風電耦合電解水制氫技術研究

浙江浙能航天氫能技術有限公司 潘 塵

1 引言

我國幅員遼闊，風能資源非常豐富且分布廣泛。風能資源清潔低碳安全高效，具有較大的開發潛力，是新能源開發的重點對象。根據氣象局估算，我國陸地70m 高度層年平均風能密度達到300W/m2和200W/m2以上的可開發風能資源分別為2.6TW 和3.6TW；離海岸線50km 的近海海域，水深不超過50m 的海上可發電裝機容量約為500GW[1]。

氫能具有清潔無污染、可長期存儲、應用場景豐富等優點，備受能源領域關注，相關研究人員將氫能譽為21世紀的“終極能源”。世界主要發達國家，如美國、日本、德國等對氫能重視程度不斷提高。國際能源署預測到2050年全球氫氣需求量近3億噸，到2070年達到5.2億噸；中國氫能聯盟預測我國到2050年接近6000萬噸。伴隨著我國社會發展速度不斷提高，能源消耗日益增加，越來越重視氫能的開發應用。目前，我國已具備產業化條件，地方政府與氫能行業不斷加大對氫能的研發，為氫能應用提供幫助。

黨的十九大報告明確提出：“構建清潔低碳安全高效能源體系”，減少傳統石化能源使用，降低二氧化碳排放，清潔能源為主導的能源轉型革命將使我國既能實現減碳目標，又能維持經濟高質量發展。風氫耦合系統將在能源轉型過程中發揮重要作用，實現大規模、高效消納風能，充當能源緩沖載體以提高能源系統韌性[2]。

2 常用氫氣制備技術

2.1 生物法制氫

生物法制氫本質是通過某種生物體，如化學轉化細菌、向光性細菌或藻類中存在與制氫有關的微生物酶（主要是固氮酶和氫酶），在陽光的照射下，借助厭氧發酵與光合生物的光合作用完成制氫。生物法制氫可以有效利用工農業廢棄物、城市污水、養殖場廢水等可再生資源，是一種可持續地從自然界中獲取氫氣的方法。該研究起源于20世紀七十年代的能源危機，具有清潔、節能和不消耗礦物資源等優點，不會破壞環境，造成環境污染，是一種理想且很有前景的制氫技術。目前，實際制氫效率與穩定性較低，無法實現大規模生產。

2.2 化石燃料制氫

化石燃料制氫是目前主流的制氫技術，主要有兩種主導的制氫工藝，分別是天然氣制氫和煤炭氣化制氫，國際可再生能源機構（International Renewable Energy Agency，IRENA）數據顯示，目前超過95%的氫氣從化石燃料中制取。但是這種制氫方式從綠色發展角度來看碳排放量較高，約占全球總排放量的2.2%，制取的氫氣叫“灰氫”，會給環境帶來嚴重的污染，與碳中和目標背道而馳。且這種制氫方式取得的氫氣含雜質較高，需要提純。從制氫成本來看，煤氣化制氫成本較低。若要控制這兩種制氫方式的碳排放強度，需在制氫過程中結合碳捕集與封存（CCS）技術，這會大幅提高制氫成本。

2.3 太陽能制氫

太陽能制氫是一種利用太陽能來生產氫氣的過程，被看作是一種最有前景的制氫方式之一。太陽能轉化成化學能的研究已經有60年的歷史，太陽能制氫是最近三、四十年發展起來的新興技術，主要包括熱化學法制氫、光電化學分解法制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫等。其最大的技術障礙是氫和氧分裂后又很容易再次結合，科學家們正在尋找一種能使水的兩個組成元素氫、氧彼此分離的催化劑[3]。上述方法利用太陽能制氫的效率還有待進一步提高，目前都還處在實驗室研究階段，離實際應用還有一段路程。

2.4 電解水制氫

電解水制氫主要原材料為水。在水中通過電流后，水分子在電極上發生化學反應，分解成氫氣和氧氣。全部生產流程中不會產生廢物，無溫室氣體排放，制氫效率高，屬于綠色環保制氫技術。在“碳中和”目標下，大力發展電解水制氫技術，實現由“灰氫”到“綠氫”轉化意義重大。

3 電解水制氫技術研究進展

根據隔膜差異，目前主要的三種電解水技術分別是堿性電解、固體聚合物水電解和固體氧化物水電解。

3.1 堿性電解制氫技術

早在20世紀中期，堿性電解制氫技術就完成了工業化建設。是當前成熟、商業化程度較高的電解制氫技術。通常采用KOH 或NaOH 當做電解質，選用石棉為隔膜，使用非貴金屬如Ni、Co、Mn 等為催化劑，主反應在電解槽中完成。電解槽會被隔膜分解成陰陽兩部分，并且各自存在電極，在陰極處產生氫氣，在陽極處產生氧氣。其操作溫度在70～90℃，效率在70%～80%，系統電耗4.5～7.1kWh·m3，設備運行壽命在20～30年[4]，產生的氫氣中含有堿霧和水氣，需經輔助設備清除。傳統電解槽存在功率調節與啟動慢的缺點，隨著電源技術的改進，堿水電解槽快速響應調頻能力得到提高，和可再生能源系統耦合適配性大幅提高。對相關研究進行分析發現，風力發電功率處于不斷變化之中，堿水電解槽自身負荷可以滿足因風速變化所造成的影響，實際響應時間不超過1s，且堿水電解槽運行負荷較寬，在10%～100%均可穩定運行，綜上可滿足在不穩定供電時穩定制氫的條件。

