風光耦合電解水制氫方案研究

王榮祥，金 穩，趙富強

(1.陽光新能源開發股份有限公司，合肥 230088；2.陽光氫能科技有限公司，合肥 231200)

0 引言

中國承諾努力在2030 年實現碳達峰，爭取于2060 年前實現碳中和[1]，而中國主要以煤炭、石油為主要燃料，是世界碳排放第一大國，要在40 年內實現碳中和，任務艱巨。碳達峰、碳中和( 下文簡稱為“雙碳”) 目標充分體現了中國堅持生態環境“高顏值”、經濟發展“高素質”、生活質量“高品質”的偉大決心，更體現了中國應對氣候變化的責任擔當與堅定決心；同時，這也為中國未來的綠色能源發展道路指明了方向[1]。

面對能源消耗和環境污染等問題，大力開發利用太陽能和風能等可再生能源是推動社會可持續發展的必然選擇，也是實現“雙碳”目標的重要舉措[2]。但由于風電、光伏發電存在發電不連續、不穩定和可控性較差等特點，隨著此類電力在電網中占比的不斷提高，電網的不穩定性增加、安全性降低；再加上消納等問題的存在，導致出現了棄風、棄光現象，一定程度上影響和阻礙了能源互聯網的發展。因此，目前亟需開發高效的可再生能源轉化與儲存技術，以解決風電、光伏發電的“源-網-荷”不平衡等問題[2-3]。

氫能是一種清潔低碳、靈活高效、來源廣泛、應用多元的能源形式，在眾多能源形式中，其是唯一可大規模替代化石能源的零碳無污染實體能源[1]，是實現“雙碳”目標的重要推動力。氫能可作為連接不同可再生能源的紐帶和電力儲存的介質，將其應用于新型電力系統中，有助于實現“源-網-荷-儲”一體化發展，而電解水制氫技術，尤其是通過風電、光伏發電技術制氫(即“綠電制氫”)，可以實現零碳排放。基于此，本文對可再生能源電解水制氫現狀進行介紹，并針對多種風光耦合電解水制氫方案進行研究，最后對可再生能源電解水制氫的發展前景進行展望。

1 可再生能源電解水制氫現狀

由國家發展和改革委員會、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》確定了氫能的戰略地位，明確了可再生能源制氫將會是中國未來獲取氫能的主要技術路線；在國家能源體系中，氫能也將是重要組成部分，氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體[4]。國家要求建立清潔低碳的能源體系，而可再生能源制氫技術將會是實現“雙碳”目標的重要手段。

根據氫的來源、生產過程和產生的碳排放量不同，國際可再生能源署(IRENA)將氫氣分成灰氫、藍氫和綠氫[5]。中國作為工業原料的氫氣的生產和利用主要集中在化工和冶金行業。2022年，中國氫氣總產量為3526.2 萬t，其中，煤制氫的產量為2041.5 萬t，占氫氣總產量的57.9%；天然氣制氫的產量為787.6 萬t，占氫氣總產量的22.3%，相較于2021 年有了較大提高；工業副產氫量為650.8 萬t，占氫氣總產量的18.5%；電網電力制氫、可再生能源電解水制氫等其他制氫方式的氫產量占比較低，僅占氫氣總產量的1.3%[1-6]。為了實現碳中和目標，中國氫氣需求量將逐年增大，預計到2060 年，中國氫氣的年需求量將增至約1.3 億t，制氫技術也將轉向以可再生能源制氫為主的綠電制氫技術，可以滿足千萬噸級的氫能需求，電解槽裝機規模有望達到500 GW；僅可再生能源制氫碳減排量就有望達到每年16億t，低碳清潔供氫體系可以實現每年18 億t 的二氧化碳減排量，約占當前中國能源活動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，但其能產生可利用的高價值氧氣，且整個制氫產氧過程綠色環保。目前，高耗能和高成本是制約電解水制氫技術發展的主要原因，其耗電成本占制氫總成本的 70%以上；若直接利用國家電網的電力制取氫氣，則成本會更高，并且國內煤電碳排放問題較為突出[7]。

隨著國內外碳減排壓力日益增大，在國家相關政策支持及新技術、新材料和新催化劑研究推動下，中國將在氫的制取、存儲、運輸方面逐漸突破。隨著可再生能源電力價格繼續下降，結合可再生能源的分布式制氫加氫一體站技術、液氫技術等多種氫儲運技術的出現，以及大規模可再生能源電解水制氫系統的持續優化和改進，綠電制氫成本將會明顯降低，使其規模不斷得到擴大。如此一來，綠氫的經濟性、社會效益和環境效益也將逐步顯現[8]。

