光伏電解水制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)探討

Summary：隨著全球能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及環(huán)境污染問(wèn)題的日益加劇，可再生能源技術(shù)發(fā)展迅速，氫能作為一種高度清潔的可再生能源成為研究的熱點(diǎn)。在我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”背景下“綠氫”真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)源頭的無(wú)碳化，是未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。以可再生能源制氫為主的能源結(jié)構(gòu)將在未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中有重要意義。該文介紹了光伏電解水制氫系統(tǒng)的組成及主要設(shè)備配置，為“綠氫”生產(chǎn)系統(tǒng)的搭建提供參考。Keys：環(huán)境污染、“碳達(dá)峰、碳中和”、綠氫、可再生能源、光伏電解水制氫引言隨著全球能源格局變遷，近年來(lái)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在我國(guó)北方地區(qū)多個(gè)省份都部署了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源項(xiàng)目。隨著新能源擴(kuò)張速度較快、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)消納能力不足和光伏發(fā)電、風(fēng)力受自然資源約束，具有間歇性與波動(dòng)性、電網(wǎng)調(diào)度難度大等自身特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)光電場(chǎng)并網(wǎng)比例相對(duì)較小，新能消納低的地區(qū)棄風(fēng)、棄光和限電等問(wèn)題日益突出。為了保證光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的連續(xù)、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，目前公認(rèn)最有效的解決方案是配備一定容量的儲(chǔ)能與電場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行。這就為光伏和風(fēng)力發(fā)電的持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)，電化學(xué)電池也有一定弊端，如：受環(huán)境影響大、使用壽命低、成本高和容量小等，因此大規(guī)模應(yīng)用困難；抽水儲(chǔ)能受水源及地理位置的限制影響較大；飛輪儲(chǔ)能等方式目前仍無(wú)法廣泛應(yīng)用。氫儲(chǔ)能是我國(guó)近年來(lái)大力發(fā)展的電力能源系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式，氫能源具有清潔無(wú)污染、低碳、可再生、易存儲(chǔ)、能量密度高、應(yīng)用場(chǎng)景豐富、使用壽命長(zhǎng)等特性，適宜作為可再生能源的儲(chǔ)存載體。資料顯示當(dāng)前全世界商用氫氣96%以上是天然氣制氫和煤制氫，這類氫氣也被稱為“灰氫”。為了實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)，全球向低碳途徑的轉(zhuǎn)變，由“灰氫”向“綠氫”的過(guò)度和轉(zhuǎn)換是必然趨勢(shì)。其中電解水制氫占比雖比較小，但其制氫工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品純度高，產(chǎn)物無(wú)污染，所以電解水制氫是目前最具有潛力的制氫技術(shù)。眾所周知，電解水制氫是高電耗的過(guò)程，制氫成本較高。但通過(guò)風(fēng)電和光伏等可再生能源制氫，不僅消納棄風(fēng)、棄光，促進(jìn)新能源電力的消化，從而獲得低成本氫氣。還實(shí)現(xiàn)了“零碳排放”，獲得“綠氫”。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)，我國(guó)可再生能源電解水制氫占比很小。但到2050年，可再生能源電解水制氫的占比將逐步擴(kuò)大，光伏發(fā)電作為國(guó)家大力發(fā)展的綠色清潔能源，綠氫市場(chǎng)前景廣闊。因此可再生能源作為電源配合制氫和氫儲(chǔ)能設(shè)備的綜合能源系統(tǒng)將成為未來(lái)能源系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。