氫儲能技術在風、光電項目中的研究及示范項目分析

秦開宇，秦 鏡

(內蒙古電力勘測設計院，內蒙古 呼和浩特 010010)

隨著國民經濟的迅速增長，對能源的需求日益旺盛，風力發電、太陽能光伏光熱發電等新能源項目隨之發展壯大。新能源自身特點決定了風電、太陽能發電是隨機性、間歇性電源，充分利用新能源電能成為新能源發電領域關注重點。

氫儲能技術是解決大規模風、光電儲存的一種新途徑，它具有儲存時間長、反應時間快、無污染等優勢。氫儲能系統主要包含電解水系統和儲存、運輸、消納系統。氫儲能系統除用于新能源儲能外，還可為電網調峰發揮作用。

1 氫儲能技術工藝原理

風電制氫采用兩種模式：一種是利用風力發電并網，通過電網供電實現制氫；另一種則是利用風電直接連接設備進行制氫。電解水制氫系統采用電解除鹽水制取氫氣、經過純化、干燥后送至儲氫設備，再經減壓向用氫系統補氫的過程。電解水制氫工藝過程高效、清潔，是風、光電制氫的主要方法。

1.1 電解水制氫技術

電解槽是電解水制氫的主要設備，目前有3種電解槽，分別為堿性電解槽、質子交換膜(PEM)水電解槽和固體氧化物電解槽，3種電解槽產氫純度≥99.99%，都能滿足工業用氫要求。本章節主要介紹堿性電解槽、質子交換膜(PEM)水電解槽工藝原理，由于固體氧化物電解槽技術尚未規模化應用，暫不介紹。

1.1.1 堿性電解槽。 電解水制氫工藝簡單，產品純度高，氫氣、氧氣純度可達 99.99%。堿液電解槽的工作原理簡單，可以采用反應式描述電解槽陰、陽兩極的化學變化。

陰極：2H2O+2e→H2+2OH-

陽極：2OH-→1/2O2+H2O+2e

堿性電解槽工作溫度70℃～90℃，工作壓力100kPa～3 000kPa，小室電壓在2V，主要由電源、槽體、陰極、陽極、隔膜、密封墊片及電解液組成。電解液采用濃度26%～30%氫氧化鉀(KOH)溶液，隔膜一般為石棉布，陰極和陽極采用鎳或鎳合金制成，主要作用是電解水產生氫氣和氧氣。

1.1.2 質子交換膜(PEM)水電解槽。質子交換膜(PEM)水電解技術是一種可以使H+離子(質子)透過而無法使氣體透過的有機物薄膜，代替了傳統堿性電解槽中的隔膜和電解質，從而使電解槽的體積縮小。質子膜(PEM)水電解槽由質子交換膜以及分布兩側的由催化劑構成的多孔電極組成。特點是無須添加堿液，設備集成，自動控制。

反應原理與堿性電解槽反應原理相同。固體質子交換膜引導H+離子(質子)通過含磺酸基的化合物。在電勢差作用下，把質子傳至負極與電子結合成氫分子。在固定的腔體內，隨著產氫量的增加，壓力逐漸增加，最終達到預定壓力。

圖1 電解槽工作示意

1.2 儲氫技術

風、光電制氫系統通常采用較為成熟的高壓氣態儲氫方式，是指氫氣在臨界溫度以上，通過高壓壓縮的方式存儲氣態氫。壓縮氣罐作為容器。優點是簡便易行，存儲能耗低、充放氫速度快，在常溫下就可進行放氫，干氫在低溫環境下也能正常運行。

1.3 氫氣運輸

影響氫氣終端價格的除了制氫的成本，還在于氫氣的運輸成本。較為成熟的氫氣運輸方式有：氫氣長管拖車、液氫槽車、氫氣管網。長管拖車在技術上成熟，適合短距離運輸。液氫槽車的成本主要在氫氣液化。專用管道運輸在三者中使用成本最低，但一次性投資較高，適合長距離、大流量輸氫。

