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直流電源系統的風電制氫技術發展前景如何?

文章來源:穩壓電源公司,時間:2019-11-25 11:12    點擊量:

首先針對風電制氫技術的基本原理和技術特征進行簡單介紹,然后回顧風電制氫技術的發展歷史,詳細介紹風電制氫技術在國內外的研究現狀,對風電制氫技術優勢以及研究成果進行總結。在此基礎上對風電制氫系統進行詳細的闡述,并且就風電制氫技術的應用前景進行深入的分析和討論。最后就風電制氫的關鍵技術以及亟待解決的問題進行全面的綜述,從多個角度對風電制氫技術發展進行梳理分析,為今后風電制氫技術的發展提供了借鑒和參考。
 
據國家能源局數據顯示,截至2017年底,我國可再生能源發電裝機達到6.5億kW,同比增長14%;其中,風電裝機1.64億kW,同比增長10.5%,可再生能源發電裝機約占全部電力裝機的36.6%,同比上升2.1%,可再生能源對化石能源的替代作用日益突顯。
 
2017年我國風力發電量3057億kW?h,同比增長26.3%,棄風率為12%。2017年,全國風電棄風電量同比減少78億kW•h時。風電作為一種清潔能源發展十分迅猛。雖然棄風問題有了較大幅度的緩解,但離可再生能源健康持續發展還有一定距離。
 
 
如何破解棄風限電難題正成為研究人員研究重點之一。風電制氫技術為解決棄風問題提供新思路,對于解決風電就地消納和發展分散式風力發電技術,實現可再生能源多途徑高效利用具有重要意義。
 
風電通過電解水制氫儲能,一方面可將氫作為清潔和高能的燃料融入現有的燃氣供應網絡,實現電力到燃氣的互補轉換,另一方面可在燃料電池等高效清潔技術方面將氫能直接利用。
 
2017年國內首個風電制氫工業應用項目張家口沽源制氫站開工,該項目的投產不僅對提升當地風電消納能力具有重要意義,而且更有利于破解風電產業的瓶頸——棄風問題。
 
氫能既可通過燃料電池轉變為電能作為電網調峰送回電網以提高風電上網電能品質,又可作為能源載體通過車載或管道方式進入工業和商業領域,如氫進入燃氣管道、冶金、化工等行業。與此同時,風電制氫系統也將極大地推動純綠色能源汽車——氫燃料電池汽車產業的快速發展。
 
 
風電制氫的基本原理和技術特征
 
風電制氫技術是一種將風力發電產生的電能通過簡單的處理直接應用到電解水制氫的一種新型環保制氫技術。
 
01
風電制氫的基本原理
 
風電制氫系統被認為是一種清潔“高效的能源利用模式”。制氫系統的基本結構如圖1所示,該模式的基本思路是將風力所發電量超出電網接納能力的部分采用非并網風電模式直接用于電解水制氫,產生的氫氣經過儲存運輸,應用于氫燃料電池汽車等。
 
風電制氫系統主要由風力發電機組、電解水裝置、儲氫裝置、燃料電池、電網等組成。通過控制系統調節風電上網與電量比例,最大限度地吸納風電棄風電量,緩解規?;L電“上網難”問題,利用風力發電的多余電量來電解水制氫,通過壓力儲氫、固態儲氫等技術來提高氫的存儲密度。圖2所示為風電制氫的電氣結構示意圖,下半部分為風電并網部分,上半部分為棄風制氫部分。
 
在風電并網部分,風電經低階的機側濾波單元過濾掉一部分諧波,然后經過AD-DC整流變換單元,將交流電轉換為直流電源電,再經過直流電源支撐電路后進行逆變,逆變后的交流電經過高階的濾波單元,將風電的諧波濾去,產生達到并網需求的高質量電能,經由升壓變壓器為電網供電;在棄風制氫部分,風電被濾波后經過AD-DC整流變換單元,將交流電轉換為直流電源電,再經過直流電源支撐電路接入DC-DC電路,將直流電源電進行降壓或升壓處理,使直流電源電變換為可以制氫的電能,進而制氫。
 
風電并網側與制氫側應進行合理的功率分配,在風電滿足電網需求的前提下,剩余的風能進行制氫,做到能源的最大利用。
 
 
直流電源系統的風電制氫技術發展前景如何?
圖1  風電制氫系統的基本結構
 
 
02
風電制氫的主要技術特征
 
2.1 風力發電機的高適應性
 
風力發電機不僅要將電能通過變流裝置輸送至電網,同時也要將棄風能源為氫電解池供電,所以對風力發電機的適應性提出了較高的要求,即風力發電機需要具有很強的抗風波動的能力。
 
