題。我國的風電裝機容量主要集中在三北地區和東部沿海地區，風電設施一般都是規模化集中建設，這就導致這些區域的風電可上網量遠遠大于電網的可接納量。另外，風電具有間歇性、隨機性和波動性的特點，而電網對于并網風電的品質著較高的要求。因此，這些風資源集中的區域可能會出現大量棄風現象。發展風電制氫技術有利于解決風電就地消納問題，有利于實現分散式風力發電技術的規模化、實現風電的多途徑高效利用。風電與制氫技術耦合，既可將氫氣作為清潔燃氣對用戶供氣，實現電力到燃氣的互補轉換，也可將氫能直接利用在電力、化工和汽車等領域。

1 主要氫氣制備技術

據統計數據顯示，世界制氫總量約保持在3 400 t/d，其中我國的制氫量約為 1 320 t/d。從世界角度來看，96%以上的制氫原料都來自化石原料的化學重整，其余基本來源于電解水制氫。氫氣可從多種途徑制備，制氫技術大多數較成熟，每種制氫工藝的成本及環保程度均不相同。目前新型制氫技術主要包括生物法制氫、生物質熱解制氫和光催化分解水制氫等。傳統工業制氫技術主要包括煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫等[5]。

1.1 新型制氫技術

生物法制氫是通過微生物代謝產氫，如微生物通過厭氧發酵和光合生物通過光合作用產生氫氣，但是制氫產率和穩定性較低，大規模生產的可能性受到限制；生物質熱解制氫主要是將生物質中的有機物組分通過熱解過程轉化為合成氣(CO、H2)。為提高氫氣產量，可將反應得到的CO再與H2O反應制取H2和CO2；光催化分解水制氫是一種較理想的制氫技術：它是直接利用太陽能來分解水制取H2，不消耗除太陽能以外的其他能源。這種技術對環境無污染，但是以目前技術水平較難實現。

1.2 傳統制氫技術

傳統煤制氫的原理是利用C取代水中的H生成CO2、H2，或通過煤的焦化(或稱高溫干餾)和煤的氣化生成H2和其他煤氣成分。天然氣制氫的原料為CH4和水，首先對CH4進行增壓和預熱，然后通入蒸汽反應得到H2。目前，煤制氫是世界上最成熟、成本最低的制氫工藝，其成本約為天然氣制氫的七成[6]。電解水制氫是在直流電的作用下，通過電解作用將H2O電解為 H2與 O2。

2 風力發電與電解水制氫 合技術研究進展

根據隔膜不同，可將電解水制氫技術分為三種：堿水電解、質子交換膜水電解和固體氧化物水電解。堿水電解制氫的電耗一般為4.5～5.5 kWh/Nm3[7]。電解水制氫的原料為水，生產過程幾乎不產生廢棄物，相對來說是一種綠色環保的制氫技術。隨著電解水制氫技術逐漸成熟，其發展的道路會越來越寬闊。KOH或NaOH的水溶液作為堿水電解技術的電解質，隔膜一般采用石棉布，在直流電的作用下，水電解會生成H2與O2。堿水電解技術最早于20世紀中期就實現了工業化。該技術是較成熟、成本也最低的電解水制氫技術，設備運行壽命可達15年。質子交換膜(proton exchange membrane, PEM)作為固體聚合物電解質(solid polymer electrolyte, SPE)水電解技術的隔膜，因而也被稱為PEM電解。質子交換膜水電解制氫的電耗一般為4.5～7.5 kWh/Nm3[8]。以質子交換膜替代石棉膜傳導質子，而且質子交換膜起到隔絕電極兩側的氣體的作用，避免了堿水電解使用強堿性液體電解質所帶來的缺點。但是PEM電解設備造價高，限制在工程上的廣泛應用。固體氧化物作為固體氧化物水電解技術(solid oxide electrolysis cell, SOEC)的電解質材料，在600～1 000℃溫度下工作，利用熱量進行電氫轉換。這種技術的優點是具有能量轉化效率高且不需要使用貴金屬催化劑，但是這種技術的缺點是制氫所需溫度較高，不安全因素較多[9]。

