電解水制氫技術在可再生能源發電領域的應用研究

孫浩哲

（國華（寧夏）新能源有限公司，寧夏銀川 750002）

0 引言

新時期經濟增長速度加快，能源消耗不斷加大。因能源短缺造成的地區沖突、化石能源生產消耗產生的污染沖突加劇。這一背景下，大規模開發與利用可再生能源受到人們的關注?？稍偕茉淳邆浒l展潛力大、污染小、效益顯著等特點，如今能源安全逐漸受到重視，各類發電技術蓬勃發展。風力發電、太陽能發電技術越發成熟，我國可再生能源裝機容量再創新高，切實造福民眾。由于可再生能源自身的間接性特點，無法實現隨取隨用，大規模并網發電為電網帶來較大的調度壓力。隨著新型電力系統的建設，合理高效地存儲可再生能源，減少棄電現象，成為不同領域關注的重點，可再生能源存儲和消納技術的重要性日益凸顯。因此，人們開始不斷研究和突破各類儲能技術，拓寬可再生能源消納途徑?？稍偕茉措娊馑茪浼夹g的優勢逐漸顯現，成為備受關注的發展方向。

1 常見電解水制氫技術

1.1 堿性電解制氫技術

堿性電解水制氫技術是目前相對成熟的技術應用方式，其操作簡單、技術成熟、成本低。裝置由若干單體電解小室組成電解槽，通直流電后，水被分解，產生氫氣與氧氣。由電解槽、陽極、隔膜、電解液4 個部分構成，選擇濃度為20 ～30wt%的氫氧化鉀作為電解溶液，使用金屬合金分解水，工作溫度一般不超過100℃。實驗證明，溫度高可能會腐蝕隔膜材料，因此工業操作溫度一般為70 ～80℃。作為目前制氫領域最成熟的一項技術，至今單臺規模已經突破了1000Nm3/h，在國內進行了大規模的應用。工業生產也經常使用這一項技術，其具有工藝簡單、操作方便等優點，唯一的缺陷是電解消耗電能較多，用電成本占制氫成本的主要部分。堿性電解水制氫技術的研究集中在設備更新和開發方面，該技術在電解水制氫領域唯一的缺陷在于成本較高，限制其推廣使用[1]。

1.2 PEM 電解水制氫技術

PEM 電解水制氫技術又稱質子交換膜電解水制氫技術，這一技術具有三大優勢。一是使用PEM，而非堿槽的隔膜。二是不需要氫氧化鉀作為電解溶液，具備技術安全性。三是反應速度和調節速率更快，能夠實現快速調節。

然而，投資和運行成本高仍是這項技術亟待解決的主要問題。該技術進入國內市場商業化應用的時間較短，雖然近年來設備成本已有明顯的降低，但仍明顯高于堿性電解槽，根據最新的市場調研發現，在相同的出氫規模條件下，PEM 技術的設備成本在堿性技術成本的3 倍以上。由于PEM 槽需要在強酸性和高氧化性的工作環境下運行，設備依賴價格昂貴的貴金屬，而質子交換膜生產技術長期被歐美和日本壟斷，國內正在進行技術突破。隨著氫能行業的發展以及科學技術的進步，疊加可再生能源電力成本逐漸下降，產氫數量逐漸增加，PEM 電解槽成本或將逐漸下降。

1.3 高溫固體氧化技術

1982 年，高溫固體氧化技術由德國的W.Doenitz 在HOTELLY 項目中首次使用，并獲得了工業領域的突破。該裝置制作簡單，卻受到材料性能的限制。生產時，電解池溫度可達到1000℃，高溫下材料性能不穩定、缺乏高效的清潔熱源等問題限制了這一項技術的廣泛使用。隨著產業技術的不斷發展，材料的限制逐漸被打破，美國科學家利用單體固體氧化物電解池組裝的平板式高溫電解堆制氫打破了SOCE 制氫的局限，使該技術成為各國研究的重點。

高溫固體氧化物電解水制氫技術消耗電能非常少，利用高溫電解解決制氫技術電能消耗過多的問題。高溫制氫減少了整個過程的能量消耗，保證了電解質量。在制氫過程中還可以使用非貴金屬催化劑進行生產，有效降低制氫成本。該技術使用全陶瓷材料，解決了在其他技術中出現的材料腐蝕問題。高溫條件下，生產效率顯著提高，但是關于電解池材料的選擇仍然受到限制，尤其是平板式SOEC 對材料要求更苛刻。因此，新時期，解決材料問題和高溫下氫電極衰減問題成為人們思考的重點[2]。