2.2 電解池的高效性、高適應性和環保、安全性
風電制氫電解池將風能轉換為電能并電解制氫的過程需保證能源轉換的高效性,同時,制氫功率的波動會對制氫裝置壽命和氫氣純度產生很大影響,這對電解池提出了較高的要求。通過優化電解池的電極、催化劑等材料,降低電解成本;提高制氫效率;通過優化隔離膜等,提高性能,通過調節工藝參數的方式,提高電解池抗功率波動性,保證系統安全運行。
 
2.3 風電制氫控制系統的靈活性、高效性、安全性
風電制氫集成控制系統包括制氫、儲氫以及燃料電池等控制系統,通過制氫控制系統實現制氫功率的靈活分配,通過控制制氫電壓保證制氫系統運行在高效的范圍,并且通過一系列的控制保證制氫、儲氫、用氫系統的安全運行,都是風電制氫的重要技術特征。
 
 
風電制氫技術研究現狀
 
01
國外研究現狀
 
傳統的電解水制氫氣在電能產生的環節多少都會有污染物的排放,而風電制氫技術是使用“綠色”電力,是真正意義上的清潔技術。近年來,國內外學者針對風電制氫的經濟性與可行性進行了分析與驗證。
 
2000年,英國的達盾(Dutton A. G.)等通過總結歐盟資助的風電制氫項目,對風電制氫系統的實用性和風電制氫發展可能遇到的問題進行了預測,指出了風能功率波動對電解槽運行的影響并提出使風力機輸出功率平穩的改進方法。
2003年,瑞典的卡西姆(Kassem N.)等針對對風電制氫技術的經濟性以及可行性進行了評估。
2005年佛羅里達大學的史瑞夫(Sherif S. A.)等對制氫技術進行了綜述并指出利用風能發電制氫能夠提高風力發電的競爭力。
2009年澳大利亞莫納什大學的霍恩妮(Honnery D. H.)等對全球風電制氫的技術潛力進行了評估,并估算每年風電制氫技術潛力為116EJ(1EJ=1018J)。
2010年美國學者巴特爾(Bartels J. R.)等從經濟角度分析了風電制氫,得出結論是生產氫氣是可行的。
2012年土耳其的根奇(Genc M. S.)等對世界各國關于風能制氫和氫生產成本的研究進行了綜述,并對土耳其風電制氫各地區的制氫經濟性進行分析,根據風能成本計算制氫成本,并得出了珀納爾巴舍等地區的氫能年產量。
2014年德國學者班達里(Bhandari R.)等從生命周期評估角度對風電制氫進行分析,并得出了風電制氫是一種很好的制氫技術的結論。
2017年伊朗的歐利普(Qolipour M.)等針對伊朗各地區的風光制氫的技術性和經濟性進行了評估,經研究,風電制氫是環??尚械?,風電制氫為解決棄風問題提供了新的思路。
 
近年來,國外學者也開始針對風電制氫的技術和理論展開了研究。
 
2008年日本的高橋(Takahashi R.)等提出了一種風電制氫協同控制方法,將可變速風力發電機和氫氣制備裝置安裝在一起,通過輸出平滑的功率曲線減小風能波動對電力系統及制氫裝置的影響,并在2010年對這種風電制氫系統進行了詳細介紹及仿真分析,對其工作性能進行了評估。
2010 年阿根廷拉普拉塔大學的巴蒂斯塔(Battista H. D.)等提出了由電網輔助的風電制氫控制系統,同時提出一種調節電解槽電流值的控制策略,優化了氫氣生產效率。
2011年西班牙的皮諾(Pino F. J.)等針對電解槽的運行溫度對風電制氫系統的影響進行了分析,并將實際運行溫度與額定運行溫度下的氫生產效率進行了對比,得出了在實際溫度下氫生產效率被高估的結論。
2013年西班牙的盧西奧(Lucio J. H.)等對電解制氫風力發電廠進行模擬,提出兩種優化控制風電制氫功率的方法,并進行了模擬。
2014年敦比亞(Doumbia M. L.)等提出了一種基于模糊邏輯的混合風電制氫優化管理策略,研究表明通過這一策略能夠提高水電解制氫的性能。
2015年曼娜(Sarrias-Mena R.)等針對風電制氫,對電解槽和風力機的耦合運行進行了研究,并對比了所提出的四種不同電解槽的工作特性。
 
風電制氫項目最早由美國提出,他們提出通過發電機組陣列連接到電解堆的方式制取氫氣。而在通過把風能轉換為氫氣來儲存電能的領域,歐洲則處于領先位置。歐盟計劃在2060年最終完全實現不依賴化石能源的可持續發展,而實現這一目標的重要一環就是將可再生能源以氫的方式大規模存儲起來并加以應用。
 
