可再生能源制氢的瓶颈及对策探讨
发布日期：2020/1/23
可再生能源制氢的必要性及存在的问题
关于可再生能源制氢发展的背景，早在90年代初出来了概念。随着经济的发展，国家出现一些问题，一是需要进行能源转型，在这个大的背景下，按照《巴黎协定》的目标，要控制全球温升不超过2度，中国政府承诺2030年之后，碳排放不再增加。主要的手段就是要把化石燃料为主体的能源结构变为高效可再生能源体系，来实现减排。
二是国家能源安全，这个问题比较突出。从2018年开始，我国石油的进口量已经超过了4亿吨，对外依存度超过了70%，已经严重超过了国家能源安全的警戒线，势必要想办法去减少能源的对外依存度。
可再生能源制氢有它的优势，采用了可再生能源，以风光水等等可再生能源为载体，以氢气作为一个二次能源的载体，在能源转型中可以和电力互为补充，以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。
目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外，生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究，还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢，化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。
现在成熟的水电解制氢主要有两种，一是碱性水电解制氢，二是纯水电解制氢，如今固体氧化物电解水制氢技术现在也在研发的如火如荼，但是还没有达到工业化应用的水平。碱性电解水制氢技术相对比较成熟，可以大规模应用，工艺比较简单，成本比较低廉。纯水电解制氢比碱性制氢有更高的电流密度，结构更紧凑，更加安全可靠，更适用于小规模的制氢场合。
风、光发电有很大不确定性，包括水电有枯水期和丰水期，主要的特点是间歇性、波动性、随机性，尤其是风力发电随机性、波动性更加厉害。很难为负载提供一个持续稳定的电力供应，我国风光资源非常丰富，但是由于电网难以承受，风光资源的开发还受到一定影响。尽管我国风、光发电是全世界发展最快的，可能规模也是最大的，但是还有很多资源有待于开发。
要用可再生能源制氢来去解决这样的问题，主要还是要解决几方面的问题：一是宽功率的调整范围，根据它的波动性和不确定性，整个制氢系统需要有一个比较宽的功率调整范围；二是从电力上来讲，电力耦合，想办法把波动降到最小，适应制氢系统的需要。整个系统需要有一个大的控制系统，如果大规模制氢的话，大规模制氢工厂有一个大的控制系统来进行实时检测与测量、数据通讯和传输，还有控制策略的实现等等。最主要的是制氢设备，制氢设备需要能够适应宽功率波动的高效低成本的制氢系统，才能有可能实现大规模的制氢。
中船重工718所制氢技术
中船重工718所主要是做水电解制氢的研究和生产单位，从2011年开始，陆续参加了很多国家863计划，中央财政支持的一些重点高校的学科建设，政府间的一些合作项目，已经一些省级的科技重大专项等等。针对风电光伏的制氢怎么样适应宽功率的波动，怎么适合不同场合下的应用，开展了一些研究，也取得了一些成果。
碱性电解水技术相对成熟，寿命比较长，使用寿命可以达到20年，操作范围负荷的变化从10%-110%，可能需要多模块的控制策略才能实现。与其他技术相比，碱性电解水没有使用贵金属材料，成本相对比较低，适合于大规模的制氢场合。但是传统的碱性水电解技术有一定的局限性，主要发展瓶颈在工作电流密度比较低，能源效率还有待于提高。传统碱性电解槽早期使用的时候是石棉布和膜，后面使用的是有机材料编织的隔膜，这种隔膜的性能也造成了它整个系统难以比较快速的启动或者关闭，启动和关闭需要一定的时间。
下一步的工作，718所主要做一些高活性的模块化的电解制氢设备制造，里面主要是包括了一些用高活性的电极来替代传统的电极，用新型的无机有机的复合材料隔膜来替代原来编织的隔膜，能够提高整个电解槽的电解效率，也减少它的体积和重量。对可再生能源无规律的波动性也会有更好的适用性。
另外，要做宽功率波动下的模块化和组合式电解水制氢系统的运行控制策略，要做可再生能源制氢，目标是做大规模的可再生能源制氢，一个工厂可能会有几百台的制氢设备，需要有一个合理的控制软件，制定好合理的控制策略。这可能会减少单体电解槽对波动的适用性的要求。
近几年718所做了很多工作，做了一些新的电极和隔膜，新的电极和隔膜的组合可以使碱性电解槽的电流密度达到6000安培以上。在额定的4000安培的工况下，直流电耗可以降到4.3以下，这个就比传统的电解槽功效要提高2-3倍。跟纯水相比，有一个很大的进步，也对功率的波动影响能够降到比较小，提高气体的纯度。
