薛志恒:金风波动管理技术可以有效化解能源波动性这一制氢行业的核心痛点

能见App 2023年10月19日 4269

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。

10月18日上午, 金风绿色能源化工科技(江苏)有限公司战略市场开发部副部长薛志恒在“氢能与新能源产业高质量发展论坛”上发表了题目为《新能源制加氢一体化产品和解决方案》的主旨发言。

以下为演讲全文:

关于市场这一块,金风科技作为一个在电力行业耕耘20多年的企业,想说一下自己的看法。大家知道我国在2005年颁布了《可再生能源法案》,目前已过去18年的时间,减碳路线一直是围绕可再生能源+电气化策略。在电源侧大力鼓励发展各种可再生能源发电,比如风电、光伏,还有比较小众的生物质。除此之外,还包括一些其他的非化石电力,核电、水电。另外一端扩大了电力在能源消费当中的应用场景,采用这么一个方式去降低整个社会的碳排放。

在过去十几年的时间里,我们更多着眼点还是从电力角度来解决减碳的问题。结果表现在,电力部门非化石能源比例持续提升,以及在终端能源消费领域电能比重持续提升。之前的车都是烧汽油,现在逐渐过渡到电车。还有轮船在停港靠岸的时候,之前采用内燃机提供靠港动力,现在使用岸电。还有航空业,飞机在落地以后滑行过程当中现在更多使用航空燃料进行相应的动力提供,以后也会使用港电。这些策略不断减少化石燃料消耗,基本上是这么一个逻辑。

但我们也不难发现,可再生能源+电气化不是脱碳的全部。一方面,整个可再生能源渗透率以及电气化渗透率已经达到了很高的水平,但是我们发现有一些领域依旧没有办法来解决脱碳问题,比如化工、钢铁里面的一些工艺段。在当今这个时点需要一种与可再生能源+电气化并行的减碳路线,来解决上述场景当中没有办法用电力去决定脱碳的问题。而我们的解决方案,需要这么一个物质,能够将这些电力转化成其他的物质,把能量给储存起来,用于上述这些场景当中来解决脱碳问题。这样的一种载能物质,目前整个业界基本上都已经达成了共识,利用可再生能源来制取的绿氢。

整个市场呈指数性增长,不管是氢能总的需求量,还是绿氢的需求量,特别是绿氢渗透率这一块未来将会迅速攀升,从2030年10%到2060年80%,目前渗透率不到1%。所对应电解槽设备这一块,说实在,整个电解槽还处在行业最原始阶段。2022年整个全球电解槽的装机量只有1GW,很像十几年前的风电。波动性电源连接电解槽,实际运行的项目当中存在很多问题,包括安全问题、运维问题、设备使用寿命问题。电解槽处在最初始的阶段,后面的市场无比庞大。数据显示,在“十四五”期间年负荷增长率可以达到54%,2030年整个电解槽市场能达到千亿级别。未来20年的时间里面,风光制氢作为绿氢生产主要场景,市场将会是一个万亿级别的存在。金风做了自己的决定,从传统风电行业跨界进入到制氢领域。

对于金风的解决方案有与众不同的一些点,很大程度上还是依托于20多年在风电领域所做的一些积累。正是这些产品和技术,为我们在风电制氢以及绿色化工工艺当中提供重大保障和支持。首先是智能风机对于电解槽有实时感应调节,为下端制氢提供稳定电力供应。同时,金风有自己的化学储能产品,我们自己的产品和风机电解槽形成更高程度的适配性,成为整个系统里面调峰调频的关键因素。

对于制氢控制系统,单独研发了制氢控制系统,可以形成联动得到更加平稳的电解环境。此外,针对风力发电以及电解槽产品,通过对电解槽核心技术的研发能够使它与风机有更好的协同性。如果说我们把氢能看作成一个中间产物,对于氢能往下来延伸,各个种类碳氢化合物场景非常广阔,而且量非常巨大。金风正是看到了这一点,所以致力于把整个电力行业和化工一些技术打通,在各个场景当中形成自己的一套工艺路线。

重点说一下能源波动性管理技术。绿电制氢行业有很多痛点,这是非常核心的痛点。碱性电解槽虽然各个企业说自己的产品负荷波动范围能够达到30%-110%,甚至20%-120%,但是实际项目运行过程当中,对于风电秒级上下波动来说,对产品寿命损伤非常巨大。针对于这个痛点,金风开发了自己的波动管理技术,依托金风在风电整个链条当中一些关键技术提供支撑。智慧风机的技术,还有储能技术,包括强大的风功率预测。大家都知道对于下端电解槽来说风功率预测可以提供更为准确的出力曲线,让电解槽产品能够提前做出响应。此外,还有多能互补虚拟电厂技术以及智能制造数字化技术,正是这些能够让金风在波动性、可再生能源与制氢设备耦合运行过程当中有自己的一些成绩。