2 多種風光耦合電解水制氫方案

風電和光伏發電作為重要的可再生能源利用方式，是解決當前能源困境行之有效的方法。在國家相關政策的大力支持下，中國的風電、光伏發電產業發展迅速[8]，2021 年中國風電和光伏發電總新增裝機容量約為1.01 億kW，其中，風電新增裝機容量為4757 萬kW，光伏發電新增裝機容量為5297 萬kW[9]。但風電和光伏發電均存在間歇性、時空分布不均等特點，若電解水制氫過程中采用單一的風電或光伏發電，可能會造成制氫設備利用小時數降低，經濟性不佳。因此，需要結合風光互補的特性和電解水制氫設備的特點，開展風光耦合電解水制氫，在減少項目投資冗余的同時，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濟性。下文介紹了多種風光耦合電解水制氫方案，包括風光耦合柔性電解水制氫、“風光并網+余電制氫”、“風光互補制氫+余電并網”、分散式風光就地離網制氫及交流/直流耦合離網高壓傳輸風光制氫、“風光并網+余電制儲氫發電并網”等方案。

2.1 風光耦合柔性電解水制氫方案

風光耦合柔性電解水制氫技術主要由6 大核心技術和3 大核心產品組成，實現了制氫系統與風、光、儲、網等多種能源形式及多種應用場景的柔性融合，構建靈活、高效、友好的綠電制氫系統。其中，6 大核心技術主要包括：

1)柔性組網技術。該技術由穩/暫態仿真分析、中壓級聯技術、大容量直流開斷技術、黑啟動技術、故障穿越等組成，解決了電解水制氫系統與可再生能源系統之間的耦合方式和運行方式，且因地制宜、滿足不同應用場景需求。

2)電力電子技術。該技術由拓撲技術、驅動技術、脈沖寬度調制(PWM)控制技術、平臺技術組成，采用PWM 控制算法，可以搭建高效、友好的電氫耦合橋梁。

3)電化學和過程控制技術。這兩項技術在結構、材料、電解槽本體和工藝控制方面均具備先進技術，可使電氫轉換過程更加高效、安全和靈活。

4)能量管理技術。該技術可解決電、熱、質多物理過程的耦合，構建電氫協同一體化管理體系。在“源”端實現平滑風光輸出、跟蹤計劃輸出功率、無功電壓支撐、電網調度響應，在“網”端實現系統調峰和調頻，在“荷”端實現穩定氫氣產量、跟蹤產氫計劃等功能。

5)集群控制技術。該技術可實現小室電壓監測、故障分析診斷、電解槽能效分析、健康狀態(SOH)估算等功能，同時可開展分級調節控制、動態投切控制、智能功率分配運行、熱待機運行控制，使柔性制氫系統運行更智能、更高效。

3 大核心產品主要為柔性制氫電源、柔性電解水制氫設備(堿性電解槽、質子交換膜(PEM)電解槽、氣液分離與純化設備)、智慧氫能管理系統。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，轉換效率高、響應速度快、輸出精度高，具備良好的電網支撐能力。柔性電解水制氫設備具有寬負荷調節，可適應可再生能源波動特性；具有先進的電氫協同控制算法，動態響應速度更快；智慧氫能管理系統具備系統集成、能量管理、集群控制等核心能力。

2.2 “風光并網+余電制氫”方案

“風光并網+余電制氫”系統包括風電機組、光伏陣列、風機變流器、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、儲氫裝置、智慧氫能管理系統、電網等，其結構如圖1 所示。該系統設置了風光發電量、并網電量和制氫量管理功能，在風光發電并網電量滿足預設值后，進行風光互補余電制氫。這樣不但提高了可再生能源利用率，同時也提高了設備利用率。

圖1 “風光并網+余電制氫”系統的結構示意圖Fig. 1 Structure schematic diagram of“wind-PV grid-connection+residual electricity hydrogen production”system

2.3 “風光互補制氫+余電并網”方案

“風光互補制氫+余電并網”系統包括風電機組、光伏陣列、風機變流器、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、儲氫裝置、智慧氫能管理系統、電網等，其結構如圖2 所示。

圖2 “風光互補制氫+余電并網”系統的結構示意圖Fig. 2 Structure schematic diagram of “wind-PV complementary hydrogen production + residual electricity grid-connection” system

