王登峰

（中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083）

0 引言

氫能是一種清潔的二次能源，其能量密度高、容量大、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，利用風(fēng)能等可再生能源發(fā)電制氫，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源多途徑的高效利用，是未來重要的清潔能源之一。

1 風(fēng)電制氫技術(shù)的類型及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)要求

風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)一般是由風(fēng)能機(jī)組、電解水設(shè)備、儲(chǔ)氫裝置、能源電池等設(shè)備構(gòu)成。圖1 為風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)的風(fēng)電棄風(fēng)量結(jié)構(gòu)，上半部包括棄風(fēng)制氫工藝部分，下半部則包括了風(fēng)能并網(wǎng)部分[1-2]。在棄風(fēng)制氫工藝部分，風(fēng)能完成過濾處理后利用ADˉDC 整流變換模塊，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并利用直流支撐線路連接DCˉDC 電路，對(duì)直流電進(jìn)行降壓或升壓處理后，將直流電轉(zhuǎn)換成適合制氫工藝的能量，從而完成制氫。在風(fēng)能并網(wǎng)部分，利用低階濾波電路單元、ADˉDC 整流變換單元、逆變和高頻次的濾波電路模塊，將風(fēng)能的高頻諧波全部濾去，形成滿足并網(wǎng)要求的優(yōu)質(zhì)電能，再利用升壓變壓器為電網(wǎng)供電。風(fēng)電并網(wǎng)側(cè)和制氫工藝側(cè)應(yīng)實(shí)現(xiàn)合理的能量配置，在風(fēng)能滿足用電需求的前提下，利用多余的風(fēng)電資源完成制氫，以實(shí)現(xiàn)能量利用最大化[3-6]。

從科學(xué)技術(shù)角度考慮，由于風(fēng)能具有隨機(jī)數(shù)列、質(zhì)量不固定、波動(dòng)范圍大等特性，風(fēng)能發(fā)動(dòng)機(jī)、電解水制氫裝置、風(fēng)電場(chǎng)能源管理系統(tǒng)等都具有較高的使用效率。風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)的風(fēng)電棄風(fēng)量結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)電制氫工藝系統(tǒng)的風(fēng)電棄風(fēng)量結(jié)構(gòu)

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電廠不但要將能量經(jīng)由變流裝置送入電網(wǎng)，還需要為電解設(shè)備供電，因此風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)需要具備高度適應(yīng)性。

1.1.2 電解水制氫系統(tǒng)

鑒于風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的間歇性、隨機(jī)性特征，電解水制氫體系必須具備在不穩(wěn)定電能的條件下依然安全、可靠、高效的制氫能力。另外，電解水制氫工藝技術(shù)的高效性、環(huán)保性、低生產(chǎn)成本以及高科技成熟度也很關(guān)鍵，然而，當(dāng)前的制氫工藝技術(shù)卻在這些特性上有不同的體現(xiàn)。

在高效性方面，質(zhì)子交換膜水電解（proton exˉ change membrane, PEM）技術(shù)與風(fēng)能的耦合性比較好，有利于優(yōu)化風(fēng)電制氫體系。

在環(huán)保性方面，由于電解水制氫系統(tǒng)中的堿性水電解（alkaline, ALK）技術(shù)用侵蝕性的酸溶液作電解質(zhì)，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染，相比之下，PEM 技術(shù)更加綠色環(huán)保。

在生產(chǎn)成本和科技成熟度方面，ALK 技術(shù)的生產(chǎn)成本較低且更成熟，適用于大型的風(fēng)電制氫體系[7]。再加上ALK 技術(shù)和PEM 技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較短，且動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力也較好，更適用于風(fēng)電制氫體系。從制氫能力、生產(chǎn)成本以及科技成熟度等方面考慮，目前我國ALK 技術(shù)的總體優(yōu)勢(shì)已經(jīng)超過了PEM 技術(shù)，所以當(dāng)前的風(fēng)電制氫工藝也大多使用ALK 技術(shù)[8]。

1.1.3 風(fēng)電場(chǎng)能源管理

風(fēng)電場(chǎng)能源管理包括以下3 個(gè)方面。

（1）風(fēng)電場(chǎng)能源的有效管理。按照電網(wǎng)調(diào)節(jié)的要求實(shí)施風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電管理，實(shí)現(xiàn)大功率的水力發(fā)電和負(fù)載均衡[9]。

（2）風(fēng)電場(chǎng)電壓管理。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的工作模式，利用協(xié)調(diào)無功補(bǔ)償裝置、風(fēng)能機(jī)組等保證風(fēng)電場(chǎng)輸出電壓的穩(wěn)定性[10]。