歐盟在希臘和西班牙分別實施了風電制氫示范工程,將風能與電解水制氫技術相結合,涉及到氫能存儲、燃料電池和反滲透海水淡化等技術,為能源存儲、供電和供應淡水提供“綠色”氫能源。2011年德國勃蘭登堡州建成并運營世界上第一座風力-氫氣混合發電站。
 
2014年,德國提出用風力發電制取的氫氣注入天然氣網的構想,并建立示范工廠,這成為風電制氫的重要開端。美國國家可再生能源實驗室和Xcel能源公司推出一個示范性風氫(Wind2H2)項目,該項目利用風力發電和光伏發電實現生產和儲存氫,研究如何最大限度地提高可再生能源的使用及優化能量轉移。
 
2014年5月,美國發布了《全面能源戰略》,將“發展低碳技術、為清潔能源奠基”作為放眼長遠的戰略支點,并明確指出氫能作為替代性能源在交通業轉型中的引領作用。隨后日本也提出了一系列風電制氫的計劃及應用的方案,2016年4月,日本出臺了《面向2050能源環境創新戰略》,將氫能列入重點推進的五大技術創新領域,強調研發現今的制氫、儲氫和氫燃料的發電技術,擴大使用范圍,構建零排放的“氫能社會”。
 
國外的風電制氫技術有了較快的發展,但仍然存在制氫效率偏低、制氫能耗高等問題。利用風電制氫技術來獲得更低生產成本的氫氣,必然是氫能源推廣應用的有效途徑。
 
總體來講,風電制氫技術尚處于理論研究階段,很多研究才剛剛起步,仍有許多亟待解決的問題:如高適應性的風力發電機,針對寬功率波動電能的功率控制與調節方法,適應寬功率波動的高功率制氫設備,更加高效節電的制氫技術,風電制氫的集成控制及安全等。同時更加高效安全的儲氫技術及燃料電池技術等也對氫能的長遠發展起著至關重要的作用。
 
02
國內研究現狀
 
國內的風電制氫技術的研究起步較晚,且關于風電制氫的研究還比較少。2015年時璟麗等對風電制氫的經濟性進行分析,得出了風電制氫經濟的最關鍵因素是氫市場,并且風電直供經濟性優于外輸氫氣等結論。華北電力大學、上海財經大學、北京綠達源科技公司等也對風電制氫的可行性、經濟性以及風電制氫面臨的問題做出了系統論述。
 
近年來,國內也對風電制氫的技術問題進行了初步的研究:
 
2016年,尹文良等基于1.5MW風電制氫系統進行了建模分析與仿真研究,建立了不同溫度時電解槽相關仿真以及不同風速下風電水電解制氫系統仿真模型,仿真結果證明了該系統的可行性。
2017年,寧楠等對水電解制氫裝置的寬功率波動適應性進行了研究,通過對各工藝參數進行調整的方法,研究傳統水電解制氫裝置在風電寬功率波動條件下的適應性。
2017年,浙江大學的張建良等設計了風電制氫-燃料電池微網實驗系統,為風能資源的有效利用提供了技術參考和相應工程示范。
 
我國相關的項目與工程有:
 
2008年中國城市規劃設計研究院提出了海水淡化制氫產業基地的建設格局;
2013年國電聯合動力技術有限公司提出一種大規模風電儲存的新途徑——風電制氫和燃料電池發電系統,并指出大量氫氣的有效儲存和燃料電池技術是該系統的關鍵性問題;
2014年風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示范項目立項,該項目為國家風電消納積極探索了風電與其他形式能源互補利用新途徑;
2015年中國鐵道科學研究院提出了基于非并網風電技術制氫在綠色交通物流中的應用模式和途徑;
2016年9月我國首座風電制氫的70MPa加氫站(同濟-新源加氫站)在大連建成,實現了關鍵設備的自主創新;
2017年國內首個風電制氫工業應用項目——河北沽源風電制氫站順利開工,它是全球最大容量風電制氫工程,為實現風電制氫規?;彤a業化提供經驗和基礎。
2018年1月,同濟大學承擔的“十二五”863計劃先進技術能源領域“基于可再生能源控制/儲氫的70MPa加氫站研發及示范”項目順利通過科技部高新司組織的項目驗收,標志著中國在氫能技術領域的研究處于國際先進水平。
 
通過調研發現,采用風電制氫的方式儲能從經濟效益上是可行的。傳統的化學儲能技術具有容量小、壽命短等缺點,而風電制氫儲能技術相對于其他儲能方式具有高容量、易運輸、無污染的優點。隨著儲氫技術以及儲氫材料的不斷發展,制氫儲能為實現能源大規模存儲提供了可行性。相較于其他儲能方式風電制氫有望實現大規模的儲能,為解決可再生能源的存儲提供了新思路。
 