2 電解水制氫技術在可再生能源發電領域應用的必要性

2.1 零碳經濟趨勢的必然

從全球能源結構來看，當前終端能源中化石能源消費占比較大，終端能源消費中化石能源的占比為78%，是全球碳排放的主要來源。我國已確定2030 年實現“碳達峰”、2060 年實現“碳中和”的發展愿景，驅使我國能源結構轉型。未來，大力發展清潔低碳能源、多種能源形勢并舉成為大勢所趨。在這一背景下，電力、氫能以及相關的衍生品成為未來全球能源結構的重要組成部分。2050年，全球能源結構中氫氣將作為重要的替補品（衍生品），在工業生產領域起到十分重要的作用。氫作為分布較廣的元素，以化合態存在于現實生活中。雖然氫氣的存儲運輸存在風險，但是從環保效果來看，氫是高效的清潔能源，其能量密度高，排放產物為水，排放物相對安全、可靠；從能源安全儲備方面來看，制取方式多樣。我國在發展過程中，正在逐步完善氫能產業鏈，產業鏈涉及氫能的制取、儲運、設備制造和應用等，涉及交通、工業、能源等多個領域。未來，氫能產業鏈上下游將逐漸完善，長距離管道運輸和多種儲運方式逐漸成熟，能夠實現在工業領域的煉化、生產、化工原料等領域規?；瘧?。隨著交通領域氫燃料電池車技術的逐漸成熟，氫能將作為我國能源體系的重要組成部分。

2.2 傳統制氫路線潛力有待開發

化石燃料制氫作為傳統的制取方式，技術更新中仍存在一定潛力。煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發生反應制備氫氣的過程，在這個過程中氣化爐與水蒸氣反應，生成二氧化碳與氫氣。天然氣制氫主要是天然氣脫硫處理后，天然氣中的甲烷和水蒸氣發生反應，生成氫氣。目前，化石燃料制氫仍占據國內主要制氫市場，我國現階段主要用煤制氫。煤制氫適合運用在大規模生產中，現階段煤氣化爐的制氫潛力較大，設備還有挖掘資源的可能。除此以外，提純和碳捕集環節都存在巨大的開發潛力[3]。

2.3 可再生能源制氫發展迅速

當前，我國可再生能源制氫處于起步階段，但發展迅速。我國風能、太陽能資源豐富，風力發電、光伏發電技術逐漸成熟，建設規模領先世界，建設成本隨技術發展逐漸下降，可再生能源發展日趨多樣化。根據區域資源不同，我國可再生能源制氫項目各具特色，發展和研究方向多樣。

首先，風電大規模制氫在提高風電消納和經濟效益方面有巨大的潛力，陸上風電制氫項目已開展多項工程示范，基于遠海風力資源充沛的情況，提出整合電解制氫與海上風電資源的設想，利用遠海風電平臺進行規?；茪?，降低海上風電機組至陸地連接點之間的電力損耗和投資。國內學者進行海上風電制氫、海水制氫的相關研究，普遍認為其具備較大的潛力。除了提供氫能源之外，其他伴隨風電制氫發展起來的生產制造領域也能實現相應發展。

其次，光伏發電成本下降明顯，光伏發電項目規?；懂a進程加快，度電成本已明顯低于燃煤標桿電價，大規模光伏發電項目的并網帶來了光伏電力消納的問題。相較于風能發電，光伏發電具有發電時間趨同、間歇性和周期性明顯的特點，但利用光伏發電進行電解水制氫，存在周期性間歇性的特點。國內光熱項目仍處于示范階段，成本較高，將規?；瘍δ芎凸鉄犴椖咳谌腚娊馑茪漤椖?，仍存在一定的經濟性問題。

