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作为二次能源,氢能有两个明显的优势:一是能量密度高,单位质量热值约是煤炭的4倍,汽油的3.1倍,天然气的2.6倍;二是无碳且可以存储,可以突破时间和空间的限制。目前主要有三种制氢方式。第一种是通过化石燃料燃烧转化的产生氢气,即灰氢。该方法制氢简单且生产成本较低,是目前制氢最常用的渠道,约占当今全球氢气产量的95%。但灰氢最大的缺点碳排放量大,并且需要消耗化石能源,不是可持续发展的。第二种主要是利用天然气产生氢气,即蓝氢。虽然天然气也属于化石能源,但此方法中融入了碳捕捉与储存技术(Carbon Capture and Sequestration,CCS),捕捉温室气体,实现了低排放生产。蓝氢是由灰氢向绿氢转变的重要过渡。第三种是利用可再生能源进行电解水制取氢气,即绿氢。这种方法在生产氢气的过程中基本没有碳排放,虽然目前应用较少且成本较高,但可持续、低污染。随着成本的不断降低,绿氢受到越来越多的追捧[5-7]。
电解水制氢技术路线主要有三种,分别是碱性水电解制氢技术、质子交换膜水电解制氢技术和固体氧化物电解制氢技术。其中固体氧化物制氢的操作温度为700~1000 ℃,目前还处于试验阶段[8-10]。三种制氢路线主要优缺点如表1所示。
电解水制氢
方法优点 缺点 碱性
水电解技术成熟,成本低,
系统寿命长电流密度低,体积和重量大,
碱液有腐蚀性,能量效率低质子交换膜
水电解启动快速,电流密度高,
体积小,无腐蚀性电解液,
产品气体纯度较高成本高,原料水的水质
要求高固体氧化物
电解效率高,单机容量大,
无腐蚀性电解液技术不成熟,运行温度要求高,
装置体积大Table 1. Advantages and disadvantages of technology of hydrogen production from electrolytic water
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根据国家能源局发布的数据,2022年上半年,我国可再生能源发电新增装机54.75 GW,占全国新增发电装机的80%。截至2022年6月底,我国可再生能源发电装机达1.118 TW。其中,水电装机400 GW(其中抽水蓄能42 GW,风电装机342 GW,光伏发电装机336 GW,生物质发电装机39.5 GW)。各种可再生能源发电装机容量占比如图1所示。2022年6月1日,国家发展改革委、国家能源局等部门联合印发《“十四五”可再生能源发展规划》。该规划提出,到2030年我国风电、太阳能发电总装机容量将达到1.2 TW以上。由此可见,近些年我国可再生能源发电装机大幅增长,并且在未来将持续大幅增长。
Figure 1. Proportion of installed capacity of various renewable energy power generation in China by the end of June 2022
可再生能源制氢,也叫绿电制氢,不仅清洁高效无污染,而且可以减少弃风弃光,提供解决可再生能源消纳及并网稳定性问题的新渠道,实现能源的时空平移[1]。根据可再生能源介质不同,主要分为光伏发电制氢、风力发电制氢、水力发电制氢以及多能耦合发电制氢。2015年河北沽源开始建设风力发电制氢生产示范项目,该项目建设200 MW风电场及10 MW电解水制氢系统,每小时氢产能为800 Nm3。2019年李灿院士团队在兰州新区开启液态燃料示范研究项目,该项目建设10 MW光伏电场及2台1000 Nm3/h的电解槽[11-12]。
近年来各地开始大力推进可再生能源制氢项目的落地。2021年度内蒙古自治区风光制氢一体化示范项目清单如表2所示。
项目名称 可再生能源规模 制氢规模 达拉特旗光储氢车零碳
生态链示范项目光伏400 MW,
电化学储能80 MWh电解水制氢
9.3×103 t/a乌审风光融合绿氢化工
示范项目风电49.5 MW,
光伏270 MW电解水制氢
104 t/a鄂托克前旗250 MW
光伏电站及氢能
综合利用示范项目光伏250 MW 电解水制氢
6×103 t/a鄂托克前旗上海庙经济
开发区光伏制氢项目光伏250 MW 电解水制氢
6×103 t/a准格尔旗纳日松光伏制氢
产业示范项目光伏400 MW 电解水制氢
104 t/a达茂旗风光制氢与绿色
灵活化工一体化项目风电200 MW,
光伏200 MW,
电化学储能35 MWh电解水制氢
7.8×103 t/a达茂旗20万kW新能源
制氢工程示范项目风电120 MW,
光伏80 MW,
电化学储能20 MWh电解水制氢
7.8×103 t/aTable 2. List of wind solar hydrogen production integration demonstration projects in Inner Mongolia in 2021
目前已经建成或者正在建设的可再生能源制氢项目主要是风电、光伏或者风光耦合制氢。水电制氢因水力资源地域分布不平衡、水电前期投资较大等因素目前落地项目较少。生物质发电分散,单体装机容量较小且往往是热电联产类型,不具备大规模制氢的条件。而风电与光伏资源丰富,装机容量大,建设成本不断下降,是可再生能源制氢的优先选择。尤其是在西北地区等地,为了减少弃风弃光以及降低大规模风电或者光伏对电网的负面影响而将其转换为二次能源氢能具有更大的市场前景[13-14]。
光伏电站的发电量受光辐照度、日照时间和温度等因素影响。风电场的发电量受风速、风向和温度等因素影响。两者都具有出力随着环境因素波动的特点。光伏电站在晚上没有日照的时候基本没有出力,在中午12时至14时日照强度最大的时候出力达到峰值。风电场白天风力较弱出力较小,夜晚风速大出力较大。光伏电站和风电场耦合制氢,能够使电源侧出力更加平稳,减缓功率急剧变化对电解槽设备的冲击,减少因不能满足电解槽最低安全运行负荷而关停重启的时间。风光耦合并网型制氢系统图如图2所示,系统由风机和光伏发电侧经输变电一直到制氢负荷用电侧。在风光出力有多余容量时,还可将该部分能量上送至电网。
Research on Comprehensive Energy Management Platform for Hydrogen Production from Renewable Energy
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.006
- Received Date: 2022-10-11
- Rev Recd Date: 2022-11-14
- Available Online: 2022-12-25
- Publish Date: 2022-12-23
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Key words:
- renewable energy /
- wind power /
- photovoltaic power /
- hydrogen production /
- comprehensive energy management platform
Abstract:
Citation: | LIAO Yuanxu, DONG Yingrui, SUN Xiang, TANG Xiang, ZHANG Zhen, WANG Shaoyong, TAN Jiangping. Research on Comprehensive Energy Management Platform for Hydrogen Production from Renewable Energy[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(4): 47-52. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.006 |