氫能作為綠色的新能源,具有環保、能量密度大、轉換效率高、儲量豐富和適用范圍廣等特點,氫的高能量密度使很小體積的氫能便可產生巨大的能量。風電制氫可以推動以氫能為主要能源的新能源時代的到來,推動工業、交通乃至人們生活的無碳化,且更環保。
 
基于風電制氫的儲能技術,風電只需進行最簡單的變壓、整流處理,便可以實現氫能的制取,實現能量的存儲,相對來講可以省去許多電力電子設備,節省成本。
 
總體看,以德國為代表的歐洲在風電制氫技術方面的發展相對較快,在制氫、儲氫、用氫領域均有示范性工程。目前氫氣在能源方面主要應用在氫燃料發電、氫燃料電池。氫能應用在新能源汽車的進程因需要龐大的基礎設施(如加氫站、輸氫網絡等)發展相對緩慢。而我國在氫能利用方面的研究還相對較少。氫能作為可再生清潔能源越來越受到重視,是可再生能源發展的一個重要的戰略方向。
 
 
風電制氫技術的發展前景
 
風電制氫的發展將會帶動風電裝備、氫氣制備、儲氫、運營和氫氣應用等各行各業的發展。首先,在發電過程中,將會利用到大量的風力發電機、齒輪箱、葉片、電控系統以及塔基、塔架、軸承等基礎設施,應運而生的便是相關機械制造及電機行業的發展,有助于對風力發電機等項目的研究和制造業的升級改造。電解水制氫技術因性能可靠、高效而具有很好的應用前景。
 
氫能利用主要包括氫的廉價制取、安全高效儲運和規模應用。這也有助于我國對電解水制氫技術和儲氫技術的研究,促進相關裝備制造產業的發展。風電制氫對我國的燃料電池的發展也將有很大的推動作用,燃料電池具有很高的發電效率并避免了嚴重的環境污染。
 
近年來我國燃料電池已經取得了飛速的發展,相關的技術已經逐步成熟,不同型號的燃料電池客車及小型車已經有廣泛的示范運行。
 
01
非并網風電制氫技術
 
非并網風電電解水制氫系統將風電直接與新型電解水制氫設備耦合,風電聯網不并網,消除了風電對電網的沖擊,實現風電100%高效、低成本利用。非并網風電制氫過程如圖3所示。非并網風電制氫中風力發電機發出的風電只需進行最簡單的變壓、整流處理,將電壓通過變壓器調整到所需電壓,交流電整流為直流電源電。
 
在較大的風速波動下,實現發電機能發電就能利用。同時可根據風量調節氫氣產量,實現風機全轉速運行范圍內電能的全部轉換。該類制氫用風力發電機組比并網機組成本降低30%以上,甚至更多。非并網風電制氫技術對于解決能源消納問題十分高效,且其產生的氫能實現了清潔和可再生等。
 
相對于離/并網制氫,非并網風電制氫技術為實現大規模的氫能綜合利用提供了可能,推進了氫能時代的到來。非并網制氫技術相對于并網制氫技術可以產生更多的氫能,可為工業、交通、居民生活提供必要的氫能源。
 
非并網風電制氫風力系統省去了并網所需的大量輔助設備(變流變壓裝置、濾波系統等),與并網制氫系統相比成本降低;非并網風電制氫技術采用直流電源電,該方式不但避免了交流電上網帶來的相位差、頻率差等問題,而且簡化了控制系統、節省了成本。
 
非并網風電制氫技術中因風力發電機沒有上網束縛,經過適配的新型風力發電機,結構得到優化,大大降低了成本;新型風力發電機避免了風電并網產生的大規模脫網事故,同時也減小了波動的風電對電網的沖擊。
 
總之,非并網風電制氫不但為風電消納問題提供了新途徑而且促進了氫能源行業的發展。
 
02
氫燃料電池汽車
 
作為氫能主要用途之一,近年來氫燃料電池汽車得到了飛速發展。燃料電池汽車具有節能、無污染等優點,成為未來新能源汽車的發展主流之一。
 
早在1993年,加拿大Ballard公司研制了第一輛可以氫作為燃料的零排放的公交車,引發了全球性燃料電池電動車的研究開發熱潮。許多國家相繼投入了大量人力、財力開展氫燃料電池汽車方面研究,并取得了長足進展。2015年日本的豐田公司先后推出了燃料電池轎車“Mirai”和“Clarity”;緊接著,韓國現代也推出了燃料電池版的途勝汽車。2017年在法蘭克福車展上,奔馳發布了首款量產氫燃料電池轎車(插電式混合動力模式驅動)。
 
