在“双碳”目标下可再生能源电解水制氢的发展机遇

（中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北  邯郸  056000）

摘  要：随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，我国能源结构调整成为关键点，煤炭、石油、天然气等传统化石能源占比正在逐步下降。氢能作为低碳、清洁，高效、安全、应用广泛的新型二次能源，可以同时满足资源消耗、环境保护和可持续发展三方面的需要。利用“弃水、弃风、弃电”等可再生能源水电解制取氢气，将制取的氢气作为可再生的二次能源或是燃料应用在P2G中，建立电-氢协同系统，能够有效提高可再生能源电力可调度能力、降低系统碳排放。

关键词：“双碳”目标；可再生能源消纳；可再生氢；电-氢协同

项目名称：河北省氢能技术创新中心  项目代号：KJ（Z）20ZQ28

0 绪 论

随着传统化石能源消耗量不断增加，由此带来的温室与环境问题也越来越严重，寻找和使用新型能源已经变得十分迫切。氢能作为低碳、清洁，高效、安全、应用广泛的新型二次能源，在工业生产中，可以合成氨、甲醇等重要化工原料，还可以参与石油提炼、煤炭深加工等。同时，氢能能量密度高，约为传统化石能源的2.7倍，燃烧的唯一产物是水，无有害副产物排放，可作为替代能源满足当前能源与环境需求，近年来在新能源应用方面受到追捧，是21世纪最具发展潜力的清洁能源^[2]。

目前氢气制备最广泛地是通过化石能源重整、生物质热裂解和微生物发酵制取以及可再生能源发电再电解水等方式来生产^[3]。世界上超过95%的氢气制取来源于化石燃料重整，生产过程必然排放CO2，只有约4%~5%的氢气来源于电解水，生产过程没有CO2排放。按照制备过程中碳的排放强度以及制氢所消耗的能源是否必须为可再生能源，氢气可以分为分为低碳氢、清洁氢、可再生氢，随着 “双碳”目标的提出，我国力争于2030年前二氧化碳排放达峰，2060年前实现碳中和，低碳氢、清洁氢将会逐渐被基于可再生能源的可再生氢所替代，可再生氢是未来能源产业的发展方向^[4]。面对当前国际复杂的能源形势与国内日渐严格的碳排放标准，我国的能源结构转型已成大势所趋，“十四五”期间，氢能产业将迎来重大发展机遇。

1  电解水制氢

目前电解水制氢技术主要有碱性水电解槽（AWE）制氢、质子交换膜水电解槽（PEM）制氢及固体氧化物水电解槽（SOEC）制氢三种^[5]。其中，碱水电解是最早工业化的水电解技术，技术过程简单，易于操作，作为最成熟的电解技术占据着主导地位；质子交换膜电解水技术近年来产业化发展迅速，是最具有投入实际应用潜力的技术之一^[6]；固体氧化物水电解技术处于初步示范阶段，其在高温高湿条件下，阴极与阳极材料选择受限、氢电极衰减速度过快、电堆的性能随运行时间等问题亟需进一步研究。

AWE制氢技术目前已充分产业化，可立即部署与应用，更快实现“双碳”目标并解决目前存在的“三弃”问题；然而碱性电解存在电流密度有限、操作压力低、能源效率低等缺点，现使用具有阴离子电导率的聚合物组成的阴离子交换膜(AEM)代替石棉隔膜技术引起广泛关注^[7-8]。SOEC制氢是近些年发展起来的高温水电解技术，在电堆的热平衡点附近温度（650-1000℃）工作，效率上有较大提升。若利用工业余热充当热源，理论效率可达100%，并可反向工作，将氢能转换为电能，即SOFC。PEM电解水技术的电流密度高、启停迅速，与波动性与随机性较大的风电、光伏具有良好的匹配性，许多新建项目开始转向选择PEM电解槽技术。过去数年，欧盟、美国、日本企业纷纷推出了PEM电解水制氢产品，促进了应用推广和规模化应用。随着PEM电解槽的推广应用，其成本有望快速下降。

2  可再生能源制氢现状

中国氢能联盟研究院的数据显示，2019年中国氢气产量合计3342万吨，其中煤制氢产量最大，占比63.54%，其次是工业副产氢和天然气制氢，分布占比21.18%、13.76%，电解水制氢产量仅占比1.52%。为实现2060年碳中和目标，我国氢气的年需求量将增加至1.3亿吨左右,氢能供给结构从传统的化石能源为主的非低碳氢转向以可再生能源为主的清洁氢，氢能供给将实现千万吨级，电解槽装机有望达到500GW，仅可再生能源制氢减排量有望达到16亿吨/年，到2060年，低碳清洁氢供氢体系CO2减排量约18亿吨/年，约占当前我国能源活动二氧化碳总排量的19%^[9]。

电解水制氢具有绿色环保及副产高价值氧气等特点，但其电价占到总成本的70%以上，影响较大。若采用网电生产，制氢成本会更高，并且国内煤电占比仍然较大，依旧面临碳排放问题^[10]。利用可再生能源发电制氢，可实现全程零碳排放。随着可再生能源发电成本逐步下降，水电解制氢成本开始相对经济性，尤其近年来局部区域弃风、弃光、弃水问题较为突出，能源废弃量可为制氢设备提供约263万吨/年产量；随着发电系统中新能源比例的逐年增加，其随机性、波动性和分散性等特点加大了电网的安全运行风险和电源侧出力波动。此时单纯依靠小时级别的短周期响应与调节，将无法满足电力系统安全稳定运行的需求。氢能作为一种区域灵活性调节资源，具有长周期跨季节储能、双向灵活调节等能力，在我国新能源丰富地区具有广阔前景。