利用風(fēng)、光等可再生能源就地制取氫氣，是突破制氫成本限制、解決電能利用途徑，發(fā)展風(fēng)、光綠電制氫，不但提高了風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電的消納比例，將富余的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能，實(shí)現(xiàn)可再生能源多途徑高效利用，還為能源轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”提供新的解決思路。一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可再生能源制氫大致由供電系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)（電解水）、儲(chǔ)氫、充氫和運(yùn)氫系統(tǒng)、能量管理與控制系統(tǒng)等組成。如圖1所示：圖1可再生能源電解制氫直流供電系統(tǒng)圖供電系統(tǒng)：包括電解槽的直流供電系統(tǒng)和交流輔助供電控制系統(tǒng)；光伏制氫系統(tǒng)大致分為并網(wǎng)體統(tǒng)、離網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備較多，通常包括光伏逆變器、變壓器、DC/DC變換器以及整流器等，先升壓后降壓，不僅降低了效率，且投入較高。離網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立于電網(wǎng)，可以應(yīng)用于無(wú)電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。離網(wǎng)系統(tǒng)中，減少了變壓的過(guò)程，使用DC-DC變換器間接連接方式將光伏陣列與電解槽相連，大大降低了系統(tǒng)損耗，且控制簡(jiǎn)單。另，DC-DC變換器可靈活匹配光伏陣列與電解槽的I-V曲線，提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率間接提高制氫系統(tǒng)效率。本文系統(tǒng)選用直流母線電壓為380V。制氫系統(tǒng)：電解水制氫是當(dāng)前最主流的制氫技術(shù)，電解槽是水制氫系統(tǒng)的核心設(shè)備，目前電解水制氫主要分為：技術(shù)最成熟的堿水電解制氫(ALK)、發(fā)展最迅速的質(zhì)子交換膜純水電解制氫(PEM)、初步示范階段的固體聚合物陰離子交換膜水電解制氫（AEM）和剛剛起步的固體氧化物電解制氫技術(shù)(SOEC)。能量管理與控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)多電源互補(bǔ)方式制氫的智能化控制、安全監(jiān)測(cè)與故障應(yīng)急防護(hù)等。能量管理系統(tǒng)是對(duì)電源和制氫等關(guān)鍵設(shè)備的綜合能力進(jìn)行分析和評(píng)估，檢測(cè)各子系統(tǒng)發(fā)出的功率變化及系統(tǒng)直流部分的電壓和逆變電壓，根據(jù)供電系統(tǒng)（風(fēng)力或光伏）輸出功率預(yù)測(cè)值、電解制氫預(yù)測(cè)值與電網(wǎng)的發(fā)電計(jì)劃，設(shè)置合理的指標(biāo)，合理安排系統(tǒng)輸出功率。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)工作原理太陽(yáng)能電池是通過(guò)光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴--電子對(duì)。在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。2)系統(tǒng)配置本項(xiàng)目位于廣東省陽(yáng)江市大溝鎮(zhèn)，峰值日照時(shí)數(shù)為1553h，歷史極端最高氣溫37.5℃，極端最低溫度為2.2℃。光伏并網(wǎng)電源模塊選用DC800V-DC380V。太陽(yáng)能光伏組件選用目前市場(chǎng)主流的單晶硅545Wp光伏組件。開(kāi)路電壓Voc為50.01V，最大功率點(diǎn)的工作電壓Vmp為42.38V；短路電流Isc為12.62A，最大功率點(diǎn)的工作電流Imp為12.86A。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50797《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4光伏方陣6.4.2中光伏組件串的串聯(lián)數(shù)量計(jì)算。單塊光伏組件在極端最低溫度的修正電壓為53.14V。