（3）風(fēng)能直接制氫系統(tǒng)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)站的管理。依據(jù)供電需要、風(fēng)力等狀況，對(duì)制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電裝置等的起動(dòng)、停機(jī)與功率進(jìn)行管理[11]。風(fēng)電場(chǎng)離網(wǎng)全電量制氫系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)離網(wǎng)全電量制氫系統(tǒng)

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)電制氫工藝技術(shù)是一種把風(fēng)能發(fā)電產(chǎn)生的能量經(jīng)過簡(jiǎn)單處理并直接應(yīng)用于電解水制氫的新型制氫工藝技術(shù)，目前主要應(yīng)用于氫燃料電池汽車以及工業(yè)原料等。風(fēng)電制氫工藝技術(shù)作為一種新型的儲(chǔ)能手段，能夠在一定程度上解決風(fēng)電的棄風(fēng)問題并實(shí)現(xiàn)就地消納，因此目前不少地方政府正在積極應(yīng)用風(fēng)電制氫工藝技術(shù)，以進(jìn)一步提升本地風(fēng)電的效益[12]。

隨著我國不斷出臺(tái)各種可再生能源的利好政策，風(fēng)電制氫工藝技術(shù)的發(fā)展也越來越受到社會(huì)關(guān)注。但是受限于我國的制氫場(chǎng)所需要建立在化學(xué)工業(yè)園區(qū)內(nèi)和發(fā)電過網(wǎng)等原因，風(fēng)電制氫工藝技術(shù)的審批政策和經(jīng)濟(jì)效益都受到了很大影響，且還沒有形成成熟的商業(yè)運(yùn)營(yíng)體系，總體進(jìn)展相對(duì)遲緩[13]。

2 風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）高壓堿性電解液制氫設(shè)備。以一個(gè)裝機(jī)容量為10 萬kW 的風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)年利用小時(shí)為3000 h，年發(fā)電量為3 億kW·h。以0.5 元（/kW·h）的上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，每年可實(shí)現(xiàn)銷售收入1.5 億元，其中還包括無法及時(shí)到賬的補(bǔ)貼約3800 萬元。如果這一風(fēng)電場(chǎng)所的發(fā)電量用于制氫，按照每立方米氫氣耗電 5 kW·h 計(jì)算，3 億 kW·h 電可以制備 6000 萬 m3（約545 萬kg）氫氣。目前，市場(chǎng)上的氫氣價(jià)格約為70 元/kg，在不考慮其他制約條件的情況下，可以實(shí)現(xiàn)銷售收入3.8 億元。

（2）儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)（含高壓儲(chǔ)氫模塊、中壓緩沖儲(chǔ)氫罐和壓縮機(jī)）。按照當(dāng)前的產(chǎn)氣量計(jì)算，每1000 m3/h所產(chǎn)生的儲(chǔ)氫總費(fèi)用為300 元/臺(tái)。而目前出口的45 MPa 壓縮機(jī)最大排量為1000 m3/h，氫氣耗電量約為0.26（kW·h）/m3，以上數(shù)據(jù)基于安徽省當(dāng)前的大企業(yè)供電報(bào)價(jià)0.6347 元（/kW·h）計(jì)算。

（3）其他輔助設(shè)備。除以上的主要設(shè)施之外，整個(gè)電解制氫流程還需輔助設(shè)施支持，并計(jì)列其相應(yīng)成本。

（4）根據(jù)目前電解水設(shè)備的使用壽命要求，考慮在工程運(yùn)行第一年更新電解水設(shè)備。

以某城市的典型風(fēng)力建設(shè)項(xiàng)目為主要測(cè)算對(duì)象，項(xiàng)目建設(shè)期一年，經(jīng)營(yíng)期限為20 年，風(fēng)電場(chǎng)采用離網(wǎng)、直接制氫的管理模式，每年發(fā)電使用總小時(shí)數(shù)取2300 h，并選取了10～200 MW 中不同設(shè)備容量所對(duì)應(yīng)的制氫工藝平準(zhǔn)化成本，制氫工藝費(fèi)用將大幅減少。當(dāng)前，一般風(fēng)電場(chǎng)制氫工藝的生產(chǎn)成本為25～40 元/kg，2030 年裝機(jī)容量在 50 MW 及以上的風(fēng)電場(chǎng)制氫工藝生產(chǎn)成本可降低至20 元/kg 以下，降幅約為35%。而大型風(fēng)電場(chǎng)制氫工藝將面臨終端用氫的市場(chǎng)需求問題，如果當(dāng)?shù)仫L(fēng)氫產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求發(fā)展的動(dòng)能不足，則風(fēng)電制氫工藝設(shè)備的年平均運(yùn)營(yíng)時(shí)間和運(yùn)作效果都將大打折扣。

3 風(fēng)電制氫發(fā)展挑戰(zhàn)及前景分析

3.1 發(fā)展挑戰(zhàn)