間歇性和隨機性是風力發電系統的兩大特點，在這種條件下制氫對電解水制氫系統的要求為：在不穩定供電條件下具有安全、可靠和高效制氫的能力。換句話說，電解水制氫系統應具有良好的寬功率波動適用性。有研究表明，風力發電的功率是迅速變化的，堿水電解槽的負荷能夠迅速地匹配上風速的變化，響應時間小于1 s。而且，堿水電解槽的運行負荷范圍比較寬，介于10%～100%都可穩定運行[10]。堿水電解技術與質子交換膜電解、固體氧化物電解技術相比，具有技術簡單、應用成熟、動態響應時間較短的優點，因此適用于風力發電制氫系統[11]。

風力發電制氫產生的氫氣如何消納的問題也有很多研究。如果風電場和用氫市場的距離比較遠，可采用就地式制氫模式(即在氫氣需求端制氫、風電直供方式)。這種方式的經濟性優于分布式制氫方式(即在風電場制氫用管道或者車輛運輸至氫氣需求端)。如果在風電制氫項目建設地區的氫氣需求量不足，氫氣也可以接入天然氣管網供給燃氣用戶，這就需要實施一些優惠政策才能保證風電制氫項目的經濟性。因此風電制氫示范項目應選擇氫氣需求相對較高或者當地政府對氫氣有鼓勵性政策的地區，做好可行性研究等前期工作[12]。

3 風力發電與電解水制氫 合模式研究

風電制氫系統大體上分為：并網棄電制氫、孤網運行制氫和非并網運行制氫三種方式。因為固定投資較少，目前來說并網運行的風電制氫模式是最經濟的。但是并網棄電制氫主要目的是發電，本文暫不討論。孤網運行制氫可分為有儲能裝置和無儲能裝置兩種方式。有研究對孤網運行的風電制氫系統進行了財務分析，分析表明風電制氫成本在2.8～6.2歐元/kg區間內。風電制氫敏感性分析表明電解水制氫設備數量和風機數量對制氫成本影響很大。非并網運行主要依靠外界電網對負荷進行功率補償，它的缺點主要體現在風電制氫系統需頻繁與外界電網進行交互作用。

類似的研究，Hamanea等人研究表明，阿爾及利亞地區某風場開展了一個孤網型10 kW風機耦合5 kW堿水電解制氫裝置的示范性項目。阿爾及利亞項目的十月和十一月平均風速最低，風電制氫產量在那兩個月份處于最低水平；五月份風速達到最大，風電制氫產量同時也達到了最大值400 Nm3/月。而且研究還顯示，隨著風力發電機葉輪輪轂高度的變化，年制氫量也會隨之變化。在輪轂高度從10 m增加到30 m時制氫量發生了顯著變化，制氫產量增加了 1 600 Nm3/a。當輪轂高度大于 30 m 時，隨輪轂高度的增加年制氫量增加的幅度逐漸放緩[13]。

基于電解水制氫，考慮氫氣終端的市場應用需求，從不同角度分析電解水制氫設備與風電機組耦合模式，本文例舉三種風電制氫模式。模式一“孤網運行：風力發電+電解水制氫設備”；模式二“孤網運行：風力發電+電解水制氫設備+儲能設施”；模式三“非并網運行：風力發電+電解水制氫設備”。以三種風電制氫模式能獲得一定的的氫產量為分析標準。一定的氫產量，也就意味著電解水制氫裝置的出力是一定的，變量為風機容量、儲能設施的有無及容量、是否從網上購電。

3.1 模式一“孤網運行：風力發電+電解水制氫設備”

