田江南，羅 揚(yáng)

(1. 中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120；2. 香港城市大學(xué)物理學(xué)系，中國香港 999077)

0 引言

氫能具有資源豐富、來源多樣、潔凈環(huán)保、單位質(zhì)量熱值高和應(yīng)用場景豐富等特點(diǎn)而備受關(guān)注，近年來成為能源領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。氫能被稱為21世紀(jì)的終極能源，已被美國、日本和德國等國家提升至國家戰(zhàn)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(jīng)濟(jì)領(lǐng)先國家，到21世紀(jì)中葉，氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造43萬億韓元的年附加值和42萬個(gè)就業(yè)崗位。歐盟預(yù)計(jì)到2050年，氫能的大力發(fā)展將使世界的碳排放量減少80%；整個(gè)氫能行業(yè)可為歐洲提供540萬個(gè)高技能就業(yè)崗位；研究顯示，通過大力發(fā)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(chǎn)業(yè)化的初步條件，地方政府和氫能行業(yè)具有很高的發(fā)展積極性。目前珠三角、長三角和京津冀區(qū)域的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，氫能逐漸成為資本和行業(yè)競逐的新領(lǐng)域。2019年，我國的水電、風(fēng)電和光伏發(fā)電平均利用率有很大提升，分別達(dá)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(jī)容量的增長，新能源發(fā)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(xù)發(fā)展[4]。根據(jù)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的中長期規(guī)劃，截止到2050年底我國風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)到1 000 GW，但風(fēng)電限電上網(wǎng)一直是一個(gè)大問題。我國的風(fēng)電裝機(jī)容量主要集中在三北地區(qū)和東部沿海地區(qū)，風(fēng)電設(shè)施一般都是規(guī)?；薪ㄔO(shè)，這就導(dǎo)致這些區(qū)域的風(fēng)電可上網(wǎng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的可接納量。另外，風(fēng)電具有間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，而電網(wǎng)對于并網(wǎng)風(fēng)電的品質(zhì)著較高的要求。因此，這些風(fēng)資源集中的區(qū)域可能會出現(xiàn)大量棄風(fēng)現(xiàn)象。發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)有利于解決風(fēng)電就地消納問題，有利于實(shí)現(xiàn)分散式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的規(guī)?；?、實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的多途徑高效利用。風(fēng)電與制氫技術(shù)耦合，既可將氫氣作為清潔燃?xì)鈱τ脩艄?，?shí)現(xiàn)電力到燃?xì)獾幕パa(bǔ)轉(zhuǎn)換，也可將氫能直接利用在電力、化工和汽車等領(lǐng)域。

1 主要?dú)錃庵苽浼夹g(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(xué)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(shù)大多數(shù)較成熟，每種制氫工藝的成本及環(huán)保程度均不相同。目前新型制氫技術(shù)主要包括生物法制氫、生物質(zhì)熱解制氫和光催化分解水制氫等。傳統(tǒng)工業(yè)制氫技術(shù)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(shù)

生物法制氫是通過微生物代謝產(chǎn)氫，如微生物通過厭氧發(fā)酵和光合生物通過光合作用產(chǎn)生氫氣，但是制氫產(chǎn)率和穩(wěn)定性較低，大規(guī)模生產(chǎn)的可能性受到限制；生物質(zhì)熱解制氫主要是將生物質(zhì)中的有機(jī)物組分通過熱解過程轉(zhuǎn)化為合成氣(CO、H2)。為提高氫氣產(chǎn)量，可將反應(yīng)得到的CO再與H2O反應(yīng)制取H2和CO2；光催化分解水制氫是一種較理想的制氫技術(shù)：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(shù)對環(huán)境無污染，但是以目前技術(shù)水平較難實(shí)現(xiàn)。

1.2 傳統(tǒng)制氫技術(shù)

傳統(tǒng)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(jìn)行增壓和預(yù)熱，然后通入蒸汽反應(yīng)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(fēng)力發(fā)電與電解水制氫 合技術(shù)研究進(jìn)展

根據(jù)隔膜不同，可將電解水制氫技術(shù)分為三種：堿水電解、質(zhì)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(chǎn)過程幾乎不產(chǎn)生廢棄物，相對來說是一種綠色環(huán)保的制氫技術(shù)。隨著電解水制氫技術(shù)逐漸成熟，其發(fā)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(shù)的電解質(zhì)，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(shù)最早于20世紀(jì)中期就實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。該技術(shù)是較成熟、成本也最低的電解水制氫技術(shù)，設(shè)備運(yùn)行壽命可達(dá)15年。質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane, PEM)作為固體聚合物電解質(zhì)(solid polymer electrolyte, SPE)水電解技術(shù)的隔膜，因而也被稱為PEM電解。質(zhì)子交換膜水電解制氫的電耗一般為4.5～7.5 kWh/Nm3[8]。以質(zhì)子交換膜替代石棉膜傳導(dǎo)質(zhì)子，而且質(zhì)子交換膜起到隔絕電極兩側(cè)的氣體的作用，避免了堿水電解使用強(qiáng)堿性液體電解質(zhì)所帶來的缺點(diǎn)。但是PEM電解設(shè)備造價(jià)高，限制在工程上的廣泛應(yīng)用。固體氧化物作為固體氧化物水電解技術(shù)(solid oxide electrolysis cell, SOEC)的電解質(zhì)材料，在600～1 000℃溫度下工作，利用熱量進(jìn)行電氫轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是具有能量轉(zhuǎn)化效率高且不需要使用貴金屬催化劑，但是這種技術(shù)的缺點(diǎn)是制氫所需溫度較高，不安全因素較多[9]。