3.1.1 研發(fā)能迅速反應(yīng)的電解水制氫工藝

因?yàn)轱L(fēng)能具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性，所以風(fēng)力發(fā)電會(huì)生成大量較低質(zhì)量的電能。電解水制氫設(shè)備對(duì)電能穩(wěn)定性的要求也較高，因此經(jīng)常性的風(fēng)電量波動(dòng)將會(huì)對(duì)裝置的工作壽命及儲(chǔ)氫材料純度質(zhì)量等造成很大影響[14]。

面對(duì)技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，需要實(shí)現(xiàn)合理的能量匹配，以提升制氫裝置的可利用率。相關(guān)研究人員要提高電解水制氫工藝裝置對(duì)間歇性電源輸出功率波形的適應(yīng)作用，研究高效的工業(yè)化堿性電解水制氫工藝技術(shù)以及能迅速應(yīng)對(duì)高功率波形的質(zhì)子交換膜性電解水制氫工藝技術(shù)。

3.1.2 出臺(tái)風(fēng)電制氫的有利政策措施

氫氣屬于可燃易爆的高危化品，高危化品需要在化工園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)，而風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備通常分布較廣，就地消納風(fēng)電的制氫工藝項(xiàng)目無法全部進(jìn)駐化工園區(qū)，在一定程度上限制了風(fēng)電制氫工藝技術(shù)的發(fā)展[15]。希望未來可以引導(dǎo)更多的地方政府出臺(tái)符合自身特點(diǎn)的風(fēng)電制氫技術(shù)優(yōu)惠政策，解除風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)駐化工園區(qū)的限制。

3.1.3 通過“降本擴(kuò)量”促進(jìn)風(fēng)電制氫規(guī)模化經(jīng)營(yíng)

受限于高生產(chǎn)成本，目前的儲(chǔ)氫材料大部分來源于煤炭制備氫氣工藝以及天然氣重整制氫等，因?yàn)槟茉措娊馑苽錃錃獾纳a(chǎn)成本較高，不具備規(guī)?；?jīng)營(yíng)的優(yōu)勢(shì)。

為應(yīng)對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的新挑戰(zhàn)，需要實(shí)現(xiàn)“降本擴(kuò)量”，亦即成本和規(guī)?；?。當(dāng)前電解水制氫的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他制氫工藝，因此必須從電價(jià)、運(yùn)輸和加注等環(huán)節(jié)拉動(dòng)總需求。同時(shí)建設(shè)風(fēng)電制氫工藝示范基地，利用示范培育發(fā)展環(huán)境，不斷擴(kuò)大風(fēng)電制氫工藝的市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電制氫工藝的大面積商品化運(yùn)用[16]。

3.2 前景分析

（1）儲(chǔ)氫材料的輸運(yùn)成本。目前，氫能的輸運(yùn)方法大致可分為氣態(tài)輸運(yùn)、液態(tài)輸運(yùn)和固體輸運(yùn)，其中氣態(tài)輸運(yùn)又可分為長(zhǎng)管拖車和管道運(yùn)輸。儲(chǔ)氫材料的貨物運(yùn)輸費(fèi)用一般由加氫站和氫能用戶共同分擔(dān)，當(dāng)前以氣氫長(zhǎng)管拖車和液氫槽車方法居多，對(duì)比兩種運(yùn)輸方法，當(dāng)運(yùn)送距離在250 km 以內(nèi)時(shí)，長(zhǎng)管拖車的運(yùn)送費(fèi)用遠(yuǎn)小于液氫槽車，距離超過250 km時(shí)液氫槽車更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性[17]。

（2）氫氣終端市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)格變化趨勢(shì)。筆者從氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫、運(yùn)氫、增速器3 個(gè)環(huán)節(jié)（含儲(chǔ)氫）的費(fèi)用入手，剖析氫氣終端市場(chǎng)產(chǎn)品價(jià)格在特定運(yùn)輸區(qū)域內(nèi)的變化。預(yù)計(jì)在2021—2030 年，風(fēng)電制氫最低可接受的出廠價(jià)格變動(dòng)不大。如果在2030 年前汽油價(jià)格并無明顯增長(zhǎng)，燃料電池汽車相校于傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車與燃油車都不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。新能源產(chǎn)業(yè)同步開展氫氣輸運(yùn)管線工程建設(shè)，能有效提升風(fēng)能等可再生能源在制氫產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語

本文主要分析了制氫及儲(chǔ)運(yùn)等全環(huán)節(jié)的成本效益變化，從而為新能源消納受限地區(qū)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式提供參考。在未來，我國制氫行業(yè)也將會(huì)有更為理想的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的創(chuàng)新和發(fā)展。