电解水制氢技术在可再生能源发电领域的应用研究

孙浩哲

（国华（宁夏）新能源有限公司，宁夏银川 750002）

0 引言

新时期经济增长速度加快，能源消耗不断加大。因能源短缺造成的地区冲突、化石能源生产消耗产生的污染冲突加剧。这一背景下，大规模开发与利用可再生能源受到人们的关注。可再生能源具备发展潜力大、污染小、效益显著等特点，如今能源安全逐渐受到重视，各类发电技术蓬勃发展。风力发电、太阳能发电技术越发成熟，我国可再生能源装机容量再创新高，切实造福民众。由于可再生能源自身的间接性特点，无法实现随取随用，大规模并网发电为电网带来较大的调度压力。随着新型电力系统的建设，合理高效地存储可再生能源，减少弃电现象，成为不同领域关注的重点，可再生能源存储和消纳技术的重要性日益凸显。因此，人们开始不断研究和突破各类储能技术，拓宽可再生能源消纳途径。可再生能源电解水制氢技术的优势逐渐显现，成为备受关注的发展方向。

1 常见电解水制氢技术

1.1 碱性电解制氢技术

碱性电解水制氢技术是目前相对成熟的技术应用方式，其操作简单、技术成熟、成本低。装置由若干单体电解小室组成电解槽，通直流电后，水被分解，产生氢气与氧气。由电解槽、阳极、隔膜、电解液4 个部分构成，选择浓度为20 ～30wt%的氢氧化钾作为电解溶液，使用金属合金分解水，工作温度一般不超过100℃。实验证明，温度高可能会腐蚀隔膜材料，因此工业操作温度一般为70 ～80℃。作为目前制氢领域最成熟的一项技术，至今单台规模已经突破了1000Nm3/h，在国内进行了大规模的应用。工业生产也经常使用这一项技术，其具有工艺简单、操作方便等优点，唯一的缺陷是电解消耗电能较多，用电成本占制氢成本的主要部分。碱性电解水制氢技术的研究集中在设备更新和开发方面，该技术在电解水制氢领域唯一的缺陷在于成本较高，限制其推广使用[1]。

1.2 PEM 电解水制氢技术

PEM 电解水制氢技术又称质子交换膜电解水制氢技术，这一技术具有三大优势。一是使用PEM，而非碱槽的隔膜。二是不需要氢氧化钾作为电解溶液，具备技术安全性。三是反应速度和调节速率更快，能够实现快速调节。

然而，投资和运行成本高仍是这项技术亟待解决的主要问题。该技术进入国内市场商业化应用的时间较短，虽然近年来设备成本已有明显的降低，但仍明显高于碱性电解槽，根据最新的市场调研发现，在相同的出氢规模条件下，PEM 技术的设备成本在碱性技术成本的3 倍以上。由于PEM 槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，设备依赖价格昂贵的贵金属，而质子交换膜生产技术长期被欧美和日本垄断，国内正在进行技术突破。随着氢能行业的发展以及科学技术的进步，叠加可再生能源电力成本逐渐下降，产氢数量逐渐增加，PEM 电解槽成本或将逐渐下降。

1.3 高温固体氧化技术

1982 年，高温固体氧化技术由德国的W.Doenitz 在HOTELLY 项目中首次使用，并获得了工业领域的突破。该装置制作简单，却受到材料性能的限制。生产时，电解池温度可达到1000℃，高温下材料性能不稳定、缺乏高效的清洁热源等问题限制了这一项技术的广泛使用。随着产业技术的不断发展，材料的限制逐渐被打破，美国科学家利用单体固体氧化物电解池组装的平板式高温电解堆制氢打破了SOCE 制氢的局限，使该技术成为各国研究的重点。

高温固体氧化物电解水制氢技术消耗电能非常少，利用高温电解解决制氢技术电能消耗过多的问题。高温制氢减少了整个过程的能量消耗，保证了电解质量。在制氢过程中还可以使用非贵金属催化剂进行生产，有效降低制氢成本。该技术使用全陶瓷材料，解决了在其他技术中出现的材料腐蚀问题。高温条件下，生产效率显著提高，但是关于电解池材料的选择仍然受到限制，尤其是平板式SOEC 对材料要求更苛刻。因此，新时期，解决材料问题和高温下氢电极衰减问题成为人们思考的重点[2]。