我國氫燃料電池主要應用在公交車、物流車、班車等領域。2017年10月佛山(云?。┊a業轉移工業園推出的氫能燃料電池廂式運輸車,已進入小規模商業化推廣階段;2017年10月26日世界第一輛氫燃料電池有軌電車在河北唐山實現運行。2018年1月,74輛氫燃料電池公交車作為張家口市區公交車輛被正式采購。目前我國發展燃料電池汽車的基礎設施還不夠完善,需要進一步加強基礎設施建設,燃料電池技術在續駛里程、壽命方面仍需突破。風電制氫技術的發展將極大推動燃料電池汽車的發展,從而改善環境問題。
 
03
新型風電制氫裝備
 
目前,電解制氫技術可分為堿性電解技術、固體氧化物電解技術和質子交換膜電解技術等。其中堿性電解技術由于技術最為成熟,是商業化應用最為普遍的一類電解制氫技術。由于風力發電系統具有間歇性、隨機性的特點,應用于聯合系統的電解制氫系統應具有不穩定電能條件下安全、可靠和高效制氫的能力,即電解制氫系統應具有良好的動態調節能力。堿性電解技術與質子交換膜電解技術相比,其動態響應時間較短,適用于風電制氫系統。相比之下固體氧化物電解技術的響應時間比較長,目前并不適合應用于大規模風電制氫。
 
風電制氫技術的快速發展,將帶領風電制氫設備實現進一步的轉型升級。寬功率波動高效電解制氫系統將快速發展,如基于堿性電解制氫的電解系統和基于質子交換膜技術的電解制氫裝備,通過對其材料進行升級改進,實現電能安全、高效率、低成本的轉換。
 
電解制氫系統還亟需解決容量偏低的問題,目前的風電制氫系統規模一般在幾兆瓦以內,鑒于目前大型的集中式風能已經達到了幾百兆瓦甚至更大的發電容量,電解制氫系統容量的不足將是制約聯合系統實際應用的一大障礙,研究更大規模、更高容量的電解制氫系統十分重要。同時風電制氫技術還將帶動氫燃料電池朝更高功率密度發展以及儲氫設備的材料完成進一步升級,實現儲氫設備的大容量、低成本。
 
04
未來發展趨勢
 
 
21世紀是高效、潔凈、安全、經濟可持續利用能源的時代,世界各國也都把能源的利用作為科研關鍵問題。近年來全球新能源的發展過程中,風能作為能源發展的重要角色,在我國新能源的發展中起到了關鍵性的作用。風電制氫不但提供了大量的氫能源,還提供和產出多種有直接經濟效益的產品。
 
風電制氫技術利用了成熟的發電、電解和氫能源應用技術等組合,不斷地擴大其規模,逐步替換傳統的碳能源,通過大規模的應用還可進一步提高其轉換效率,滿足社會的能源需求,是未來可持續能源發展的途徑之一。風電制氫對未來的相關產業,例如風電產業、智能電網、燃料電池發電系統、新能源汽車(以氫為燃料電池的汽車)的發展意義重大。
 
 
風電制氫需進一步研究的關鍵理論與技術問題
 
風電制氫技術與傳統的電解水制氫技術的區別在于風電制氫的電能具有間歇性和寬功率波動性,給風力發電和電解制氫技術帶來巨大挑戰。當前風電直接制氫技術發展尚不成熟,在風電制氫技術的各個環節中依然存在很多問題,下面列舉風電制氫技術發展中面臨和亟待解決的若干問題。
 
01
離/并網風力發電機技術
 
離/并網風電制氫中的風力發電機既要為外電網提供電源,又要為制氫電解池供電;還要適應電網的不穩定,同時控制系統還需調節風電上網與制氫電量比例。高適應性的風力發電機的創新與發展對風電制氫技術十分關鍵。
 
目前應用最為廣泛的風力發電機組為雙饋式和永磁直驅式風力發電機組。對永磁直驅同步發電機和雙饋異步發電機的結構、原理、工作特性及其對風電制氫的適應性研究仍然需要深入。同時針對用于風電制氫的新型開關磁阻式以及雙凸極結構的發電機也處于研發試驗階段。
 
1.1 雙饋異步感應風力發電機與永磁同步直驅式風力發電機
 
雙饋異步風力發電機與直驅式永磁發電機在調速范圍和能量傳遞方面無太大差別。雙饋異步感應風力發電機的無功調節范圍較大,電能質量較高,但其控制方式較為復雜。直驅式永磁發電機主要通過增加磁極對數從而降低電機的額定轉速,減少了增速齒輪箱部件,其性能可靠性遠遠高于雙饋式。永磁直驅同步風力發電機不需要無功補償裝置,雖然風能利用率相對較高,但造價高、損耗較大。
 