1.4 氫氣消納

氫燃料電池汽車是新能源汽車發展的重要方向。氫燃燒的產物是水，真正實現零污染。

電解水及燃料電池應用過程會大量放熱。可為采暖期住宅、單位提供熱源。

氫氣燃燒效率高，熱值高，將少量氫添加到天然氣中，可以提高天然氣燃料效率，減少CO2排放。

氫作為石油燃料的替代品已成為時代的趨勢。氫氣也廣泛用于電子、冶金、電力、建材、石油化工等行業。采用電解水制備的氫氣純度高，應用領域更廣泛。

2 內蒙古蒙西地區10MW制氫示范項目

本章節論述，采用性價比高的堿性電解水制氫技術路線，進行示范項目配置。

根據發電量及工程規模，10MW示范工程配置4臺500Nm3/h堿性水電解制氫設備，電解水設備投資2 460萬元，制氫站占地面積約1 220m2，每臺制氫設備產氫量500Nm3/h，4臺制氫設備最大總產氫量2 000Nm3/h，耗水量1.28萬t/a。制氫能耗5kW·h/ Nm3H2，年產氫量1 600萬Nm3/a，年產氧量800萬Nm3/a。

10MW電解水制氫系統年運行時間按8 000h，日最大產氫量4 280kg，年產氫量約1 600萬Nm3。

制氫成本主要取決于電價。若制氫電價按0.26元/kW·h計算，則制氫成本為17.8元/kg；若制氫電價按0.42元/kW·h計算，則制氫成本為26.8元/kg。

經計算，氫氣價格分別為20元/kg、25元/kg、30元/kg、35元/kg、40元/kg時10MW制氫示范項目對應的營業收入分別為2 705萬元、3 382萬元、4 058萬元、4 734萬元、5 411萬元。

表1 10MW制氫示范項目堿性電解水制氫成本分析

10MW電解水制氫項目初投資5 500萬元。當電費成本2 080萬元/年，氫價格為20元/kg、25元/kg時，項目不具備經濟性；當氫氣售價40元/kg，4年可回收成本。當電費成本提高至3 352萬元/年時，氫價格達到40元/kg才具備經濟性。因此，建議推動蒙西地區制氫項目按新興產業0.26元/kW·h的用電政策。

3 內蒙古蒙西地區20MW制氫設想

采用質子交換膜(PEM)電解水制氫技術能很好地適應波動性電源。依據PEM電解水制氫用電費用，設置100套2MW PEM電解水制氫設備并聯。20MW電解水制氫設備投資150 000萬元，占地約5 000m2，年產氫量約9 000萬Nm3。

質子交換膜電解水制氫具有更寬的適用范圍和更快的啟動速度，更適合于風電這種波動性的電源制氫；目前設備價格高，質子交換膜電解水制氫經濟性有待增強。隨著PEM制氫技術成熟，將來開展可再生能源發電直接電解水制氫成本可以降低。

建設多能互補零排供能示范，面向終端用戶的多種能源需求，建設大型綜合能源基地；利用風、光、氫、熱、儲等資源組合優勢，多能互補、系統協調控制技術。

4 氫儲能技術存在的問題

4.1 氫儲能系統的安全生產

鑒于氫氣是密度小的可燃氣體，且著火、爆炸范圍寬，下限低，易擴散的特點，根據《氫氣站設計規范》，氫氣站、供氫站的生產火災危險性類別，應為“甲”類。氫氣站、供氫站內有爆炸危險房間或區域的爆炸危險等級應劃分危險區域。供氫管道材質采用304不銹鋼無縫鋼管等要求。氫儲能系統的安全生產是十分重要的。必須認真執行運行規范，采取防火、防爆安全技術措施。

4.2 風電的波動性

風、光電等新能源具有波動性，如何直接進行電解水是一項技術難點。目前，無人值守、模塊化、智能化、大數據技術陸續與氫儲能系統結合應用，未來氫儲能系統一定會走向成熟。

4.3 氫儲能系統成本居高不下

首先電解水裝置的價格較為昂貴。只有在年運行小時長的工況，才有經濟效益。這就要求協調電網供電制氫和風電直接制氫同步。其次降低能量轉化過程的能耗，提高電解水裝置效率，減少貯存、運輸、消納過程中的能量損失，即利用節能降耗提高經濟效益。

5 發展建議

根據《呼和浩特市人民政府關于推進氫能產業高質量發展的實施意見(征求意見稿)》，因地制宜，利用蒙西地區的資源和地理優勢，制定氫能產業發展規劃。呼和浩特已經布局風電+氫儲能項目，并列入市十四五發展規劃。

爭取優惠政策，允許風電場向制氫廠直接售電，以降低風電制氫成本，提高制氫廠供電穩定性、經濟性。

建立風光發電—電解水—制氫制氧—氫氣能源—應用到多行業的氫能產業鏈。開展氫能發展規劃，在制氫的同時，考慮氫氣的消納。如建立加氫站、開展輸氫管網建設，利用現有天然氣管網，對大規模天然氣管道摻氫進行探索，建設純氫運輸管網的同時配套消納產業。