光伏发电制氢技术经济可行性研究

光伏发电制氢技术经济可行性研究

陈洪

大唐贵州发耳发电有限公司，贵州省六盘水市 553000

摘要：氢气作为一种清洁的二次能源，在我国的用途非常广泛，其不仅可以被当作能源使用到各行各业的供能之中，同时其还是一种非常重要的化工产品，被广泛的使用到石油、电子、冶金、医药及航天等行业。但在氢能的利用过程中，制约其发展的关键环节是制氢技术，因此，研究发现新型的制氢技术已经成为当今社会研究的热点。

关键词：光伏发电;制氢技术;应用

前言

氢作为重要的化工合成原料，在国内从上世纪60年代初就已经有相关研究开展，在这一阶段氢气更多的是作为工业产品出现。随着国内能源结构转型以及社会环保意识增强，氢气的能源属性得到了更多的关注，氢能作为一种清洁和高效的能源成为了当下能源领域研究的热点，同时电动汽车和燃料电池等下游技术领域的进步，也带动了氢能产业的快速发展。2019年6月，国际能源署发布题为《氢能的未来：抓住今天的机会》的产业报告，将当下一个时期称为氢能发展的关键机遇期。2019年我国政府工作报告也首次提到了推动加氢设施建设，因此氢能产业在国内将迎来一段持续的快速发展，氢能在推动经济和社会发展的作用将会愈发明显。

1氢能源特性

在传统能源领域之外，氢能以其清洁环保、来源广泛、电能具有良好的互生特性以及其适用于未来清洁电力供应及交通运输的特点，为能源供给提供了新的解决方案。简要来说，氢能源具有以下特点：

1. 来源广泛，清洁高效。氢元素是自然界中含量最丰富的元素，制取方式多样。氢的发热值为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍，比化石燃料、化工燃料和生物燃料的发热值都高，具有极好的燃烧特性，而且其燃烧产物只有水，环境友好。2）氢能通过燃料电池发电时，可不受卡诺循环限制，发电效率可以达到50%以上。同时燃料电池发电和电解水制氢/化石能源制氢技术的联合使用可以使电能或化石能源快速转化为高纯度的氢气，这样就实现了电能和氢能这种高品质的二次能源和一次能源的快速转化。因此氢能可以作为现有能源格局的重要补充，实现多种能源互联。3）氢能作为能量储存的媒介，相比电化学储能和热储能更适合大规模、长距离和长周期储存。结合目前难以消纳的风电和光电，可以在有效解决弃风和弃光问题的同时，明显减低制氢成本。

2国内氢能生产消费现状

氢能的产业链较长，一般来说包括制氢、储存、运输、加氢和终端应用等环节，涉及到化工、电力、交通运输和汽车等多个领域。在全球范围来看，氢能工业市场主要在亚太、北美和欧洲，其中亚太地区工业氢气生产量为世界首位，2017年生产规模为1071.36亿美元，几乎等于北美及欧洲市场的总和。受到能源结构的转型和交通运输领域氢动力汽车的促进作用，中国氢气产业快速发展，逐年保持上升势头，氢气产量年均增长率持续增加，产量和需求量均为世界第一。

3光伏制氢技术路线

光伏发电制氢主要利用光伏发电系统所发直流电直接供应制氢站制氢用电。光伏直流发电系统相比传统电站减少了逆变和升压的过程，主要设备设施包括光伏组件、汇流箱、支架、基础、接地装置等，光伏组件可根据制氢站输入电压和电流要求进行串、并连配置，从而提高系统效率。电解水制氢目前技术成熟、设备简单，运行和管理较为方便，制取氢气纯度较高，无污染，主要有3种技术路线。

碱性电解槽制氢。该种电解槽的结构简单，适合大规模制氢，价格较便宜，效率偏低约70%~80%，主要设备包括电源、阴阳极、横膈膜、电解液和电解槽箱体组成，电解液通常为氢氧化钠溶液，电解槽主要包括单极式和双极式。

聚合物薄膜电解槽（PEMElectrolyzer）制氢。效率较碱性电解槽效率更高，主要使用了离子交换技术。电解槽主要由聚合物薄膜、阴阳两电极组成，由于较高的质子传导性，聚合物薄膜电解槽工作电流可大大提高，从而提升电解效率。随着质子交换膜、电极贵金属技术进步，聚合物薄膜电解槽制氢成本将会大大降低。

固体氧化物电解槽（SolidOxideElectrolyzer）制氢。可在高温下工作，部分电能可由热能替代，效率高、成本低，固体氧化物电解槽是三种电解槽中效率最高的设备，反应后的废热可与汽轮机、制冷系统进行联合循环利用，提升效率，可达到90%。

