新能源电解水制氢技术发展

新能源电解水制氢技术发展

周杰

内蒙古兴海电力服务有限责任公司

摘要：对于以风能和太阳能为主要能源的制氢系统，理想情况下应该能够独立运作同时也能与电网互动。在理论研究和实践应用方面，一些学者通过建模和仿真分析，发现影响这类系统效率的主要因素包括太阳辐射量、风速、电解槽的温度，以及光伏阵列可能遇到的云层遮挡或由建筑物引起的阴影。通过搭建实验平台并开发在线监控系统，为这种技术向示范项目和商业化运营迈出了重要一步。同时，有研究提出了建立综合新能源制氢的能源管理平台，并通过调控平衡电力来实现"以电制氢"和"以氢稳电"的模式。

关键词：新能源；电解水；制氢技术

前言：在19世纪末至20世纪初，化石能源驱动的制氢技术由于其成本优势，迅速占据了市场的主导地位，这一时期电解水制氢技术的市场发展陷入了长期的沉寂。然而，随着能源领域的一次重大变革，新能源的迅猛发展为电解水法制氢技术带来了生机。同时发展新能源技术和氢能产业，将氢能视作新型电力系统中的长期储能方案，不仅可以减少电力生产与消费时间和空间上的不匹配问题，还能增强电网的适应性和灵活性。建立一个独立于电网的绿色氢气生产系统对于加速新能源项目的推进、直接将风能和太阳能转化为便于储存和使用的氢能具有深远的意义。这一转变不仅标志着向清洁能源转型的重要一步，而且对于未来能源安全和环境保护具有至关重要的战略价值。

一、光伏制氢系统

1. 并网型

并网型光伏制氢系统，依据项目规模的不同，主要分为两种布局：共用交流母线与共用直流母线。在共用直流母线的模式中，搭建了一个光伏、储能和制氢的综合直流微网系统[1]，这种配置需要利用AC/DC转换装置以实现与外部电网的相互作用。有研究引入了主动型光伏并网发电的理念，其中氢能被作为一种长期储能介质，通过直流母线实现各个模块功率的集中协调，有效平衡了光伏电力输出的波动。此外，还有工作设计了一套基于能量转换（包括DC/DC与AC/DC）架构与电力管理策略的光伏制氢能量存储系统，该系统能够在光伏产电不足时由电网进行补偿，反之则通过电解水将过剩能量转换为氢能储存。预计，透过与用户侧的建筑一体化光伏（BIPV）和光储柔性技术的结合，直流母线光伏制氢方法将促进一体化的电-氢新能源系统发展。对于共用交流母线的制氢方式，特别是在中国西北等光伏资源丰富地区，最近几年建设的光伏制氢项目大都采纳了这种方式。这不仅充分利用了电网的稳定性以支持光伏制氢系统的稳定运作，还通过使用低谷电来提高设备使用效率和项目整体经济性。然而，随着光伏电站大规模并入电网，光伏发电量的日趋增加导致了发电曲线的剧变，某些省份的光伏电价在白天达到极低甚至负值，夜间也不再是低谷时段，这使得部分并网光伏制氢项目的盈利能力受到挑战。

2. 离网型

在直接耦合系统中，由于缺乏DC/DC变换器，光伏阵列的最大功率点与电解槽的输入电压特性可能出现不匹配现象。尽管如此，在电力电子器件效率不高和成本较贵的早期，直接耦合方法由于其结构简单和高效性，受到了广泛关注。有研究表明，在确定的光照条件下，光伏系统能够接近其最大功率点运行。但这些研究往往忽视了变化的天气条件对制氢系统的潜在影响。因此，其他研究提出了几种控制技术，包括IV近似法[2]、光伏组件温度计算法和电流法等，有效地避免了直接耦合模式下的失配问题。此外，直接耦合系统的源-荷匹配策略也在研究之列，通过优化电解槽的串联和并联数目，以提升系统性能。然而，这种做法可能会导致频繁的电解槽切换，影响制氢速度和光伏系统的性能。为此，提出了通过调整光伏组件连接和电解槽数量的“粗调”方法及电解槽工作温度的“细调”方法，从而优化系统效率。另外，基于具有更高调节能力的PEM，构建了一种光伏-电解槽直接耦合双阵列模型，并实施动态调整策略，增加了系统的控制灵活性。随着电力电子器件成本降低和效率提高，直接耦合方法逐渐失去焦点。然而，在大规模新能源制氢项目中，单电解槽和多电解槽的控制策略仍然有其价值。间接耦合系统引入DC/DC变换器，促进了对光伏DC/DC变换器耦合制氢系统的理论探讨和设计方法研究。有研究基于DC/DC变换器实现了在变功率工况下的最大功率跟踪；而其他研究则提出了一种新型的交错Buck电路和基于多谐振变换器的方案来提高系统效能。尽管如此，实际应用过程中需考虑多种因素，如升压比、电磁干扰和输出电流纹波等，同时还需权衡成本因素，需通过持续的研发努力来实现。除DC/DC变换器的研究外，其他研究关注于离网光伏系统的综合能源管理策略，提出了光伏/燃料电池/电解槽/电池混合系统，旨在满足负载需求的同时优化储氢和储能系统的性能。然而，由于光伏利用小时数限制，成本偏高。对比之下，风光互补制氢通过提升利用小时数，对离网制氢而言，可能是一个更为可行的解决方案。