此模式下風力發電機與外界電網不相連。風力發電機所發電量部分用來制氫，而且沒有儲能設備來平抑風力發電的波動性。由于此模式下制氫系統在10%～100%的出力范圍內運行，當風速低于某一值時電解水制氫設備無法啟動，造成風電的浪費。由于風機容量過高，當風機滿發時電解水制氫設備也不能完全接納風機所發的電量。也就是說，此模式不能完全利用風力發電機所發的電，因此為達到一定的氫產量需匹配的風機數量最多。此模式下制氫系統長期在一個不穩定的負荷下運行會導致制氫設備的壽命縮短，而且對氫氣純度和系統的安全性造成一定影響[14]。

3.2 模式二“孤網運行：風力發電+電解水制氫設備+儲能設施”

此模式下風力發電機與外界電網不相連。與模式一不同的是此模式有儲能設施來平抑風電的波動性。由于升壓站和制氫系統都需要儲能裝置，對于孤網運行方案，可以設置一套儲能裝置，來替代升壓站的蓄電池并兼顧解決制氫系統的供電要求。由于儲能設施的容量有限，不能做到儲存全部的風電。因此，儲能裝置容量的選擇可考慮兩種方案：一種是當風力發電機組全停時，能滿足制氫裝置安全停機用電需求；一種是風電機組總容量和制氫裝置總容量之差。

由于提高風電的利用率，需匹配的風機數量中等，電解水制氫系統可在較穩定的負荷下運行，安全可靠。由于此模式設置了儲能設施，固定投資大于模式一，但是從長期安全穩定運行的角度考慮此模式優于模式一。此外，利用儲能技術平抑風電的波動性已經成為趨勢，隨著超導儲能和超級電容的快速發展，可靠的儲能技術具備了精確化和規模化。目前新型儲能系統已經能夠快速充放電，電能轉化效率可達90%以上，可靈活平抑風電波動的特性[15]。

3.3 模式三“非并網運行：風力發電+電解水制氫設備”

此模式風力發電機與外界電網相連，但是風電不上網，僅通過購電制氫。此模式需匹配的風機數量最少，沒有儲能設施，固定投資最少。但為了保證制氫系統穩定運行需從電網購電，運行費用是三種匹配模式里最高的。非并網運行制氫雖然僅能改善風電短時間的波動特性，但是很難應對長時間的波動。另外，使用不當會對外界電網系統的繼電保護造成嚴重損耗，而且也會增加外界電網系統功率損耗。

總的來說，模式一理論上可以實現，但是工程落地對設備和控制策略要求很高；模式二制得的氫屬于“綠氫”，即利用可再生能源制氫過程中無CO2排放；模式三由于利用了部分市電，制得的氫屬于“灰氫”或“藍氫”，違背了新能源制氫的初衷。

4 結論

氫氣是一種清潔能源已經受到了全世界的關注，新能源制氫的的優勢也越來越明顯。本文通過分析得出以下結論：由于成本較低，煤氣化制氫是世界上的主流制氫方式，一些新型制氫技術也正在研發過程中。電解水制氫目前的工藝技術比較成熟，但是制氫成本目前仍然較高，小規模應用較多。新能源制氫這種可循環發展的環保制氫理念越來越受人推崇。目前用棄風、棄光和棄水電制氫的項目較多，但是新能源發電孤網運行制氫的項目僅有少數幾個示范項目。本文主要對風機和電解水制氫耦合的運行模式做了論述，得出采用“孤網運行：風力發電+電解水制氫設備+儲能設施”模式進行匹配在技術上更加合理。此模式的固定投資較高，投資回收期也較長。但是此模式符合“綠氫”的理念，從可持續發展的角度看是值得推廣的。

在以后的研究中可從以下方面入手：降低電解水制氫設備造價、改進電解水制氫設備對不穩定電源的適應性、優化新能源制氫系統容量匹配模式、提升氫能下游市場活躍性，政策上也需進一步明確氫能屬性并給與支持。后續工作也可對三種匹配模式的財務生存能力進行系統評估，進一步深化風電制氫的可行性研究。