該系統設置了風光發電量、并網電量和制氫量管理功能，在風光發電量滿足制氫所需電力后，余電并網。該方式可在最大化利用可再生能源的同時，提高設備的利用率。

2.4 分散式風光就地離網制氫方案及交流/直流耦合離網高壓傳輸風光制氫方案

中國的光伏電站和風電場大多建于土地租金廉價的次發達地區，大量光伏電站、風電場集中建設、并網致使當地電網容量飽和，從而導致電網采取限電措施，不得不棄風、棄光，大量能源資源因此被浪費。存在棄光或棄風的光伏電站或風電場，往往又缺乏建設制氫站的條件，因此，為了更好地利用可再生能源電力和更好地制取綠氫，可以采用分散式風光就地離網制氫方案或采用交流/直流耦合離網高壓傳輸風光制氫方案。

采用分散式風光就地離網制氫方案，可實現直流耦合制氫，適合大規模風光分散式制氫，特別是深遠海海上風電離岸制氫。而交流/直流耦合離網高壓傳輸風光制氫方案需要自建電網，與公共電網無互動，且其通常需要配置儲能系統，以支撐電解水制氫設備跟隨風電和光伏發電輸出功率特性曲線。

分散式風光就地離網制氫系統主要包括風電機組、光伏陣列、IGBT 制氫直流變換電源、制氫裝置、儲氫裝置、智慧氫能管理系統，其結構如圖3 所示。

圖3 分散式風光就地離網制氫系統的結構示意圖Fig. 3 Structure schematic diagram of decentralized wind-PV on-site off grid hydrogen production system

交流耦合離網高壓傳輸風光制氫系統主要包括風電機組、光伏陣列、風機變流器、光伏逆變器、升壓變壓器、高壓電網、降壓變壓器、IGBT 制氫整流電源、制氫裝置、儲氫裝置、智慧氫能管理系統、儲能電池系統，其結構如圖4 所示。

圖4 交流耦合離網高壓傳輸風光制氫系統結構示意圖Fig. 4 Structure schematic diagram of AC coupled off grid high-voltage transmission wind-PV hydrogen production system

直流耦合離網高壓傳輸風光制氫系統主要包括風電機組、光伏陣列、IGBT制氫直流變換電源、直流輸電系統、制氫裝置、儲氫裝置、智慧氫能管理系統、儲能電池系統，其結構如圖5 所示。

圖5 直流耦合離網高壓傳輸風光制氫系統的結構示意圖Fig. 5 Structure schematic diagram of DC coupled off grid high-voltage transmission wind-PV hydrogen production system

交流/直流耦合離網高壓傳輸風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，直流輸電技術在電力系統中已得到較多運用，且可以較好解決輸電線路中電感耗損問題[10]。直流輸電技術在遠距離大容量輸電、電力系統聯網、遠距離海底電纜、大城市地下電纜送電、配電網輕型直流輸電等方面具有明顯優勢。在今后的輸電系統中，直流輸電與交流輸電將會相互配合補充，構成更加多樣、高效、安全的新型電力傳輸系統[11]。

2.5 “風光并網+余電制儲氫發電并網”方案

“風光并網+余電制儲氫發電并網”系統包括風電機組、光伏陣列、用氫端、風機變流器、光伏逆變器、儲氫裝置、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、智慧氫能管理系統，其結構如圖6 所示。

圖6 “風光并網+余電制儲氫發電并網”系統的結構示意圖Fig. 6 Structure schematic diagram of“wind-grid connection + residual electricity hydrogen production，storage and power generation system grid connection”

該系統主要是先將光伏發電、風電并網，當有多余電力時，可通過電解水制氫消納一部分余電，并將制取的氫氣儲存至儲氫裝置；當光伏發電和風電余電無法滿足用電需求時，再利用氫燃料電池消耗氫氣來發電。此外，當風電、光伏發電不足且又急需大量氫氣時，也可通過網電補充電力來進行電解水制氫。氫燃料電池以電-氫-電的方式實現儲電，從而進行電網的削峰填谷。風光余電制取的綠氫儲存后，既可以作為氫能汽車的燃料來源，替代油氣資源；又能用于化工、冶金行業，降低工業領域的碳排放。

3 主要的電解水制氫技術應用對比

對于多種風光耦合電解水制氫方案中的電解水制氫技術，目前主要的技術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，已實際應用的主要為堿性電解水制氫和PEM 電解水制氫這兩種技術。