二、风电制氢系统

在关于制氢装置配置的研究领域，特别是当装置连接在交流母线一侧时，双馈风电机组和电解槽并联的方案对于生产氢气显示出了显著优势。该方案通过精密的控制策略，实现了风电输出功率的平衡，确保风电系统更加适配电网需求。其中，采用永磁同步发电机搭配十个电解槽单元的风氢耦合系统，通过精细的切换策略，有效减少了风电场输出功率的波动，同时采取延时切换手段，减少了电解槽的频繁操作，延长了其使用寿命并提升了工作效率。而制氢设备配置在直流母线一侧时，研究进一步深入。某些研究提出了电解槽功率流和氢气流的高效控制模型，并通过实时仿真实验验证了模型的有效性。此外，通过调节电解槽电流，实现了对风电功率波动和电解质温度不确定性的鲁棒控制，从而提升了氢气生产的效率和质量以及系统的并网性能

[3]。然而，由于制氢装置仅能执行单向功率调节，为了应对风力发电的波动特性，并保持直流母线电压的稳定，构建了包括风机、制氢装置、燃料电池及超级电容器等元素的混合系统。这一系统采用多样的运行模式和控制策略，实现了母线功率的双向调节。尽管如此，对燃料电池和电解槽的响应延时及其可能导致的短期内源荷不匹配的问题，并未得到充分考虑。为解决上述问题，部分研究者提出了一种能量流控制策略。该策略在较长时间尺度下，利用燃料电池和电解槽作为能量缓存，平衡风机输出与负荷之间的功率差异；而在短期尺度内，通过超级电容器作为缓冲，补偿因燃料电池和电解槽响应延迟而造成的功率失衡，从而确保并网功率与负荷之间的匹配。

三、风光互补制氢系统

在系统配置和控制策略方面，一些研究集中于风电、光伏、制氢以及燃料电池直流母线结构的能量管理和实时控制。尽管这些方法在模拟测试中取得了一定效果，但往往忽视了在实际应用中可能出现的网络通信延迟问题。在风光资源变化迅速且存在通信延迟的大型项目中，这种控制策略可能无法确保系统的稳定运行。此外，还有以风电、光伏、制氢、燃料电池和储能为组成的直流母线系统，采用小时级模拟仿真，通过储能系统的加入来确保系统的稳定运行，尽管如此，这种方法在实时控制方面存在不足。有研究通过整合超级电容器来抑制风光输出的波动，这种结构简单且效率高，但超级电容器作为功率型储能设备，其在进行日内及日前调度时的功能受限，缺乏协同控制机制且系统电压稳定性高度依赖于超级电容器。然而，由于超级电容器技术的现状，难以在实际项目中找到匹配的产品。进一步研究表明，整合风电、光伏、制氢和储能的直流母线系统采用直流母线电压信号（DBS）控制策略，可实现系统级协调控制，这种方法结合了能量管理和协同控制技术，旨在提高系统的稳定性和新能源利用率。
    从上述研究可以看出，未来的发展趋势可能是结合功率型和能量型储能的直流母线结构，要实现全生命周期的运行优化，需要综合考虑系统配置、优化调度策略和实时协同控制。直流母线结构有利于简化转换环节和避免交流系统的频率不稳定问题，代表着未来的发展方向。然而，受限于直流功率转换设备的研发进度和产业化水平，这一结构目前在大规模应用上存在可行性挑战。当前，大型风光互补制氢系统主要采用交流母线布局，单纯依靠配置大量储能设备来维持系统稳定性在成本上并不现实，因此系统难以完全独立于电网运行。

结语：在风能和太阳能驱动的制氢系统方面，理想的情况是这样的系统既能独立运行也能与电网进行交互。通过建模和仿真的研究揭示了太阳辐射量、风速、电解槽温度，以及由于云层和建筑物阴影引起的光伏阵列覆盖问题是制氢效率的关键影响因素。此外，建立了实验平台并发展了在线监控系统，这为技术的示范应用和商业化奠定了基础。进一步，构建了一个集成的新能源制氢的能源管理平台，用于调节和平衡电力，实现了“电制氢”和“氢稳电”的工作模式。
参考文献：

[1]孙浩,吴维宁,陈丽杰等.新能源电解水制氢技术发展研究综述[J/OL].电源学报,1-18[2024-03-13].

[2]葛书强,白洁,丁永春等.可再生能源制氢技术及其主要设备发展现状及展望[J/OL].太原理工大学学报,1-39[2024-03-13]

[3]李雪临,袁凌.海上风电制氢技术发展现状与建议[J].发电技术,2022,43(02):198-206.