間歇性和隨機(jī)性是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩大特點(diǎn)，在這種條件下制氫對電解水制氫系統(tǒng)的要求為：在不穩(wěn)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(tǒng)應(yīng)具有良好的寬功率波動(dòng)適用性。有研究表明，風(fēng)力發(fā)電的功率是迅速變化的，堿水電解槽的負(fù)荷能夠迅速地匹配上風(fēng)速的變化，響應(yīng)時(shí)間小于1 s。而且，堿水電解槽的運(yùn)行負(fù)荷范圍比較寬，介于10%～100%都可穩(wěn)定運(yùn)行[10]。堿水電解技術(shù)與質(zhì)子交換膜電解、固體氧化物電解技術(shù)相比，具有技術(shù)簡單、應(yīng)用成熟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較短的優(yōu)點(diǎn)，因此適用于風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)[11]。

風(fēng)力發(fā)電制氫產(chǎn)生的氫氣如何消納的問題也有很多研究。如果風(fēng)電場和用氫市場的距離比較遠(yuǎn)，可采用就地式制氫模式(即在氫氣需求端制氫、風(fēng)電直供方式)。這種方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于分布式制氫方式(即在風(fēng)電場制氫用管道或者車輛運(yùn)輸至氫氣需求端)。如果在風(fēng)電制氫項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)的氫氣需求量不足，氫氣也可以接入天然氣管網(wǎng)供給燃?xì)庥脩?，這就需要實(shí)施一些優(yōu)惠政策才能保證風(fēng)電制氫項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。因此風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目應(yīng)選擇氫氣需求相對較高或者當(dāng)?shù)卣畬錃庥泄膭?lì)性政策的地區(qū)，做好可行性研究等前期工作[12]。

3 風(fēng)力發(fā)電與電解水制氫 合模式研究

風(fēng)電制氫系統(tǒng)大體上分為：并網(wǎng)棄電制氫、孤網(wǎng)運(yùn)行制氫和非并網(wǎng)運(yùn)行制氫三種方式。因?yàn)楣潭ㄍ顿Y較少，目前來說并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電制氫模式是最經(jīng)濟(jì)的。但是并網(wǎng)棄電制氫主要目的是發(fā)電，本文暫不討論。孤網(wǎng)運(yùn)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(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電制氫系統(tǒng)進(jìn)行了財(cái)務(wù)分析，分析表明風(fēng)電制氫成本在2.8～6.2歐元/kg區(qū)間內(nèi)。風(fēng)電制氫敏感性分析表明電解水制氫設(shè)備數(shù)量和風(fēng)機(jī)數(shù)量對制氫成本影響很大。非并網(wǎng)運(yùn)行主要依靠外界電網(wǎng)對負(fù)荷進(jìn)行功率補(bǔ)償，它的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在風(fēng)電制氫系統(tǒng)需頻繁與外界電網(wǎng)進(jìn)行交互作用。

類似的研究，Hamanea等人研究表明，阿爾及利亞地區(qū)某風(fēng)場開展了一個(gè)孤網(wǎng)型10 kW風(fēng)機(jī)耦合5 kW堿水電解制氫裝置的示范性項(xiàng)目。阿爾及利亞項(xiàng)目的十月和十一月平均風(fēng)速最低，風(fēng)電制氫產(chǎn)量在那兩個(gè)月份處于最低水平；五月份風(fēng)速達(dá)到最大，風(fēng)電制氫產(chǎn)量同時(shí)也達(dá)到了最大值400 Nm3/月。而且研究還顯示，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)制氫量發(fā)生了顯著變化，制氫產(chǎn)量增加了 1 600 Nm3/a。當(dāng)輪轂高度大于 30 m 時(shí)，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(yīng)用需求，從不同角度分析電解水制氫設(shè)備與風(fēng)電機(jī)組耦合模式，本文例舉三種風(fēng)電制氫模式。模式一“孤網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”；模式二“孤網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備+儲能設(shè)施”；模式三“非并網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”。以三種風(fēng)電制氫模式能獲得一定的的氫產(chǎn)量為分析標(biāo)準(zhǔn)。一定的氫產(chǎn)量，也就意味著電解水制氫裝置的出力是一定的，變量為風(fēng)機(jī)容量、儲能設(shè)施的有無及容量、是否從網(wǎng)上購電。

3.1 模式一“孤網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”