上述兩種發電機在風電機組應用廣泛,但仍然存在針對風電制氫的應用適應能力不足的問題。因此,在現有發電機基礎上專門設計面向風電制氫應用的高經濟性和高適應性的風力發電機尤為迫切。
 
1.2 開關磁阻式發電機
開關磁阻發電機在風力發電系統中的應用是20世紀90年代以后才提出來的。開關磁阻電機研究起步較晚,目前正處于理論實驗研究階段,大功率配套裝置不齊全是當前遇到的難題。
 
開關磁阻發電機定子、轉子均為凸極結構,具有自勵能力,在自勵模式下,只需小容量的直流電源起勵電源,就可以自動建立電壓,且可直接使用直流電源電能。若與制氫、燃料電池儲能構成互補系統,更可以體現分時勵磁和發電的優勢。
 
風能充足時,一方面開關磁阻發電機從燃料電池獲得勵磁,另一方面又給負載供電,同時能夠給電解池供電制取氫,將剩余的電能轉換成氫能儲存起來。當風力不足時,制氫儲能將釋放出來,供負載使用。該發電機高效、適應性強、成本低,對風電制氫來說較為合適。對于非并網風電制氫而言,其風力發電機將更加側重于結構簡單、維護方便、捕獲風能能力強、高可靠性和低成本的發展方向。
 
1.3 雙凸極發電機
雙凸極直流電源發電機定轉子外形與開關磁阻發電機相似,為雙凸極結構,是一種較為適合非并網風電制氫系統的發電機,其結構簡單、成本低。秦海鴻等提出了一種雙凸極發電機,并對該發電機基礎理論運行原理及結構等進行詳細理論及機理闡述。若實現在直驅發電系統的廣泛應用還需要對理論及其運行機理進行更加深入的研究。目前該發電機的發展尚處于理論基礎研究和探索驗證階段。
 
02
寬功率波動高效電解制氫系統
 
2.1 電解制氫的方法
電解制氫技術目前較為成熟,其關鍵技術就是電解槽。目前電解槽主要可分為堿性電解制氫、固體氧化物電解制氫、質子交換膜電解制氫。
 
(1)堿性電解制氫:堿性電解制氫是目前最簡單、最成熟的制氫方式之一。堿性水電解裝置大多有雙極性壓濾式結構,可靠性高、能在常溫常壓下運行,但存在滲堿污染環境及制氫效率不高問題。提高電解的效率,消除滲堿問題一直是該制氫方式的關鍵技術。
 
(2)質子交換電解制氫:聚合物電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane, PEM)電解槽主要也是由兩電極和聚合物薄膜組成,質子交換膜通常與電極催化劑成一體化結構。PEM電解槽不需電解液,只需純水,比堿性電解槽安全、可靠。該制氫方式效率可達到90%以上,但是因其電極多用貴重金屬鉑,價格昂貴,難以大規模應用。
 
(3)固體氧化物制氫:固體氧化物制氫技術可節能20%~30%,并且不需要貴重金屬做電極。這大大降低了制氫的成本。發展提高制氫效率的低成本材料是該制氫方法的關鍵技術。在制氫時提高制氫安全性依然是該技術發展的關鍵。三種電解槽的優缺點對比見表1。
 
2.2 制氫裝置在風電寬功率波動條件下的適應性問題
風電制氫系統的功率輸出波動范圍非常大,制氫功率的波動會對制氫裝置產生一定影響,影響主要有兩個方面:一是大幅波動對裝備壽命的影響;二是對產品氣體純度的影響。制氫系統中陰極和陽極之間具有透水隔氣功能的薄膜布,防止氫氣和氧氣混合,但是仍有少量氫氣與氧氣滲入隔膜,所以電解裝置中裝有氫氧濃度分析儀,用來監測和保護,防止爆炸。
 
同時經實驗研究,在寬功率波動中,制氫低功率會導致產生的氣體不純,需要調整其他工藝參數保證制氫低功率下的安全運行,將電解液循環量與系統功率同比調節,能夠大大提高氣體純度。
 
所以針對制氫裝置在風功率波動條件下的適應性問題,改善電解槽結構,采用調節工藝參數的方法來提高制氫純度是保證系統安全性運行的關鍵技術問題,如采用電解液循環量與系統功率同比調節的方法實現制氫系統安全運行。
 
同時,與風電寬功率波動配套的風力發電機,合適的控制策略以及具有穩定電壓輸出能力的電力電子器件等都將是解決風電制氫寬功率波動問題的關鍵技術。
 
2.3 無機離子膜水電制氫技術
無機離子膜水電解制氫設備從根本上解決了上一代電解制氫設備由于采用原始的石棉膜片所產生的一系列問題。具有如下優點:
 
