劉傳亮, 郭萬貴, 孔心璇, 張 華, 李振亞, 郭嘉靖, 邊文杰
(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240;2.國家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830000;3.中電投新疆能源化工集團(tuán)達(dá)坂城風(fēng)電有限公司,烏魯木齊 830000)
近年來,隨著清潔高效能源發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展,光伏發(fā)電的裝機(jī)容量不斷增加,光伏發(fā)電技術(shù)也日趨成熟,但同時(shí)其也面臨兩大難題:(1)電能品質(zhì)差,電網(wǎng)調(diào)度難度大。無規(guī)律的光照資源導(dǎo)致光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和階段性等問題。(2)電能存儲(chǔ)較難,傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能及物理儲(chǔ)能技術(shù)無法滿足能量大量存儲(chǔ)和未來純綠色能源的發(fā)展需求。而氫作為一種清潔能源,具有能量密度高、容量大、壽命長、便于儲(chǔ)存和傳輸?shù)忍攸c(diǎn),因而成為光伏規(guī)模化制氫利用、儲(chǔ)存的優(yōu)選方案[1-3]。通過電解水制氫可有效增強(qiáng)光伏發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力,并將棄光棄電轉(zhuǎn)化為氫能存儲(chǔ)起來,產(chǎn)生的氫氣可應(yīng)用于以下場景:融入現(xiàn)有的燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)絡(luò),或者用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,實(shí)現(xiàn)電力到燃?xì)獾幕パa(bǔ)轉(zhuǎn)化;用于化工制品如提煉原油,人造黃油、食用油等產(chǎn)品的脂肪氫化,或者合成氨、合成甲醇;用于航天工業(yè),使用液氫作為燃料;用于加氫站,供給氫能汽車[4-6]。
光伏發(fā)電技術(shù)和制氫技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立商業(yè)運(yùn)行,對(duì)于光伏制氫耦合系統(tǒng)目前還處于理論研究階段,在我國西北地區(qū)還未運(yùn)用到工程實(shí)際中[7-10]。筆者總結(jié)了制氫的主要途徑,比較了各種光伏制氫模式的優(yōu)缺點(diǎn),總結(jié)對(duì)比了存儲(chǔ)、運(yùn)輸氫氣的主要方式,并通過計(jì)算我國西北地區(qū)寬功率光伏離網(wǎng)制氫的投資回報(bào)率,分析各種模式下光伏制氫的經(jīng)濟(jì)性。
目前,堿水電解制氫(AE)技術(shù)是國內(nèi)外較成熟的電解制氫技術(shù),堿水電解制氫設(shè)備主要由電解槽和膈膜等組成,相較其他形式的制氫設(shè)備,其結(jié)構(gòu)簡單且價(jià)格便宜,但效率略低。電解槽有單極和雙極2種形式,常見的電解液有氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液。傳統(tǒng)的膈膜主要由石棉組成,用于隔離氫氧。陰極、陽極主要由Ni-M合金組成。AE技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定,技術(shù)成熟度高,投資成本低,但也存在化學(xué)污染、啟動(dòng)緩慢等問題,AE技術(shù)是目前國內(nèi)外寬功率光伏離網(wǎng)制氫技術(shù)的主要路徑[11]。質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)技術(shù)在國外已進(jìn)入到商業(yè)化示范階段,與AE技術(shù)相比,PEM技術(shù)的制氫設(shè)備具有安全性能高、單位體積制氫量高、起停迅速等優(yōu)點(diǎn),常規(guī)的PEM制氫設(shè)備采用全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì),能有效阻止電子傳遞。但由于PEM投資成本與AE相比過于高昂,PEM技術(shù)仍沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用,根據(jù)最新的研究表明,過去5年電解槽成本已下降了40%[12]。考慮成本因素,AE技術(shù)是目前最適合的寬功率光伏離網(wǎng)制氫技術(shù)路徑。
高溫固體氧化物水電解制氫(SOEC)技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)階段,該技術(shù)有很好的耐熱性,但由于運(yùn)行溫度超800℃,廢熱利用后效率超過90%,其在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)運(yùn)行還不太穩(wěn)定。SOEC技術(shù)采用固體氧化物為電解質(zhì)材料,為避免材料腐蝕問題,電解槽電極采用非貴金屬催化劑。目前,材料是制約SOEC技術(shù)大規(guī)模推廣的主要因素[13]。