此模式下風(fēng)力發(fā)電機(jī)與外界電網(wǎng)不相連。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電量部分用來制氫，而且沒有儲能設(shè)備來平抑風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性。由于此模式下制氫系統(tǒng)在10%～100%的出力范圍內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速低于某一值時(shí)電解水制氫設(shè)備無法啟動(dòng)，造成風(fēng)電的浪費(fèi)。由于風(fēng)機(jī)容量過高，當(dāng)風(fēng)機(jī)滿發(fā)時(shí)電解水制氫設(shè)備也不能完全接納風(fēng)機(jī)所發(fā)的電量。也就是說，此模式不能完全利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電，因此為達(dá)到一定的氫產(chǎn)量需匹配的風(fēng)機(jī)數(shù)量最多。此模式下制氫系統(tǒng)長期在一個(gè)不穩(wěn)定的負(fù)荷下運(yùn)行會導(dǎo)致制氫設(shè)備的壽命縮短，而且對氫氣純度和系統(tǒng)的安全性造成一定影響[14]。

3.2 模式二“孤網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備+儲能設(shè)施”

此模式下風(fēng)力發(fā)電機(jī)與外界電網(wǎng)不相連。與模式一不同的是此模式有儲能設(shè)施來平抑風(fēng)電的波動(dòng)性。由于升壓站和制氫系統(tǒng)都需要儲能裝置，對于孤網(wǎng)運(yùn)行方案，可以設(shè)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(tǒng)的供電要求。由于儲能設(shè)施的容量有限，不能做到儲存全部的風(fēng)電。因此，儲能裝置容量的選擇可考慮兩種方案：一種是當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全停時(shí)，能滿足制氫裝置安全停機(jī)用電需求；一種是風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘亢椭茪溲b置總?cè)萘恐睢?/p>

由于提高風(fēng)電的利用率，需匹配的風(fēng)機(jī)數(shù)量中等，電解水制氫系統(tǒng)可在較穩(wěn)定的負(fù)荷下運(yùn)行，安全可靠。由于此模式設(shè)置了儲能設(shè)施，固定投資大于模式一，但是從長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮此模式優(yōu)于模式一。此外，利用儲能技術(shù)平抑風(fēng)電的波動(dòng)性已經(jīng)成為趨勢，隨著超導(dǎo)儲能和超級電容的快速發(fā)展，可靠的儲能技術(shù)具備了精確化和規(guī)?；?。目前新型儲能系統(tǒng)已經(jīng)能夠快速充放電，電能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%以上，可靈活平抑風(fēng)電波動(dòng)的特性[15]。

3.3 模式三“非并網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備”

此模式風(fēng)力發(fā)電機(jī)與外界電網(wǎng)相連，但是風(fēng)電不上網(wǎng)，僅通過購電制氫。此模式需匹配的風(fēng)機(jī)數(shù)量最少，沒有儲能設(shè)施，固定投資最少。但為了保證制氫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需從電網(wǎng)購電，運(yùn)行費(fèi)用是三種匹配模式里最高的。非并網(wǎng)運(yùn)行制氫雖然僅能改善風(fēng)電短時(shí)間的波動(dòng)特性，但是很難應(yīng)對長時(shí)間的波動(dòng)。另外，使用不當(dāng)會對外界電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)造成嚴(yán)重?fù)p耗，而且也會增加外界電網(wǎng)系統(tǒng)功率損耗。

總的來說，模式一理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是工程落地對設(shè)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(lán)氫”，違背了新能源制氫的初衷。

4 結(jié)論

氫氣是一種清潔能源已經(jīng)受到了全世界的關(guān)注，新能源制氫的的優(yōu)勢也越來越明顯。本文通過分析得出以下結(jié)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(shù)也正在研發(fā)過程中。電解水制氫目前的工藝技術(shù)比較成熟，但是制氫成本目前仍然較高，小規(guī)模應(yīng)用較多。新能源制氫這種可循環(huán)發(fā)展的環(huán)保制氫理念越來越受人推崇。目前用棄風(fēng)、棄光和棄水電制氫的項(xiàng)目較多，但是新能源發(fā)電孤網(wǎng)運(yùn)行制氫的項(xiàng)目僅有少數(shù)幾個(gè)示范項(xiàng)目。本文主要對風(fēng)機(jī)和電解水制氫耦合的運(yùn)行模式做了論述，得出采用“孤網(wǎng)運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫設(shè)備+儲能設(shè)施”模式進(jìn)行匹配在技術(shù)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(xù)發(fā)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(shè)備造價(jià)、改進(jìn)電解水制氫設(shè)備對不穩(wěn)定電源的適應(yīng)性、優(yōu)化新能源制氫系統(tǒng)容量匹配模式、提升氫能下游市場活躍性，政策上也需進(jìn)一步明確氫能屬性并給與支持。后續(xù)工作也可對三種匹配模式的財(cái)務(wù)生存能力進(jìn)行系統(tǒng)評估，進(jìn)一步深化風(fēng)電制氫的可行性研究。