①先進的無機堿性離子膜。膜厚僅 0.2mm,且具有離子滲透性強,氫、氧氣體分離度高,陰陽兩電極的電阻值小的特點,因此膜電壓很低,又因電極的極間距幾乎為零,因此在增加電解電流密度時不會增加槽電壓,發熱量小,電解效率高,能耗大大降低。
②無機堿性離子膜不易破裂,在堿性溶液中不會發生溶解,其運行安全性比傳統電解槽高。
③電解液全自然循環設計,不再采用循環泵,不僅節約了泵類所消耗的能耗,也免除了大量繁瑣的維修及維護工作。
 
2.4 水電解制氫系統的節電技術
水電解制氫的關鍵是降低電解過程中的能耗,提高能源轉換效率。水電解制氫系統包括電解槽制氫和氫氣凈化兩個系統,電解槽水電解過程中,在電解液中加入添加劑,或低電流密度運行,可以降低氫氣生產單位電耗,節省用電。
 
針對電解液的材料進行改進和針對氫凈化系統的控制技術進行改進,均可減小耗電,提高制氫效率。目前商用電解槽法,能耗水平約為4.5~5.5kW•h/m3 H2(標準),能效在72%~82%。
 
目前,寬功率波動高效電解制氫系統亟需解決關鍵技術為電解槽結構的優化、電能輸入功率波動對電解槽性能影響、控制系統優化問題。
 
當前,國內外相關機構已開展了對水電解制氫裝置寬功率波動適應性的相關研究,中船七一八研究所的寧楠等針對KZDQ-20/3.2水電解制氫裝置在改變工作溫度、電解液循環量的基礎上做了實驗。
 
數據表明,在20%~100%負荷下的寬功率波動條件下運行水電解制氫系統,氧氣中氫的含量穩定在1.04%~1.10%之間,能夠滿足水電解系統的安全運行。
 
目前中國船舶重工集團已針對風電系統研發出全自動的柜體式風電制氫裝置,氫產量可達1.5N•m3/h,產品氫氣純度可達99.5%。寬功率電解池不但提高了風力發電系統效率,而且有助于電解制氫系統的安全運行。因此,在寬功率波動下,高效電解制氫設備的開發至關重要?,F有的一些主要制氫廠家的制氫設備參數見表2。
 
03
風電制氫的集成控制及安全
 
風電制氫作為一種新興產業,因其自身發展和生產性質特點,未形成固定形式,其運行管理包含氫氣制備、傳輸和應用環節中的安全服務工作,保證氫氣質量標準,降低各種損耗,提高經濟效益,確保運行安全和人身安全。
 
風電制氫-燃料電池系統由風力發電系統、電解制氫系統、壓縮儲氫系統、燃料電池系統及相關協調控制單元組成。風力發電系統及電解制氫系統通過判斷棄風量大小來確定是否開始制備氫氣;根據風電并網的容量和質量及本地負荷的實際需求和儲氫系統的運行情況等協調控制,決定了燃料電池系統與其他系統之間的工序協作。
 
在風電制氫產業鏈中,包括氫氣制備在內,氫能傳輸、應用以及加氫站各個環節都對消防、安全和管理提出了極高要求,包括氫氣的升壓、儲存和加注技術及其系統,除滿足耐壓特性外,對流速和流量信息有精確要求,同時還需滿足計量收費的要求。
 
3.1 電解制氫系統的控制
電解制氫系統控制主要包括輸出電壓控制、壓力控制、液位控制、電解槽溫度控制、電解槽循環量的控制、氫氧純度的控制等。輸入端經變壓器和整流柜整定出供電解槽使用的直流電源電,需要整流柜控制輸出電壓,保證制氫系統的運行功率在0~100%可調。
 
電解制氫設備設定可正常運行的工作壓力,確保設備起動后,壓力可以在50%~100%額定工作壓力范圍內可調。氫氣和氧氣可通過電解液液位控制實現隔離,避免發生爆炸。電解槽溫度控制是確保隔膜無損壞的關鍵。
 
電解液在系統內不斷循環以帶出設備產生的氣體和熱量,有效避免電解槽干燒現象。電解制氫設備中需加入氫氧濃度分析測試系統實現氫氣純度的監測和控制,若氫氣純度達不到要求時控制電解系統停止運行,防止爆炸,保證制氫安全。
 
3.2 儲氫系統的控制策略
現有氫能傳輸方式主要為高壓儲氫、液氫和固態儲運,有關氫氣大規模輸運管道的研究還在進行中。壓縮儲氫系統的控制策略主要包括充氫過程和供氫過程控制策略。壓縮儲氫系統包括緩沖瓶的壓力傳感器、高壓儲氫瓶的高壓壓力傳感器、溫度傳感器和供儲系統中的氫氣泄露傳感器等。供氫過程的控制主要通過給高壓儲氫裝置發送信號完成供氣過程,高壓儲氫裝置通過減壓器進行氫氣的釋放,在減壓器設有低壓壓力傳感器,可監測減壓器是否故障,保證儲氫供氣系統安全運行。
 