与金风合作的电解槽产品,通过与金风风机形成的优化联动去改良电解槽当中的一些工艺以及部件。电流分布方面的一些改善,可以让电流分布更好地匹配金风发电特性,防止风电所带来的局部温度过高或过低的现象,避免电解槽因温差所产生的变性。专用电压监测针对于风机的波动特性,每一个电解小室都会设置专业的电压监控,可以实时反馈到波动频次和幅度。对于流道内检装置,在流道内专门设置了一个检测装置,可以与风机机组形成联动感知,有效降低风电波动导致的氢中含氧现象。此外,针对风电分布式场景以及需求协同合作方专门研发了单片设计,以及切片式带压的电堆,可以实现在线维护以及很快速的进行单片替换。可以在电解槽运维过程当中和风电运维形成交互,大大增加制氢这个环节当中的年运行小时数。

关于解决方案,我们针对于现阶段氢储运有很大的困难,而且成本高的现状,提出来了制加氢一体化解决方案,更多提倡在制氢过程当中,把制出来的氢通过缓冲瓶和加压装置,在现场能够给槽车提供相应的加充,以及可以给车和船做加氢业务。电解槽设备采用了模块化设计,现场需要进行连接和拼装,大大提升整个施工效率,降低施工周期。制氢系统一拖三、一拖四的设计是整个行业共识,不展开去说了。

接下来把金风做的几个实际案例跟大家作简单分享。龙凤湖项目是很早期一批风电制氢项目之一,由金风旗下的天润新能在吉林做的项目开发,并且在当年取得核准。这个项目有一个特点,风电场和制氢站有很远的距离,大概28公里,采用了35千伏专线的形式来实现电能传输,在吉林省也是首例,期间克服了很多困难。这个项目是波动性风电与电解槽直连离网项目的一个典型,正是依托于这个项目金风在风电制氢、容量优化配置以及波动控制系统、制氢下游商业运行等方面做了很多课题,拿到了国家中央财政的课题补贴。

下面这个是金风目前正在做的项目,黑龙江七台河勃利项目。这个项目用了橇装式的电解槽设备,东北冬歇期比较长,在明年竣工产氢。生产出来的氢气一部分给到当地氢燃料大巴,另外一部分和当地战略合作伙伴一块探索新型化肥合成。

第三个项目大家也有所耳闻,在内蒙古做的世界级别绿氢化工联合工厂,兴安盟200万kW风电制50万吨绿电甲醇项目。目前这个项目体量非常大,制氢已经达到了年产大概10亿方级别。正是依托于这个项目,金风和国内一些化工龙头企业在工艺层面上进行了联合优化。在甲醇生产过程当中使生物制的消耗有别于传统生物制甲醇,将生物质消耗大大降低,整个流程更加简单,次生的污染比较少,绿色甲醇产品减碳率能够达到行业领先的水平。对于氢源和碳源的优化,电解水制氢、用氢的量、生物制的用量进行优化,使这里面的配置能够达到最优,经济性更强。依托金风波动性的控制能够有效感知下游化工整个工艺过程当中用能的需求,从而降低绿氢成本,为下游合成化工品成本提供相应的保障。

借今天这个机会想和大家分享一下金风在整个制氢领域的发展历程。最早项目已经追溯到2014年、2015年,依托于这个项目落实了创新研究以及市场探索工作,包括风电联合匹配性研究,还有风电制氢协调控制方面的研究。此外,风电制氢以及到下游各个品类,绿色化工品在商业可行性方面的分析。2021年金风正式把氢提升到了集团层面作为重点要发展的新业务,一方面和国内一众化工企业,致力于研究如何把风电行业技术和化工技术拉通。在全国做了大量调研,对于大型项目落地做了一些储备。到了2022年10月份,金风绿色能源化工公司正式成立,定位是北京和无锡两个中心,覆盖全国从三北地区到华南地区,全国的项目。

金风科技经过这几年的积累,可以提供电解槽核心材料联合研发。制氢工厂结合不同的场景,提供不同的支持方案,包括制氢站可以做一些工程的建设以及运维工作。制氢化工研究比较多,各个场景下可以提供一些商业方案咨询,同时自己也会投化工一些项目,生产绿色化工品以及产品生产和销售。最后,在上游端制氢电源做一些风光、生物质、电源相关的项目开发。

经过这几年的努力,金风已经成为全球能够实实在在落地风电制氢项目,并且已经有了实际运维经验的公司,整个过程当中我们遇到了不少困难,但是在解决困难的过程当中掌握了很多宝贵的数据以及经验。

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