z最大系統(tǒng)電壓為800V，計(jì)算可得光伏組件最大串聯(lián)數(shù)為15串。光伏系統(tǒng)直流側(cè)容量≤100kW，即15串12并，共計(jì)98.1kW。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50797《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》6.6光伏方陣6.6.2中光光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量極端公式算得年發(fā)電量為12.18萬(wàn)度。2、電解水制氫系統(tǒng)組成電解水制氫技術(shù)從被發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)發(fā)展了200多年，但由于人們對(duì)氫氣的認(rèn)識(shí)、需求和使用并不是必須，導(dǎo)致制氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)氫一整套系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)停滯。近年來(lái)社會(huì)進(jìn)步和工業(yè)發(fā)展迅速，世界能源格局的變遷，氫的地位也逐步在上升，電解水制氫技術(shù)發(fā)展也更加迅速起來(lái)。1)系統(tǒng)組成以技術(shù)最成熟的堿水電解制氫(ALK)為例，整套制氫設(shè)備的組成配套分為：電解槽（核心設(shè)備）；氫側(cè)系統(tǒng)（氣體分離部分的分離器、儲(chǔ)氣罐、壓縮機(jī)、冷卻器、過(guò)濾器；氫氣干燥裝置的冷卻器、板式換熱器、冷卻泵、干式冷凝器、過(guò)濾器、干燥器、氫氣管及閥門，減壓閥，壓力表；至用戶的管道和閥門及壓力表等）；氧側(cè)系統(tǒng)；補(bǔ)給水系統(tǒng)；堿液系統(tǒng)；純水設(shè)備；氫和氧的高壓部分（緩沖罐、高壓壓縮機(jī)、高壓緩沖罐）；氫和氧的輸送、儲(chǔ)存單元；所有電源儀表（整流柜、控制系統(tǒng)）等。質(zhì)子交換膜純水電解制氫(PEM)與堿水電解制氫(ALK)相比，前者是純水制氫，結(jié)構(gòu)上無(wú)堿液及堿液過(guò)濾器。前者直接產(chǎn)出高壓氫氣，無(wú)需額外加壓，因此在結(jié)構(gòu)上無(wú)緩沖罐、高壓壓縮機(jī)、高壓緩沖罐。其他結(jié)構(gòu)與堿水電解制氫(ALK)類似。2)原理電解水制氫的基本原理是用水作為介質(zhì)，通過(guò)直流電形成完整回路，水裂解后分離出氫氣（陰極反應(yīng)）和氧氣（陽(yáng)極反應(yīng)）的過(guò)程。主要組成為：電源、陰極和陽(yáng)極、電解質(zhì)。堿水電解制氫(ALK)方程式為：陽(yáng)極：4=2++4陰極：4+4=2+質(zhì)子交換膜純水電解制氫(PEM)方程式為：陽(yáng)極：2=+4陰極：+42+固體聚合物陰離子交換膜水電解制氫（AEM）方程式為：陽(yáng)極：4=2++4陰極：4+4=2+固體氧化物電解制氫技術(shù)(SOEC)方程式為：陽(yáng)極：2=+4陰極：2+4=2+23)主流水電解制氫方式及優(yōu)缺點(diǎn)堿水電解制氫(ALK)技術(shù)：最為成熟、最早工業(yè)化和使用最為廣泛的水電解技術(shù)，運(yùn)行應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)損耗小、安全性高、經(jīng)濟(jì)、工作溫度適中(70~90℃)。缺點(diǎn)也比較明顯，占地面積大、需要穩(wěn)定的電源（間歇性電源如光伏、風(fēng)電并不友好）、啟停響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、電流密度較低、存在滲堿污染、需要對(duì)堿性流體進(jìn)行復(fù)雜的維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用較高。另外，生產(chǎn)的氫氣壓力較小，儲(chǔ)運(yùn)時(shí)需要二次加壓，也提高了投入成本。質(zhì)子交換膜純水電解制氫(PEM)技術(shù)：在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但在國(guó)內(nèi)還處于商業(yè)化初期。工作溫度較低(50~80℃)從技術(shù)角度看，優(yōu)點(diǎn)是PEM電解水技術(shù)的電流密度高、電解槽體積小、運(yùn)行靈活、利于快速變載，與風(fēng)電、光伏（發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性較大）具有良好的匹配性、電解效率優(yōu)于堿性電解水制氫、可產(chǎn)出高氣體純度、可產(chǎn)出高壓氫氣。