3  电氢协同

在电解水制氢面临成本与碳排放问题同时，我国2021年1-6月，全国主要流域弃水电量约53.64亿千瓦时，弃风电量约126.4亿千瓦时，全国弃光电量33.2亿千瓦时[11]，可再生能源消纳问题十分突出。这主要原因是新能源月度电量分布与负荷月度需求不匹配。电力系统是一个时变平衡系统，具有生产和消费实时平衡（同时完成）的特性，需要做到电力、电量两方面的平衡：

（1）电力平衡 

m=1,2,3...,8760

其中：I是机组组合；m是一年中8760小时；表示机组i在m时刻的出力能力；表示m时刻的系统负荷；表示m时刻的备用系数（含负荷备用、事故备用）。

（2）电量平衡 

n=1,2,3...,12

其中：I是机组组合；n是一年中12个月；表示机组i在n个月的发电量，新能源和水电机组月度发电量取决于资源条件；表示月度电量需求；表示月度电量备用系数。

由于可再生能源发电的波动性与随机性，不能满足需求，导致出现缺口时只能利用火电进行补充，峰值时出现“三弃”现象。电氢协同是解决新能源发电“三弃”现象与对电网安全性威胁的一种有效技术途径。电-氢协同系统由可再生能源制氢系统、储氢系统及氢发电系统等组成。电氢系统通过储氢系统缓和新能源发电的冲击，联合氢发电系统调节新能源发电的波动性与随机性，增加新能源发电的稳定性和灵活性，改善“三弃”现象，助力“双碳”目标。电制氢系统在源侧能够平缓风光出力，储氢系统储能在长时间尺度下比电储能优势明显，氢发电系统能够优化新能源发电特性，电-氢各子系统在源-网-荷空间维度可灵活组合，以实现长周期灵活性调节、促进新能源消纳和维护系统稳定低碳运行。

4  展望

根据氢能近年来相关专利变化趋势，PEM制氢因其启停迅速，仅水蒸气杂质，效率高等优势受到研究人员追捧。在PEM领域，美国和日本为主要技术输出国，技术较为完善，我国在该领域正处于研究追赶阶段。从技术生命周期来看，美国和日本正从成熟后期迈入衰退期，针对PEM的研发资金不再大规模增加，专利的申请人和申请数量趋势稳定并出现下降迹象。而我国在PEM研究领域表现活跃，专利的申请人和申请数量快速增长。

新能源发电制氢的引入将减少公用工程电力、降低了氢气的费用，同时缓和新能源发电的随机性与波动性，减少能源浪费，解决“三弃”问题，提高氢气网络中氢源的利用率。另一方面，氢能作为可运输的能源，能将“三北”等地区丰富的可再生能源输送至能耗中心，有效解决可再生能源区域分布与能耗分布地域不匹配的问题。目前随着“碳达峰，碳中和”目标的提出与《巴黎协定》的落地实施，清洁能源在我国能源体系占比将会越来越大，伴随我国对可再生能源布局的加速，可再生能源制氢技术与市场都将迎来上升期。

参考文献

[1] 姜海洋, 杜尔顺, 朱桂萍, 黄俊辉, 钱敏慧, 张宁. 面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(19): 194-207.

[2] Zhiznin S Z, Timokhov V M, Gusev A L. Economic aspects of nuclear and hydrogen energy in the world and Russia[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45(56): 31353-31366.

[3] 毛宗强． 氢能—21 世纪的绿色能源［M］． 北京:化学工业出版社, 2005

[4] 俞红梅, 邵志刚, 侯明, 衣宝廉, 段方维, 杨滢璇. 电解水制氢技术研究进展与发展建议[J]. 中国工程科学, 2021, 23(02): 146-152.

[5] Ye L, Xie K. High-temperature electrocatalysis and key materials in solid oxide electrolysis cells[J]. Journal of Energy Chemistry, 2021, 54: 736-745.

[6] 何泽兴, 史成香, 陈志超, 潘伦, 黄振峰, 张香文, 邹吉军. 质子交换膜电解水制氢技术的发展现状及展望[J]. 化工进展, 2021, 40(09): 4762-4773.

[7] Kumar S S, Himabindu V. Hydrogen production byPEMwater electrolysis–A review[J]. Materials Science for Energy Technologies, 2019, 2(3): 442-454.

[8] Marinkas A, Struźyńska-Piron I, Lee Y, et al. Anion-conductive membranes based on 2-mesityl-benzimidazolium functionalised poly (2, 6-dimethyl-1, 4-phenylene oxide) and their use in alkaline water electrolysis[J]. Polymer, 2018, 145: 242-251.

[9] 中国氢能联盟. 中国氢能源及燃料电池产业白皮书2020版[EB/OL]. [2021-09-25]. https://www.dx2025.com/archives/136018.html

[10] 中国氢能联盟. 中国氢能源及燃料电池产业白皮书2019版[EB/OL]. [2021-09-25]. http://www.360doc.com/content/20/0330/08/62427247_902586922.shtml

[11] 国家能源局. 国家能源局举行新闻发布会介绍2021年上半年能源经济形势等情况. (2021-07-29). [2021-09-25]. http://www.nea.gov.cn/2021-07/29/c_1310093667.htm

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第5期  在线投稿  >>