可再生能源制氫潛力巨大，且國內化工、能源企業布局項目發展迅速，涌現出一批結合地方發展特色的可再生能源制氫項目[6]。

3 可再生能源發電領域進行電解水制氫的方法

3.1 利用太陽能光熱發電進行電解水制氫

太陽能光熱發電技術使用大面積太陽能反射鏡和追蹤系統吸收太陽光，吸收器加熱后將熱量傳輸到蒸汽設備中，在高溫下實現無污染發電，這是太陽能的一大優勢。與光伏發電系統相比，在太陽能光熱與儲熱系統結合后，系統發電的穩定性也隨之提升。目前，由于成本等問題，我國的光熱發電尚未實現全面商用，太陽能光熱發電系統利用高溫和高壓蒸汽產生能量，這與高溫固體氧化物制氫基本吻合，因此這是該技術廣泛推行的關鍵。

太陽能熱化學循環分解水制氫技術也在研制中，該技術有太陽能全光譜利用、無需氫氧分離等優勢，是比較環保的制氫手段。通過載氧材料微觀結構的設計與太陽能熱化學反應器的研究，合成產氫性能優異的新型材料，研制規模達到10kW 的超高溫熱化學反應器。該反應器是實現太陽能到化學能轉變的關鍵，在設計上綜合考慮動力學和熱力學等因素，充分考慮溫度場和氣密性。目前，在太陽能熱化學循環高效制氫中，使用ABO3型鈣鈦礦材料可以滿足生產，該材料具備很強的氧空位調節性能、改性能力，在基于神經網絡模型的基礎上，通過計算、篩選、預測，合成新母體。作為新型材料，可以在未來的太陽能熱化學制氫中使用。

3.2 利用風光儲一體化多能互補進行電解水制氫

發電機組容量相同狀況下，利用不同的可再生能源互補可以取得更理想的效果。與單一可再生能源制氫相比，多能互補的形式可以有效增加供電的連續性和穩定性，有效提升電解水制氫系統的運行時長，從而提升項目的經濟性[7]。通過風光儲等形式的科學配比組合，可有效減少可再生能源電解水制氫系統對于電網的依賴，提升系統的自供電安全性，未來可以實現離網的經濟性運行，只需要進行科學合理的設計，就可以保證供電，能夠使用各種柴油機等備用電源，不會對生產造成影響，效益良好。此外，對于新能源富集和消納條件受限的區域，將多能互補電解水制氫系統接入電網，可有效增加新能源發電儲力，通過合理調度，可以有效吸收電網富余電力，緩解電網調節壓力，為電網提供靈活、調節性資源。

3.3 利用風電制氫技術進行電解水制氫

風電制氫是指將富余的風力資源通過風輪轉子轉化成為機械能，將機械能轉化送入電解水制氫設備中實現轉換，送入壓縮機中壓縮存儲。將存儲的能源通過氫燃料電池直接運用到化工與醫療等領域，實現可再生能源的清潔利用。風電制氫系統與電網連接，可分為并網型風電制氫與離網型風電制氫，前者相對成熟，后者的發展還處于起步階段。整個風電并網制氫系統中，有風力發電機組、儲能變流器、電解槽、壓縮機、儲氫罐等。整個系統中，風力發電系統由渦輪、發動機等部分組成，風機捕獲風能，帶動風機驅動器運行。風機啟動后，轉子轉速不斷提升，發電機定子端的輸出功率降低，機組將風能進行轉換。整個系統中，風力發電系統接入電網、電解槽，如果電網的電力有富余，風力系統就會停止供電；如果電力不足，系統就會從風機中獲得電能，提高風電制氫的經濟性。按照現有研究來看，風電資源運用在大規模制氫及提高風電消納中完全可行，具有清潔高效、市場效益良好等優勢。

4 結語

在能源安全與節能降碳的壓力下，發展可再生能源制氫是解決問題的重要途徑。目前，可再生能源發電技術發展逐漸成熟，將電能轉化為清潔高效的氫能，是新型能源架構體系的重要組成部分。氫能作為能源和原料的消費場景不斷豐富，產業鏈條不斷完善，可再生能源制氫在我國低碳發展進程中發揮重要的作用。隨著技術研究的不斷深入，電解水制氫技術將不局限于單一技術形式。此外，隨著新型電力系統的發展，多能互補電解水制氫項目將朝著低碳高效、安全穩定、電網友好的方向發展。隨著技術成本的降低和商業化應用的成熟，可再生能源電解水制氫技術的發展前景日益廣闊。