缺點(diǎn)也比較明顯，設(shè)備投資成本較高，從而限制了PEM電解池的推廣與商業(yè)化。固體聚合物陰離子交換膜水電解制氫（AEM）技術(shù)：目前處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)起步階段。工作溫度較低(40~60℃)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟停，電解質(zhì)為陰離子交換膜，有效阻隔氫氣、氧氣混合，提高對(duì)膜兩側(cè)壓差波動(dòng)的耐受性，使得風(fēng)電、光伏等間歇性強(qiáng)、不連續(xù)的電力輸出可以直接用于電解水制氫。固體氧化物電解制氫技術(shù)(SOEC)技術(shù)：目前仍處于初期示范階段。電解水制氫效率最高，它的特點(diǎn)是工作溫度十分高(700~900℃)，導(dǎo)致使用壽命有限，SOE電解水制氫技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是其電耗低，較為適合產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電系統(tǒng)。但也存在自身的局限性，其對(duì)陰陽(yáng)極材料的特性要求較高。4)系統(tǒng)配置本文選用制氫設(shè)備為50kW10N/h。光伏電站年發(fā)電小時(shí)數(shù)為1553h，年制氫谷電補(bǔ)充小時(shí)數(shù)為2920h，年可用制氫小時(shí)數(shù)為4473小時(shí)。制氫設(shè)備年制氫總量為40257N。3、氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸氫儲(chǔ)存技術(shù)不單是解決氫的儲(chǔ)存，更多的是解決氫的運(yùn)輸方式。1)氫的儲(chǔ)存目前主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、低溫液態(tài)儲(chǔ)存、固態(tài)儲(chǔ)存和有機(jī)液體儲(chǔ)存等方式，相比而言，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充裝和排放速度快、溫度適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展最成熟、最常用的儲(chǔ)氫技術(shù)。2)氫的運(yùn)輸目前主要有高壓氣態(tài)運(yùn)輸（集裝格氫氣瓶運(yùn)輸車和氣氫長(zhǎng)管拖車）、液氫槽罐車運(yùn)輸、氫氣管道運(yùn)輸（氣態(tài)管道和液態(tài)管道）、液氫鐵路運(yùn)輸、液氫輪船運(yùn)輸。國(guó)內(nèi)大多使用高壓氣態(tài)運(yùn)輸方式。二、系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)主要功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控采集電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、負(fù)載等信息，實(shí)現(xiàn)可再生能源的發(fā)電預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)，制定合理的總輸出功率曲線，滿足計(jì)劃安排要求，實(shí)現(xiàn)多能源制氫系統(tǒng)的多種工作模式之間的切換、平滑輸出、安全監(jiān)控和故障應(yīng)急防護(hù)?？刂葡到y(tǒng)采用分層架構(gòu)，整個(gè)控制系統(tǒng)由多層組成，每層由不同的功能模塊組成。每層都有各自的職責(zé)，多層協(xié)同完整整個(gè)控制功能。整個(gè)控制系統(tǒng)由云平臺(tái)、主控系統(tǒng)、分布式控制終端和底層設(shè)備控制終端組成。所有設(shè)備通過(guò)485通訊或光纖將數(shù)據(jù)傳至分布式終端，后接入系統(tǒng)后臺(tái)主控系統(tǒng)。主控層是能量管理的中心，負(fù)責(zé)之情系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。分布式終端接受管理層下達(dá)的指令控制。實(shí)現(xiàn)制氫、儲(chǔ)氫、供電管理和保護(hù)模塊的控制及配置。結(jié)語(yǔ)本文通過(guò)光伏電解水制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)為對(duì)象，介紹了間接耦合方式制氫對(duì)比交流制氫好處，也提供了多能源協(xié)同制氫系統(tǒng)的擴(kuò)展思路；并介紹了目前主流的電解水制氫技術(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)以及儲(chǔ)運(yùn)氫的發(fā)展；