电解水制氢技术路线成熟，目前未大规模推广关键因素为电价问题，以目前工业用电用来制氢成本过高，市场竞争力较差。

4制氢技术发展前景

4.1制氢工艺经济性分析

氢气作为一种二次新能源，是当今乃至未来最具开发潜力的能源之一，但存在两方面的因素制约氢能的发展，一是制氢原料，二是制氢途径。在我国，电力主要依靠燃煤电厂发电产生，电价受煤炭资源影响较大，水电解制氢虽然在原料资源上具有绝对优势，但需耗费大量电能，导致氢的生产成本太高，只有利用水电、风电或太阳能发电获得的电能时，水电解制氢才有可能在经济上具有真正的竞争能力。近年来，各种新型的生物制氢技术受到广泛关注，尤其是对生物质热解或者水解后的液相产物进行催化重整制氢的工艺，显著提高了制氢效率。但在反应过程中催化剂的作用显著，其组分、结构和制备方法均能影响原料转化率、氢气产率及选择性。因此，开发高活性的催化剂以及如何将生物质制氢技术有效进行商业化也是当前面临的较大难题。此外，我国属于贫油少气国家，而天然气蒸汽重整制氢技术和重油部分氧化制氢适合建立在石油、天然气富集地区，我国部分地区如延安、新疆等采用此法比较可行，但大规模利用该法制氢不仅使得设备投资费用高，而且不符合我国具体国情。然而，我国煤炭资源丰富，煤炭资源占能源资源的７５％以上，在我国的化石能源结构中占９4％，且大部分煤种属宜用作气化原料的烟煤，因此，煤炭在我国一次能源结构中的重要地位决定了在我国以煤为原料进行气化制氢技术具有巨大的资源优势。从环保角度来讲，煤气化制氢过程中伴随着大量二氧化碳气体的排放，给环境带来较大压力。因此，煤气化制氢技术与二氧化碳捕获及封存（ＣＣＳ）技术要取得协同发展。近年来，甲醇裂解制氢在我国南方地区应用较广，由于其技术、环保优势明显，已成为当下研究的热点内容之一，为加强其制氢效率，降低原材料成本，许多学者对于提高其催化剂活性、选择性以及解吸气和ＣＯ2回收等工艺技术进行了大量研究。

以1000Nm3/h水电解制氢为例，总投资约1400万元，按照1Nm3氢气消耗5kWh电能计算，不同电价测算制氢成本分析如表1。由此分析，光伏发电制氢电价控制在0.3元/千瓦时以下时，制氢成本才具有竞争力。按照目前市场价格进行测算，以100MW光伏发电直流系统造价如表2。

以一类资源区域为例，首年光伏利用小时数为1700小时计算，其他参数为：装机容量100MW，建设期1年，资本金投资比例20%，流动资金10元/kW，借款期限10年，还本付息方式为等额本息，长期贷款利率4.90%，折旧年限20年，残值率5%，维修费率0.5%，人员数量5，人工年平均工资7万元，福利费及其他70%，保险费率0.23%，材料费3元/kW，其他费用10元/kW。按照全部投资内部收益率满足8%反算电价，并分别分析计算造价为2.3亿、2亿、1.8亿、1.6亿元时的电价。通过计算，在满足全部投资内部收益率为8%时，不同造价下的电价如表3。

表1光伏发电制氢成本表

表2光伏发电直流系统造价

表3不同造价反算电价

4.2制氢工艺发展前景

我国的资源现状是“贫油少气富煤”，因此，国内现阶段主要的制氢形式仍然是煤气化制氢。但其生产过程不仅消耗大量化石燃料，而且排放大量温室气体。然而，通过可再生能源作为能量来源，可以实现氢气的环保、高效、大规模制备。但目前水电解制氢电力消耗较大，生物质制氢技术还不够成熟。着眼未来，制氢技术的发展必将以高效、清洁、低成本为目标。因此，不断进行技术创新，大力发展利用可再生能源的规模制氢和分布式制氢才是制氢技术绿色可持续发展的长久之计。此外，制氢技术的投资和建设也需要理性分析，现今制氢技术虽实现了突飞猛进的发展，但关键的技术问题还没有取得实质性解决。相比于其他能源，如煤炭、石油等，氢能在我国的整个能源领域占比相对较少，其现在发展和利用的热点是用作燃料电池。因此，对于制氢技术要进行合理慎重的投资建设。

结束语

光伏发电制氢在资源一类区域已具备经济可行性，较天然气制氢、甲醇制氢成本较低，随着光伏发电成本的持续下降，光伏发电制氢竞争力将进一步增强。光伏发电制氢工艺简单、运维难度低，制氢规模可根据场地和需求进行模块化组合，随着燃料电池技术的进步，分布式可再生能源制氢供应燃料电池也将是未来重要发展趋势。

参考文献：

[1]邹才能,张福东,郑德温,等.人工制氢及氢工业在我国“能源自主”中的战略地位[J].天然气工业，2019，39(01)：7-16.

[2]中国氢能联盟.中国氢能源及燃料电池产业白皮书[R].北京：中国氢能联盟,2019.

[3]叶其葳.工厂各种制氢工艺的比较和工业选用研究[D].上海：华东理工大学,2013.

[4]景春梅,何七香,欧训民.从日韩氢能产业看我国氢能发展[J].能源,2019(12):25-27.

[5]鲍金成,赵子亮,马秋玉.氢能技术发展趋势综述[J].汽车文摘,2020(2):6-11.