3.2 固體聚合物水電解制氫技術

固體聚合物水電解制氫技術采用質子交換膜（Proton Exchange Membrane,PEM）代替石棉膜完成質子傳導，主要是因為質子交換膜可以更好地隔絕電極兩側的氣體，可以緩解堿水電解使用強堿性融合所造成的缺點。其工作溫度較低，在50～80℃，效率約為75%，系統電耗4.5～7.5kWh·m3。且設備體積小、質量輕、啟停速度快、模塊操作等優點，適合用于可再生能源豐富的地區，但是PEM 電解設備價格非常高，對PEM 和催化劑也有較高的技術要求，導致其無法被大范圍普及，目前仍處在試驗階段。

3.3 固體氧化物水電解制氫技術

固體氧化物水電解技術在三種電解技術中能耗最低，為3.6～4.5kWh/Nm3，電解質材料為固體氧化物，其工作溫度為500～1000℃。通過向電解池外部施加電壓，將水分解為氫氣和氧離子，離子通過致密的鈣鈦礦類陶瓷到達氧電極生成氧氣。該技術的最大優勢在于能量轉換效率高，缺點為設備成本較高（需要貴金屬作為催化劑）、材料退化快（介質中混入的其他雜質離子對催化劑有毒害作用）、不安全性較高、啟動速度慢等。

4 風電耦合制氫優勢及工作模式

我國具有豐富的風力資源，因風力發電系統自身具有間歇性與隨機性特點，是限制風電并網的主要問題，但隨著風電規模的擴張，電能消納及優化能源結構更受關注。2019年，我國棄風、棄水、棄光電力合計約720億kWh，2020年甘肅棄風率就高達13.8%[5]，棄風現象較為嚴重。為實現達成“碳達峰”“碳中和”任務目標，解決大規模的能源消納、可再生能源發電量過剩問題，風電耦合電解水制氫是實現可再生能源充分利用，實現風能到氫能轉換的理想途徑之一。

4.1 風電耦合制氫的優勢

優化能源結構，提高風電利用率。風力發電機組首要任務是向電網供電，但風的間歇性和隨機波動性造成風能穩定性低、品質差，接入電網會產生電壓和頻率的不穩定，影響電網的安全穩定運行，被稱為“垃圾電”。電解水制氫系統具備一定的寬功率波動適用性，當電網客戶端負荷用電量較小時，多余電能將被傳輸至電解水裝置中，將電能轉化為氫能方式進行存儲，減少“棄風”，提高消納水平；當電網負荷過大，風電機組處于超負荷運行狀態時，氫氣與氧氣通過燃料電池產生電能，發揮快速功率調節的優勢，降低電網的不穩定性。實現能源結構優化，最大程度提高風電利用率和經濟性。

實現能量存儲，提高氫能利用率。我國風能儲量大、分布廣，但其能量密度低（只有水能的1/800），風力資源具有極大的不確定性、隨機性，能量無法存儲，導致風能發電無法被廣泛應用。氫能具有能量密度高、容量大、壽命長、便于儲存和傳輸等特點，是優秀的二次能源，在“雙碳”目標的大前提下，有效利用氫能極具重要性。

借助電解水制氫可以有效解決風能存儲問題，氫能主要儲運方式有高壓儲氫、液氫、材料儲氫、有機化合物儲運氫、管道輸氫等。氫氣通過管道或高壓儲氣罐，可以進入工業或商業領域，如燃料電池車、冶金、化工等行業。也可以將多余的氫氣摻入天然氣管道，相比較天然氣、煤炭、原油等化工材料，氫的熱值較高，燃燒1kg 氫可放出143MJ 的熱量，約為天然氣的1.6倍，可以減少溫室氣體排放，符合我國綠色能源發展趨勢，未來還可利用儲氫實現跨季調峰等應用。發展風氫耦合實現可再生能源和氫能之間的轉換情形較為理想。

有效利用資源，降低綜合成本。電解水制氫需要大量的水資源，單獨運輸水資源成本較高，由于全球96.5%的水是海水，而非冰凍淡水僅占1%，直接電解海水似乎是一種理想的制氫方法。全球風能委員會發布的數據顯示，截至2020年年底，中國的海上風電裝機容量為9.96GW，其中2020年的新增容量超過3GW，占全球新增容量的50.45%，連續3年在海上風電新增裝機容量居世界首位。且在2020年的北京國際風能大會上，國家能源局明確表示將會更大力度的發展海上風電，海上風電場的離岸距離將會從50km 逐步增加至100km。綜合上述情況遠海風電耦合淡化海水制氫具有更深遠的戰略意義。