3種主要制氫技術(shù)路線與優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1和表2所示。
表1 制氫技術(shù)路線對(duì)比Tab.1 Comparison of hydrogen production technology routes
表2 制氫技術(shù)路線優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Advantages and disadvantages of main technical routes for off-grid hydrogen production
筆者對(duì)國內(nèi)外的主要制氫廠家進(jìn)行了充分調(diào)研,德國ELB公司主要以3 MPa以上電解槽和常壓下電解槽2種技術(shù)路線進(jìn)行市場推廣,從事水電解行業(yè)40多年,具備項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、氫氣氧氣的運(yùn)輸和存儲(chǔ)等豐富的上下游經(jīng)驗(yàn);蘇州競立制氫設(shè)備有限公司前期的制氫技術(shù)主要從美國TELEDYNE公司引進(jìn),目前已具備研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造制氫設(shè)備的能力,是國內(nèi)堿水制氫的主要供應(yīng)商;Verde(美國)建立了全球第一個(gè)利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的制氫系統(tǒng),目前在國內(nèi)南通和南京擁有2家全資子公司;挪威Nel公司在質(zhì)子膜的水電解制氫領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位,該公司生產(chǎn)的質(zhì)子膜制氫設(shè)備體積小、產(chǎn)能大。此外,還有德國Sunfire、中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所(簡稱718所)、康明斯(美國)等國內(nèi)外企業(yè)從事制氫產(chǎn)業(yè),表3和表4給出了上述公司的業(yè)績及估價(jià)情況。從表3、表4可以看出,國內(nèi)堿性電解技術(shù)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用,關(guān)鍵設(shè)備的主要性能指標(biāo)均接近國際先進(jìn)水平,且設(shè)備成本較低,單堆電解制氫產(chǎn)量較大;在質(zhì)子交換膜制氫領(lǐng)域,國外單堆氫產(chǎn)量最高500 m3/h,系統(tǒng)通過多模塊集成實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)電解水制氫,在技術(shù)成熟度、裝置規(guī)模等方面,國內(nèi)技術(shù)較國際先進(jìn)水平差距還較大。
表3 堿水電解制氫主要供應(yīng)商及指標(biāo)Tab.3 Main suppliers and indicators of AE
表4 質(zhì)子交換膜電解水制氫主要供應(yīng)商及指標(biāo)Tab.4 Main suppliers and indicators of PEM
目前,國內(nèi)光伏制氫主要有并網(wǎng)集中制氫、寬功率離網(wǎng)制氫和并-離網(wǎng)多模式制氫3種模式。光伏并網(wǎng)集中制氫由于能量變換級(jí)別較多,電的利用效率只有80%~85%。光伏并-離網(wǎng)多模式制氫由于其系統(tǒng)復(fù)雜,投資成本大,收益也并不顯著,目前并不適合大規(guī)模應(yīng)用。而使用寬功率光伏離網(wǎng)制氫,一方面對(duì)太陽能電站改造的投資較低,并且投資規(guī)模不受電網(wǎng)限制,可以規(guī)模自定,獨(dú)立發(fā)展;另一方面寬功率光伏離網(wǎng)棄電的利用效率較高,可達(dá)90%左右。
寧楠[14]對(duì)水電解裝置制氫進(jìn)行了寬功率適應(yīng)分析,對(duì)電解水制氫系統(tǒng)進(jìn)行了寬功率波動(dòng)耐受性實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率下降時(shí),需要調(diào)整其他參數(shù)以保證系統(tǒng)安全性,通過改變工作溫度、電解液循環(huán)量等參數(shù),可以找到復(fù)雜功率波動(dòng)工況下保證水電解制氫系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)途徑。張存滿等[15]提出了一種具有寬功率波動(dòng)適應(yīng)性的大型電解水制氫系統(tǒng)及控制方法,該方法可以提升制氫系統(tǒng)的效率和寬功率波動(dòng)適應(yīng)性,增強(qiáng)瞬時(shí)響應(yīng)速度,降低功率加載成本。
研究表明,光伏發(fā)電對(duì)時(shí)間、空間的依賴性很強(qiáng),具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等主要特點(diǎn),很難為負(fù)載提供一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。因此,寬功率光伏離網(wǎng)制氫需要解決的關(guān)鍵問題是寬功率的調(diào)整范圍,根據(jù)其波動(dòng)性和不確定性,整個(gè)制氫系統(tǒng)需要有一個(gè)比較寬的功率調(diào)整范圍。