纯水电解的优点，在装置中运行的灵活性和反应性都比较好。PEM电解系统可以在最低功率保持待机模式，能在短时间内按高于额定负荷的标准运行，它可以适应比较快速、范围比较大的变化，更容易跟可再生能源风、光资源去配合。但是它的缺点是设备成本比较高，使用贵金属催化剂，国内系统大多使用的是进口的质子交换膜，膜的国产化还有一些问题。它的优点在于适合小规模的分布式制氢的场所，目前国内最大产量只能做到单台100立方米的氢气，碱性可以做到1000立方米的氢气，还有一个量级的差别。
它的主要解决对策，还是要做低载量高性能膜电极组件，减少膜电极组件里面贵金属的使用量。这方面是跟燃料电池的膜电极组件有非常高的相似性。一是要做国产的膜，一是要降低电极的贵金属的使用量。通过研制高活性、高稳定性、低成本的阴极和阳极的催化剂，有效降低膜组件的成本，使整个电解系统成本下降。
此外，因为纯水电解的单体容量比较小，势必就要开发大容量的、集成式的电解制氢设备，用多台电解槽配合一台气体设备来做，纯水电解是一个发展方向。在这方面，718所做了很多电极隔膜的研制工作，现在做的高活性吸氢吸氧的催化剂，膜电极尺寸最大可以做到1米×1米，可以满足单台100立方米产氢量制氢设备的需要。
如何解决可再生能源储运难题、成本难题？
另外，可再生能源制氢的技术瓶颈，储运和大规模的储存运输也存在一定的问题。大部分的风光电往往建设在远离氢能应用终端比较偏远的地区，像我国的三北地区、东北地区、西北地区，离经济发达地区有一定的距离，离终端的用户可能比较远。
今后的发展方向，一是要发展低温液氢的储运技术，二是如果要实现大规模的使用的话，天然气掺氢的技术也是下一步应该做的一个方向。另外，在将来有很大规模的氢能应用的时候，氢能能够代替天然气来做居民的燃气的时候，也需要做长距离的氢气管道的输送技术。这些技术可能现在更多的还没有相关的标准法规体系，标准法规体系也需要完善。
在整个大规模制氢的成本方面，现在可再生能源制氢的成本主要有三个比较大的瓶颈：一是整体来说，各个地方的电价还不够低，因为要用水电解的设备，水电解制氢的设备主要成本就是电，电价不够低是它的瓶颈之一；二是应用的场景还不够多；三是使用的规模还不够大，规模小，也一定程度上导致了电价很难下降。
张家口市政府给可再生能源制氢制定了一些特殊的政策，也有了比较低的电价。但这只是示范，在整个国家层面上，电价还是相对比较高。应该从以下这几个方面来解决这些问题，主要解决场景和规模的问题。要鼓励发展氢能基础设施，同时通过研发和技术进步，降低绿色氢气的供应成本，这个主要是通过大规模的风电光伏资源的开发，带动发电成本进一步降低。
二是应该将氢能用于低碳密集型行业，可再生能源制氢的应用，现在大部分还限于燃料电池的应用场景。在其他的工业领域，包括石化领域，包括以前的传统用氢的领域，也应该想办法用可再生能源氢气来替代原来用化石能源制取的氢气，来实现减排，这能够使氢气的规模能够得到有效的扩大。另外就是开发一些用氢气和二氧化碳合成的产品，包括一些化工产品，也能扩大氢气的使用场合。同时在建设的时候要尽量考虑将生产氢气的场合和使用氢气的场合缩短距离，以降低它的运输成本。
给发展氢能政策上的建议
对于政策方面的建议，我国制定了很多氢能方面的一些政策。各个省级政府也制定了很多氢能发展规划和相应的行动计划，还包括一些地市级或者省级以下的这些地方政府也制定了很多氢能的规划、措施等等。但是这些规划、措施有一个共同的特点，这些规划、措施都不是把氢能作为一个能源，而是作为基本上基于燃料电池行业的应用提出来的。
氢能没有真正的纳入国家能源战略体系，没有从战略上来考虑，用可再生能源制氢来代替传统的化石能源，在这方面可能还有很长的路要走。另外各个地方政府虽然出台了一些规划，大部分局限在交通领域，没有在传统的工业领域、能源领域出台鼓励用绿氢代替化石能源的引导和激励措施。还有，氢能行业整体的监管政策还不完善，直接与可再生能源制氢相关的政策还比较少，这些鼓励政策大部分都是鼓励燃料电池生产或者燃料电池汽车的生产，很少有对制氢和运氢的环节来进行补贴的一些措施。
对此，蒋亚雄建议：第一是将氢能纳入国家能源战略体系，从国家能源安全的战略层面提倡用可再生能源制氢，来部分替代传统化石能源，以改善整体的能源体系结构，减少对化石能源的依赖。
第二，在出台氢能政策规划时，应该从多方面强化用绿氢代替传统化石能源，进行大规模应用引导和鼓励措施。氢能的优惠补贴政策也应该适当的考虑可再生能源制氢和用氢的各个环节。
第三，加强技术标准的研究制定，完善氢能行业的监管政策法规，加强行业监管，确保行业的健康发展。可再生能源制氢有很好的发展前景。随着我国可再生能源发电量的提高，还有可再生能源制氢成本竞争力的提升，可再生能源制氢一定会在以后的能源结构中占有一席之地，能够起到越来越的作用，也能逐步从灰氢过渡到绿氢，实现碳的减排和改善国家能源体系这么一个重任。
来源：高工氢燃料电池