3.3 燃料電池和直流電源微網系統的控制策略
燃料電池發電系統主要包括輔助系統、散熱系統、主機系統等,燃料電池在收到系統的開關機命令后,輔助系統啟動并自檢,自檢成功后反饋燃料電池系統的最大輸出能力和最大加載能力,控制系統通過對變流器目標功率的控制,控制燃料電池系統的輸出功率。風電制氫與微網部分的基本控制框架如圖4所示。
 
 
 
圖4 風電制氫基本控制框架圖
 
針對風電制氫中主要應用直流電源的特點,開展相應的直流電源微網研究是目前的研究重點之一。直流電源微網由分布式發電單元、儲能裝置及負荷按照一定拓撲結構組成的網絡。
 
風電產生的電能可通過簡單的變流技術之后通過制氫的方式并入直流電源微網,通過儲氫系統和燃料電池完成電能的存儲轉換;電能再經升壓變流之后,在需要的時候為用戶負載或電網提供電能。微電網控制靈活、能源利用率高,適合風電制氫中電解負載對風能變化靈活調整和組合的特點,在解決寬功率范圍風能波動、高適應性能量轉換、離/并網切換、負荷供電可靠性上有著極大的優勢。
 
風電制氫技術中引入直流電源微網為分布式能源開發和多能耦合儲輸系統應用和研究提供了新的方向。在滿足本地用戶對電能質量和安全要求的同時,大大減小了對電力系統或分布式能源的影響。風電并網與離網的協同運行,既可使風能利用率提高,又可以減小對電網的沖擊,同時靈活地為用戶負載以及電網完成電能輸送,是一種靈活、可靠、環保的技術方案。
 
04
適應風電制氫的大容量電力電子裝置
 
隨著風電機組容量的不斷發展,相關的電力電子技術也在不斷的探究和完善,很多技術都在不斷地探索中,如充分利用電能的全功率變流技術、關于逆變器的調制策略、改善電能質量的網側濾波器技術和低電壓穿越技術等。
 
但是目前針對風電制氫的電力電子裝置研究較少,國內外只有少數學者展開了研究,由于風電制氫需要考慮風能的寬功率波動性對制氫效率以及制氫設備壽命的影響,而合適的電力電子器件可以在承受寬功率風電輸入的前提下,為制氫裝置提供較為穩定的電壓輸入,所以研究適合用于風電制氫的大容量、寬功率波動的電力電子器件也尤為重要。
 
在制氫輸入端的DC-DC變流器對風電制氫的影響很大,研究具有寬功率輸入承受能力以及穩定電壓輸出能力的DC-DC變流器將會大大提高制氫效率,是風電制氫的關鍵技術所在。
 
目前國內外針對風電制氫的電力電子裝置研究較少,周杰等對熱電領域的六種DC-DC變換器的優缺點進行了詳細分析,這為風電制氫的變流器結構提供了參考。徐琪等針對適用于風電制氫的Cuk變換器進行了數學建模,并對電解槽的負載特性進行了仿真分析,最后基于DSP搭建了Cuk變換器的實驗裝置,使用可編程直流電源電源模擬風電輸出,并采用改變電路占空比的方法保證輸出電壓穩定,使其滿足了電解槽負載的需求,為風電制氫的電力電子器件研究提供了參考。
 
總體來講,適應風電制氫的大容量電力電子裝置的研究仍處于起步階段,研究具有寬功率輸入承受能力、穩定電壓輸出能力的DC-DC變流器具有重大意義,適應大功率風電制氫的變流器拓撲結構、更穩定的控制系統等都將是未來研究的重要方向。
 
結論
本文對于風電制氫技術的發展進行了深入分析和總結。一方面風電制氫能改善風力發電大量“棄風”問題。另一方面氫能作為一種清潔高效能源在當前具有很大的應用潛力。氫氣是最重要的工業氣體和特種氣體,許多領域和行業有著廣泛的應用。
 
在倡導綠色發展的時代,氫能作為一種清潔能源有望得到巨大發展??傮w來講,以德國為代表的歐洲在風電制氫技術方面的發展相對較快,國內外相關研究相對較少,風電制氫技術的發展仍然面臨諸多關鍵問題,如成熟的風電制氫發電機結構、針對風電抗功率波動的電解槽優化、高壽命的燃料電池、大容量的儲氫設備以及安全的控制系統和適用于風電制氫的電力電子裝置等,都尚需加大研究力度,實現突破。

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