高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)適用于近距離、小體量運(yùn)輸場景,適合壓縮至24 MPa以上的運(yùn)氫場景,該技術(shù)發(fā)展成熟,是目前國內(nèi)使用最廣泛的輸氫方式,其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟,缺點(diǎn)是體積密度低;液態(tài)輸氫技術(shù)適用于遠(yuǎn)距離、大體量運(yùn)輸場景,運(yùn)輸過程中需要將氫冷卻至-250℃以下液化,該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是體積密度高、純度高,缺點(diǎn)是液化能耗高,容器有絕熱要求,成本較高,液態(tài)輸氫技術(shù)目前在國外發(fā)展較成熟,已得到規(guī)?;瘧?yīng)用,而國內(nèi)運(yùn)用還較少。管道輸氫適用于遠(yuǎn)距離、大體量以及長期穩(wěn)定的運(yùn)輸場景,其技術(shù)特點(diǎn)是運(yùn)行壓力為1~6 MPa,優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行能耗和成本低,缺點(diǎn)是初投資較高,該技術(shù)在國外發(fā)展成熟,總長度超過10 000 km。各氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式的比較見表5。
表5 氫氣儲(chǔ)運(yùn)方式比較Tab.5 Comparison of hydrogen storage and transportation methods
在歐盟,普遍采用氫氣與天然氣混合的形式節(jié)省運(yùn)輸氫氣成本(如圖1所示)。大約2%~5%的氫氣可以混合在天然氣運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中,而不需要更換或調(diào)整壓縮機(jī),當(dāng)摻氫率超過5%時(shí),則需要更換或調(diào)整壓縮機(jī)。在天然氣管道中放置一個(gè)小的氫氣管,通過這種方式可以輸送1~2 GW的氫氣到更遠(yuǎn)的地方,例如穿越地中?;虮焙#恍枰甙旱某杀?。德國Avacon計(jì)劃將天然氣管道中的摻氫率提高至20%,意大利則計(jì)劃將其提高至10%,英國Hydeploy計(jì)劃將其提高至20%。
圖1 西方國家采用的摻氫比例[16]Fig.1 Hydrogen doping ratios adopted by western countries
我國目前已有多條輸氫管道在運(yùn)行,如中石化洛陽煉化氫氣輸送管道長25 km,年輸氣量10×104t;烏海-銀川輸氣管道長216.4 km,年輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣16.1×108m3;巴陵-長嶺輸氫管道全長42 km,年輸氣量達(dá)4.42×104t。2019年,國家電力投資集團(tuán)公司(以下簡稱國家電投)在遼寧朝花藥業(yè)有限公司開展了天然氣摻氫示范項(xiàng)目,2020年,國家電投又在張家口啟動(dòng)“天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范”,其中一路與張家口市政燃?xì)夤軗交?,?jì)劃年輸送氫氣440×104m3。
我國西北地區(qū)光資源豐富,光伏累計(jì)裝機(jī)規(guī)模約占全國的1/5。但是,根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),截至2021年第一季度,西北地區(qū)近3個(gè)季度的棄風(fēng)率同比下降0.4個(gè)百分點(diǎn)至4.6%,而棄光率卻同比上升3.0個(gè)百分點(diǎn)至5.9%。
截至2020年底,國家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司總裝機(jī)容量約319.22×104k W,其中不同裝機(jī)容量占比如圖2所示,不同地區(qū)的光伏裝機(jī)容量如表6所示,其中絲路乾元的若羌依吞布拉克光伏電站棄光率最高,達(dá)25.13%。調(diào)研結(jié)果顯示,新疆中午為光伏大發(fā)時(shí)段,但同時(shí)也是負(fù)荷低谷階段,中午時(shí)段經(jīng)營用電平均負(fù)荷僅有約260×104k W,調(diào)峰空間不足導(dǎo)致棄光現(xiàn)象嚴(yán)重,98%的新疆光伏電站可以通過配備制氫來解決60%~80%的棄電問題。
圖2 國家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司光伏裝機(jī)容量分布Fig.2 Installed PV of SPIC Xinjiang Energy&Chemical Co.,Ltd.capacity
表6 國家電投集團(tuán)新疆能源化工有限責(zé)任公司不同地區(qū)光伏裝機(jī)容量Tab.6 Installed PV of SPIC Xinjiang Energy&Chemical Co.,Ltd.capacity in different regions
