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华能清洁能源技术研究院:风电动态电解制氢技术研究与应用示范

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2021/6/4 19:39:42 我要投稿

北极星氢能网讯:“可再生能源电解制氢是实现氢能低碳华发展的重要途径,非并网可再生能源电解制氢是重要的技术方向,制氢设备、控制系统、多环节耦合方面还需要进一步探索。”中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司主管王鹏杰在可再生能源制绿氢技术、装备与案例大会上发言。

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王鹏杰:各位专家、各位前辈大家上午好,我来自于中国华能集团的王鹏杰,感谢组委会提供这次宝贵的机会分享一下华能在风电动态制氢方面做的一些工作。

简单介绍一下华能清能源,它是直属清洁能源前沿技术研发机构,主要研发方向有电解水制氢、燃料电池、储能、新能源发电还有二氧化碳补给等。氢能技术部从制氢、储氢、运氢、以及氢能利用等关键技术的研发、产品开发以及项目的规划实施推广等。我的报告分以下四个部分:

第一,产业背景。无论是谈到可再生能源发电,还是氢能产业都离不开碳中和。习主席提出碳达峰、碳中和的目标之后,为氢能产业的发展指明了方向。“十三五”以来,可再生能源装机和发电量不断攀升,成为了能源转型的重要力量,预见的未来,可再生能源会进一步加速发展。氢能从电力行业讲,是源网荷储重要的补充,可以提高可再生能源的利用率。氢能同时是可再生能源向其他一次能源转化的重要媒介,氢能是日后会构成新的能源系统。氢能已经应用于目前的各行各业,氢化工、氢冶金等等,大规模应用具有零碳属性的氢能可以实现交通运输等领域的最佳选择。发达国家对氢能都进行了积极的布局,都制定了国家级的规划,并且已经逐步实施。氢能的开发和利用是新一轮革命的重要方向,我国部委近两年下发了指导意见,并且把氢能发展写入了“十四五”规划和2030远景规划。目前氢分成灰氢、蓝氢、绿氢,绿氢是终极发展目标,采用可再生能源制氢是最重要的生产方式,目前受制于成本高,电解设备成本高、发电成本也高。通过国际科再生能源机构统计,可以看到光伏成本已经降低到大约0.039元左右,我国2019年就迈入了可再生能源平价上网的时代,度电成本会逐渐降低。预计2030年,碱性电解水投资成本将降低20~40%,2050年将降低50~60%。到2050年的时候PEM电解水成本会和它相近。电解水设备的成本会进一步加速下降,通过电解成本和电解潮成本加速下降,会为全生态氢能产业发展提供了可能。

第二,项目介绍。下面介绍一下国外的项目,美国2007年做了风电制氢的项目,日本在福岛做了风光互补的制氢项目,各个国家相继开展了实验研究。我国在2010年就开始了风电制氢的基础研究,2019年中科院化物所在兰州等项目都相继落地。再介绍一下我们在风电动态电解制氢项目的工作,直接进行电解制氢消纳可以省下过往费,降低制氢成本,但是由于直接接入电网,风电的波动性对制氢系统的适应性、安全性、氢能的变化、耦合这些机理尚不明确,所以我们进行了研究。我们和壳牌合作研究了一个项目,在吉林一个风电厂搭建了风电电解水,这是项目现场,这是目前国内已经知道的最大的投运的动态风电电解制氢装置。我们研究了一下冷启动特性,启动的时候发现电流响应特性达到了秒级,但是压力攀升相对滞后,在分钟级的响应水平。最佳运行温度需要大约3~4小时,碱性电解槽的升温是行业内比较垢病的地方,但是我们发现升温过程中,它的气体纯度几乎不受影响,也就是它只影响电解效率。我们进行了停机测试,执行系统可以在15分钟内完成停机卸压,降温后进行氮气置换,如果用辅助降温的方式可以在2个小时内快速停机,自然冷却大约14个小时降为室温,这给短暂的风电消纳和快速提供了操作策略的可能。

第三,安全问题。安全问题是制氢设备必须特别关注的问题,我们考察了制氢的操作区间。理论上它是可以降为0%的负荷,但是随着制氢功率的下降,它的气体纯度是降低的,杂质含量增高,安全风险就会下降。氢的爆炸极限40~75.6%,我们更应该检测的是氧中氢气的含量,通过研究发现操作下限目前达到了30%。我们进行实验研究的同时建立了三维多变量、多参数的数字模型,量化操作条件对性能的影响,也确定最优化的操作区间和工况为控制策略的优化提供理论基础。接下来对动态响应特性介绍一下,符合骤降和骤升的时候几乎不说影响,但是制氢和电解槽温度会下降。制氢系统可以在30~105%负荷区间进行骤升骤降,所以下一步优化压力和液位控制、提高氧气纯度是拓宽制氢系统波动区间的关键。下面做一下小结,我们制氢系统在非并网的情况下运行了超过5个月。第一,关键指标跟随电源波动制氢系统能够调节负荷,消纳可再生能源的波动。第二,动态运行对氢能的品质会产生一定影响,但是它的变化区间比较小,0.01~0.1%。负荷波动影响制氢系统的温度和能耗,通过改变控制策略可以实现降耗,制氢系统可以通过短暂的热停机保持可再生状态。

第四,结论和展望。华能在洮北是国内已投运的制氢功率最大的风电制氢示范项目,可再生能源电解制氢是实现氢能低碳华发展的重要途径,非并网可再生能源电解制氢是重要的技术方向,制氢设备、控制系统、多环节耦合方面还需要进一步探索。

最后介绍一下华能集团在绿氢产业规划方面的一些这项。我们华能集团提出了两线两化的发展构思,在北线规划了综合基地,主要目的结合内蒙古等煤化工打造现代煤化工产业示范基地,进行绿氢和对灰氢的替代,在有条件的情况下向京津冀地区进行输送。东线规范了两千万千瓦的海上风电发展带,主要围绕东部发达的沿海城市、山东、江苏、浙江与这些城市的交通钢铁分布式能源相结合,推动长三角氢走廊的建设。西南地区是水电比较丰富的地方,华南装机大约1800千瓦,每年的汽水水电大约达到了4、5亿度电,我们采用汽水制氢,结合西南丰富的天然气官网,构建就地能源体系,还可以向川渝供氢,这是华南的总体规划。前不久结束的两会上,舒董事长也提出了加快能源消费领域电气化进程,助力实现碳达峰,其中氢能是非常重要的实现技术。所以我们在成都建立了中国首个西南地区13兆瓦电解水制氢项目,实现制储氢一体化示范,今年年底设备到位,明年3月份投入运行。每天能够提供5.6吨的氢源,主要服务于四川成都周边城市的公交车和目前的氢能规划。

华能非常想要和大家进行合作,共同推动氢能产业的发展,谢谢大家!

(发言为北极星氢能网根据速记整理,未经本人审核)

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