2 电解水制氢技术在可再生能源发电领域应用的必要性

2.1 零碳经济趋势的必然

从全球能源结构来看，当前终端能源中化石能源消费占比较大，终端能源消费中化石能源的占比为78%，是全球碳排放的主要来源。我国已确定2030 年实现“碳达峰”、2060 年实现“碳中和”的发展愿景，驱使我国能源结构转型。未来，大力发展清洁低碳能源、多种能源形势并举成为大势所趋。在这一背景下，电力、氢能以及相关的衍生品成为未来全球能源结构的重要组成部分。2050年，全球能源结构中氢气将作为重要的替补品（衍生品），在工业生产领域起到十分重要的作用。氢作为分布较广的元素，以化合态存在于现实生活中。虽然氢气的存储运输存在风险，但是从环保效果来看，氢是高效的清洁能源，其能量密度高，排放产物为水，排放物相对安全、可靠；从能源安全储备方面来看，制取方式多样。我国在发展过程中，正在逐步完善氢能产业链，产业链涉及氢能的制取、储运、设备制造和应用等，涉及交通、工业、能源等多个领域。未来，氢能产业链上下游将逐渐完善，长距离管道运输和多种储运方式逐渐成熟，能够实现在工业领域的炼化、生产、化工原料等领域规模化应用。随着交通领域氢燃料电池车技术的逐渐成熟，氢能将作为我国能源体系的重要组成部分。

2.2 传统制氢路线潜力有待开发

化石燃料制氢作为传统的制取方式，技术更新中仍存在一定潜力。煤气化制氢是煤在气化炉中与水蒸气发生反应制备氢气的过程，在这个过程中气化炉与水蒸气反应，生成二氧化碳与氢气。天然气制氢主要是天然气脱硫处理后，天然气中的甲烷和水蒸气发生反应，生成氢气。目前，化石燃料制氢仍占据国内主要制氢市场，我国现阶段主要用煤制氢。煤制氢适合运用在大规模生产中，现阶段煤气化炉的制氢潜力较大，设备还有挖掘资源的可能。除此以外，提纯和碳捕集环节都存在巨大的开发潜力[3]。

2.3 可再生能源制氢发展迅速

当前，我国可再生能源制氢处于起步阶段，但发展迅速。我国风能、太阳能资源丰富，风力发电、光伏发电技术逐渐成熟，建设规模领先世界，建设成本随技术发展逐渐下降，可再生能源发展日趋多样化。根据区域资源不同，我国可再生能源制氢项目各具特色，发展和研究方向多样。

首先，风电大规模制氢在提高风电消纳和经济效益方面有巨大的潜力，陆上风电制氢项目已开展多项工程示范，基于远海风力资源充沛的情况，提出整合电解制氢与海上风电资源的设想，利用远海风电平台进行规模化制氢，降低海上风电机组至陆地连接点之间的电力损耗和投资。国内学者进行海上风电制氢、海水制氢的相关研究，普遍认为其具备较大的潜力。除了提供氢能源之外，其他伴随风电制氢发展起来的生产制造领域也能实现相应发展。

其次，光伏发电成本下降明显，光伏发电项目规模化投产进程加快，度电成本已明显低于燃煤标杆电价，大规模光伏发电项目的并网带来了光伏电力消纳的问题。相较于风能发电，光伏发电具有发电时间趋同、间歇性和周期性明显的特点，但利用光伏发电进行电解水制氢，存在周期性间歇性的特点。国内光热项目仍处于示范阶段，成本较高，将规模化储能和光热项目融入电解水制氢项目，仍存在一定的经济性问题。