根據(jù)以上對(duì)設(shè)備的調(diào)研結(jié)果,結(jié)合光伏電站的實(shí)際情況,總結(jié)得出影響光伏制氫成本的5大主要因素包括:電解制氫規(guī)模、電解制氫效率、項(xiàng)目總投資、上網(wǎng)電價(jià)和棄電率。對(duì)寬功率光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性的影響因素進(jìn)行分析。
電解制氫規(guī)模是影響光伏制氫成本的重要因素,研究表明在0.1~100 MW負(fù)荷范圍內(nèi),隨著水電解器名義功率增加10倍,相應(yīng)的光伏制氫成本顯著減少(0.1元/kg),針對(duì)上述原因,建議進(jìn)行電解制氫的項(xiàng)目規(guī)模為300~1 500 m3/h。
上網(wǎng)電價(jià)是目前制約大規(guī)模制氫發(fā)展的主要因素。按照當(dāng)前工程制氫經(jīng)驗(yàn),4.8 k W·h電能產(chǎn)生約1 m3的氫氣,光伏發(fā)電制氫電價(jià)應(yīng)控制在0.3元/k W以下時(shí)才具有競爭力,而目前國內(nèi)光伏的上網(wǎng)電價(jià)普遍在0.35~0.5元/k W,這種情況下需消納光伏的棄光棄電才能顯著提高寬功率光伏離網(wǎng)制氫的經(jīng)濟(jì)性。
按照西部地區(qū)光伏電廠3%~5%的棄電率,筆者建議按棄電率的200%進(jìn)行配比即6%~10%的制氫規(guī)模,一方面可以控制負(fù)荷波動(dòng)率大于50%,保證電解制氫的效率,另一方面不占用過多的光伏電廠上網(wǎng)電量,保證寬功率光伏離網(wǎng)制氫的經(jīng)濟(jì)性。
以國內(nèi)能大規(guī)模生產(chǎn)制造的AE技術(shù)為主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)對(duì)象,分析了光伏發(fā)電在不同棄電率下離網(wǎng)制氫規(guī)模對(duì)光伏制氫經(jīng)濟(jì)性的影響,同時(shí)比較了不同PEM制氫占比與AE制氫進(jìn)行耦合的經(jīng)濟(jì)性。
以新疆某60 MW光伏電廠為研究對(duì)象,該電廠光伏棄電率約為3%,上網(wǎng)電價(jià)為0.35元/k W,4.8 k W·h電能約產(chǎn)生1 m3氫氣,以此為基礎(chǔ)分析制氫規(guī)模對(duì)內(nèi)部收益率的影響,并按照目前市場價(jià)格進(jìn)行測(cè)算。
如表7所示,根據(jù)電廠側(cè)反饋的模擬數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)制氫規(guī)模達(dá)到700 m3/h時(shí),耗電功率增大,棄電用于制氫的可調(diào)節(jié)范圍增大,棄電利用率達(dá)到90%,但當(dāng)制氫規(guī)模超過700 m3/h時(shí),增大制氫規(guī)模以后,棄電利用率增幅有限。
表7 3%棄電率下制氫規(guī)模對(duì)內(nèi)部收益率的影響Tab.7 Effect of hydrogen production scale on internal rate of return under 3%curtailment rate
在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí),可以考慮加入小規(guī)模PEM制氫(<5%)與AE制氫進(jìn)行耦合,以減少系統(tǒng)制氫的起動(dòng)時(shí)間,增加系統(tǒng)的負(fù)荷正向調(diào)節(jié)能力。表8給出了不同PEM制氫占比對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的影響。由于PEM制氫成本較高,目前仍不適用于光伏電廠大規(guī)模制氫,除非PEM制氫平均每天的運(yùn)行時(shí)間超過12 h,或者PEM制氫的成本大幅降低。
表8 PEM制氫占比對(duì)內(nèi)部收益率的影響Tab.8 Effect of the proportion of PEM hydrogen production on the internal rate of return
(1)由于能夠利用棄光棄電,與上網(wǎng)后制氫相比,大規(guī)模光伏離網(wǎng)制氫的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好。
(2)目前商業(yè)化的制氫規(guī)模需根據(jù)光伏電站的棄電率來計(jì)算,制氫的耗電功率大約為光伏電站棄電率的2~3倍,這時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較好。
(3)PEM制氫商業(yè)化的經(jīng)濟(jì)性較差,即使與AE制氫相耦合也不建議其比例占總功率的5%以上,除非PEM制氫的成本大幅降低,低于AE制氫總成本的2倍。
總體而言,西北地區(qū)寬功率光伏離網(wǎng)制氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)較為復(fù)雜,與項(xiàng)目所采用的技術(shù)路線與規(guī)模、棄電率、上網(wǎng)電價(jià)、電解水制氫投資、當(dāng)?shù)貧錃馐蹆r(jià)、儲(chǔ)運(yùn)乃至政策等因素都有關(guān)系,需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)估。