固體氧化物電解水制氫是一種高溫電解水制氫技術，溫度一般為700～1000 ℃。目前該技術成本高、難度大，正處于開發驗證階段，未在市場上實際應用。

堿性電解水制氫是一種以氫氧化鉀溶液作為電解質、多孔膜作為隔膜的制氫技術。該技術較為成熟，是目前主流且規模化應用的電解水制氫技術。中國目前的電解水制氫系統主要以壓力系統為主，經過多年的建設和運行實踐證明，采用電解水槽及其輔助設備、純水制備裝置、堿液制備裝置、氫氣純化裝置、氫氣壓縮機、儲氫罐、直流電源、自控裝置等組成的堿性電解水制氫系統更為合理[8]。雖然堿性電解水制氫系統存在設備體積大、維護成本高、工作電流小、對風光發電類波動性電源輸入適應性差等缺點，但考慮到堿性電解水制氫技術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。

相比于堿性電解水制氫技術，PEM 電解水制氫技術以質子交換膜取代了堿性電解水制氫技術中的隔膜和電解質，其具有電阻小、制氫效率高、電流大、設備占地面積小的優點，且采用該技術的系統可實現快速啟停、大幅度功率調節，對風光發電類波動性電源輸入適應性強，非常適合風光耦合電解水制氫方案。目前該技術尚未大規模應用的主要原因是其還需要進一步優化和突破，且成本比堿性電解水制氫技術高。但隨著技術的不斷改善和成本的不斷降低，將該技術應用在波動性大的可再生能源耦合電解水制氫上，有非常大的優勢和空間。

4 電解水制氫工藝系統組成

以目前主流堿性電解水制氫技術為例，其原理是將1 對電極浸沒在電解液中，電極中間放置防止氣體滲透的隔膜，從而構成電解槽。電解槽內包括多個電解小室，電解槽內的原料水在直流電作用下將會發生分解，在每個電解小室的陰、陽極表面將分別產生帶有堿液的氫氣、氧氣，這些氣體分別通過極板上方出氣孔流入各自的氣道中，然后分別進入氫氣氣液分離器、氧氣氣液分離器進行處理，再通過管道流出。

陰極上的反應式為：

陽極上的反應式為：

總反應式為：

電解水制氫工藝系統除了制氫電解槽外，還需要包括氣液分離系統、氫氣純化系統、電解液循環系統、氣體排空(氮氣置換)系統、純水系統、原料水補水系統、閉式冷卻液循環系統、冷凍液循環系統、排污系統、補堿系統等。其中：氣液分離系統的工作原理示意圖如圖7 所示；氫氣純化系統的工作原理示意圖如圖8 所示。

圖7 氣液分離系統的工作原理示意圖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展前景

根據彭博新能源財經(BNEF)發布的《可再生能源制氫經濟性》報告，在2019—2029 年這10 年內，可再生能源電解水制氫成本將會持續且大幅降低。預計到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進一步降至80 美分/kg，相當于6 美元/MMBTU 的天然氣價格，這將促使氫能在未來能源市場中擁有較大的競爭力[12]。根據國際氫能委員會(Hydrogen Council)的預測，到2050 年，氫能產業可以創造3000萬個工作崗位，減少60 億t 二氧化碳排放，創造2.5 萬億美元的產值，在全球能源中的占比可以達到18%[13]。

目前，中國不斷加大清潔能源發電的研發力度，希望在2030 年實現將單位國內生產總值(GDP)的二氧化碳排放強度可降低65%，顯著降低化石能源消費的占比，風電、光伏發電總裝機容量超過 12 億kW。采用風光耦合電解水制氫的清潔制氫技術，將是未來實現可再生能源成熟化、大眾化使用需要解決的關鍵點[14]。

采用大規模以風電、光伏發電為主的耦合電解水制氫可以有效減少油氣進口、化石能源應用，極大地保障中國的能源安全；并且隨著未來中國風電、光伏發電技術的不斷發展，其裝機容量將不斷增加，加上國家政策的引導和支持，在風電場或光伏電站配置電解水制氫系統，或采用輸電系統利用風電和光伏發電來電解水制氫，所需成本將會越來越低。采用綠色、低廉的風電、光伏發電耦合電解水制氫將會在未來成為中國消納可再生能源發電、使用綠氫、調整能源結構、保證能源安全、實現“雙碳”目標的主流路線。

6 結論

本文對可再生能源電解水制氫現狀進行了介紹，并針對多種風光耦合電解水制氫方案進行了研究，最后對可再生能源電解水制氫的發展前景進行了展望。研究結果顯示：采用大規模以風電、光伏發電為主的耦合電解水制氫可以有效減少油氣進口、化石能源應用，極大保障中國的能源安全。另外，可在未來積極構建以氫能為“源- 網-荷”各環節支撐的新型電力系統，共同建立“電-氫-電”體系。利用可再生能源耦合電解水制氫，同時將儲氫與新型電力系統耦合，將是實現“雙碳”目標的最佳途徑。