可再生能源制氢潜力巨大，且国内化工、能源企业布局项目发展迅速，涌现出一批结合地方发展特色的可再生能源制氢项目[6]。

3 可再生能源发电领域进行电解水制氢的方法

3.1 利用太阳能光热发电进行电解水制氢

太阳能光热发电技术使用大面积太阳能反射镜和追踪系统吸收太阳光，吸收器加热后将热量传输到蒸汽设备中，在高温下实现无污染发电，这是太阳能的一大优势。与光伏发电系统相比，在太阳能光热与储热系统结合后，系统发电的稳定性也随之提升。目前，由于成本等问题，我国的光热发电尚未实现全面商用，太阳能光热发电系统利用高温和高压蒸汽产生能量，这与高温固体氧化物制氢基本吻合，因此这是该技术广泛推行的关键。

太阳能热化学循环分解水制氢技术也在研制中，该技术有太阳能全光谱利用、无需氢氧分离等优势，是比较环保的制氢手段。通过载氧材料微观结构的设计与太阳能热化学反应器的研究，合成产氢性能优异的新型材料，研制规模达到10kW 的超高温热化学反应器。该反应器是实现太阳能到化学能转变的关键，在设计上综合考虑动力学和热力学等因素，充分考虑温度场和气密性。目前，在太阳能热化学循环高效制氢中，使用ABO3型钙钛矿材料可以满足生产，该材料具备很强的氧空位调节性能、改性能力，在基于神经网络模型的基础上，通过计算、筛选、预测，合成新母体。作为新型材料，可以在未来的太阳能热化学制氢中使用。

3.2 利用风光储一体化多能互补进行电解水制氢

发电机组容量相同状况下，利用不同的可再生能源互补可以取得更理想的效果。与单一可再生能源制氢相比，多能互补的形式可以有效增加供电的连续性和稳定性，有效提升电解水制氢系统的运行时长，从而提升项目的经济性[7]。通过风光储等形式的科学配比组合，可有效减少可再生能源电解水制氢系统对于电网的依赖，提升系统的自供电安全性，未来可以实现离网的经济性运行，只需要进行科学合理的设计，就可以保证供电，能够使用各种柴油机等备用电源，不会对生产造成影响，效益良好。此外，对于新能源富集和消纳条件受限的区域，将多能互补电解水制氢系统接入电网，可有效增加新能源发电储力，通过合理调度，可以有效吸收电网富余电力，缓解电网调节压力，为电网提供灵活、调节性资源。

3.3 利用风电制氢技术进行电解水制氢

风电制氢是指将富余的风力资源通过风轮转子转化成为机械能，将机械能转化送入电解水制氢设备中实现转换，送入压缩机中压缩存储。将存储的能源通过氢燃料电池直接运用到化工与医疗等领域，实现可再生能源的清洁利用。风电制氢系统与电网连接，可分为并网型风电制氢与离网型风电制氢，前者相对成熟，后者的发展还处于起步阶段。整个风电并网制氢系统中，有风力发电机组、储能变流器、电解槽、压缩机、储氢罐等。整个系统中，风力发电系统由涡轮、发动机等部分组成，风机捕获风能，带动风机驱动器运行。风机启动后，转子转速不断提升，发电机定子端的输出功率降低，机组将风能进行转换。整个系统中，风力发电系统接入电网、电解槽，如果电网的电力有富余，风力系统就会停止供电；如果电力不足，系统就会从风机中获得电能，提高风电制氢的经济性。按照现有研究来看，风电资源运用在大规模制氢及提高风电消纳中完全可行，具有清洁高效、市场效益良好等优势。

4 结语

在能源安全与节能降碳的压力下，发展可再生能源制氢是解决问题的重要途径。目前，可再生能源发电技术发展逐渐成熟，将电能转化为清洁高效的氢能，是新型能源架构体系的重要组成部分。氢能作为能源和原料的消费场景不断丰富，产业链条不断完善，可再生能源制氢在我国低碳发展进程中发挥重要的作用。随着技术研究的不断深入，电解水制氢技术将不局限于单一技术形式。此外，随着新型电力系统的发展，多能互补电解水制氢项目将朝着低碳高效、安全稳定、电网友好的方向发展。随着技术成本的降低和商业化应用的成熟，可再生能源电解水制氢技术的发展前景日益广阔。