4.2 風電耦合制氫的工作模式

風電耦合制氫系統包括風力發電設備、能量管理系統、水解制氫設備、儲氫/儲氧設備、燃料電池、輸送管道等。在有風天氣，風能作用于風機葉片使其轉動，帶動發電機完成風能到電能的轉化。電能在能量管理系統的管理下給電網供電，多余的電能用于蓄電池充電或電解水制氫系統運行，將所獲得氫氣儲存在儲氫罐內，氧氣存在儲氧罐中。當風能減少時，在能量管理系統的控制下，對燃料電池的發電功率進行決策，完成氫能到電能的轉化，在蓄電池的協同下，向電網供電，保證電網安全可靠運行。多余的氫氣、氧氣可以通過輸送管道另作其他商用。詳見圖1。

圖1 風電耦合制氫系統

5 風力耦合電解水制氫運行模式研究

風電耦合電解水制氫運行模式根據是否和電網連接可分為離網運行和并網運行。其中，離網運行又可分為風力發電機+電解水制氫設備、風力發電機+電解水制氫設備+儲能系統兩種模式；并網運行也可分為風力發電機+電解水制氫設備、風力發電機+電解水制氫設備+儲能系統兩種模式。我國風電耦合制氫發展較晚，目前還沒有規模化的示范工程。

5.1 離網運行一：風力發電機+電解水制氫設備

風力發電機不和公共電網相連接，與電網相互獨立，風電場的輸出端直接和電解制氫設備相連，使風機產生的風能直接供給電解水制氫設備。這是一種最簡單的風電耦合制氫模式，主要用于制氫站，投資小，高效低成本，且不會對電網造成沖擊。意大利ENEA 研究中心發現，制氫系統需在10%～100%出力范圍內運行，當功率小于設備的最小運行功率時，電解槽將被迫停機，重新啟動電解槽需要30～60min，制氫效率和氫氣品質將無法保證。長期運行在不穩定負荷下將縮短電解水制氫設備的壽命，對氫氣純度和系統的安全性造成影響。

5.2 離網運行二：風力發電機+電解水制氫設備+儲能系統

該模式克服前一種模式的缺點，增加了儲能系統來平抑風電不穩定的影響，不光可以用于制氫站，還可組建微電網，以滿足偏遠未通電地區的用電需要。集中式智能化電網+分布式發電為基礎的微電網是未來電力供應的發展方向，具有非常廣闊的應用前景。儲能系統一般配置大容量蓄電池或燃料電池，以提高電解水系統的穩定性，增加設備的壽命與安全性。該系統固定投資大，因此在設計儲能容量的大小時需通過進行生命周期內標準化分析論證確定，考慮的因素包括：一是當整組風力發電系統都處于停止狀態時，可以滿足制氫系統安全停機用電需求；二是風電機組總容量與制氫系統總容量之差。

5.3 并網運行一：風力發電機+電解水制氫設備

在此模式以制氫為主，風力發電機并入電網，當儲氫裝置充滿后多余的風電用于并網供電；當風力不足時，利用電網的供電來保證制氫系統的安全停機，或以低谷電制氫有利于電網填谷需求。該模式沒有儲能系統，固定投資最少，但部分利用了電網的電，制取的氫屬于“灰氫”或“藍氫”，違背了新能源制氫的初衷。

5.4 并網運行二：風力發電機+電解水制氫設備+儲能系統

該模式在有效利用風電的同時，有兩大優點：一是利用“棄風”制氫降低制氫成本。相關研究表明，電解制氫裝置的最佳運行功率范圍在25%～100%，利用棄風電力制氫的成本可低至22.4元/kg 左右，電網取電制氫的成本則在32.5元/kg 左右。二是可以優化電源品質，提高并網“友好性”。在用電高峰時，在能量管理系統的控制下利用儲能系統的蓄電池，結合燃料電池發電，氫能轉化為電能進一步提升風電輸出效率，優化電源質量；在用電低谷時，利用低谷電制氫填谷。

6 結語

2020年，中國水電解制氫只占全國制氫原料1%。2019年6月26日，中國氫能聯盟在山東濰坊發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》，預計到2030年，氫能市場發展中期，可再生能源電解水制氫將成為有效供氫主體。筆者針對常用風電耦合電解水制氫技術及應用模式展開詳細闡述。相信在不遠的“3060”，必將告別“碳經濟”迎來“氫經濟”，風電耦合電解水制氫項目建設與規模擴張是未來必經的發展路，幫助我國早日實現“綠氫”理念推廣，實現可持續發展。