龙翔飞:绿电制氢需要从整个系统角度去考虑系统控制、系统架构,做到电和氢的深度耦合

能见App 2023年10月19日 3439

2023年10月16日-20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, 阳光氢能科技有限公司解决方案总监龙翔飞在“氢能与新能源产业高质量发展论坛”上发表了题目为《可再生能源柔性制氢解决方案》的主旨发言。

以下为演讲全文:

现场的各位观众,大家好!我是阳光氢能解决方案总监龙翔飞,今天很荣幸有这个机会跟大家分享一下阳光氢能对于可再生能源柔性制氢解决方案的一些思考。

   作为一种理想能源, 氢能是帮我们实现碳中和一个重要的抓手,氢能发展的三大核心驱动因素:深度脱碳、能源安全、经济增长。可再生能源大规模发展也是为绿氢发展奠定了基础。今年6月份,国内电力装机,可以看到新能源占比接近50%,新能源大规模发展给我们绿电提供了电力来源。同时,新能源结构不断地提高催生了大规模、长周期以及跨季节长时间储量的需求。绿氢的发展也可以进一步促进可再生能源发展。氢能源作为一种媒介可以将可再生能源从电力引到工业、交通、建筑等领域。在电力领域,可以用氢燃汽轮机代替一部分。在交通、建筑领域,未来可以畅想有氢能交通、氢能社区等等。提供大规模、长周期、跨季节调峰的能力,来增强电网的稳定性。

氢能下游包括交通、电力、工业、建筑等场景。工业、交通为主要应用场景,预测2030年合成氨的市场规模将达到54.8亿美元。

绿电制取绿氢不是可再生能源与电解槽的简单结合,对电解水系统提出了更高的要求,调节速率和调节范围要求也会更高。从整个系统角度去考虑整个系统控制、系统架构,做到电和氢的深度耦合。

    上面展示的是传统制氢场景,直接从电网取电,采用单台套晶闸管电源等。晶闸管电源在恒功率场景下比较好,但是调节能力比较差,可再生能源制氢场景下对这一块做了升级。可再生能源风电、光伏、电网多种能源输入,柔性系统可以很好地响应这个波动,并且在下游的应用场景下,相比以前有了拓展,可以做到化工合成、钢铁、水泥等。

阳光氢能基于电子技术、电化学技术、能量管理技术以及控制技术,这4大技术打造了3款制氢的核心产品,IGBT的制氢电源以及软件层面智慧管理系统。

解决方案的特点是灵活、高效、友好,灵活指跟可再生能源耦合的过程中速度更快,条件更宽;高效指不仅从电解槽的效率,而是从整个系统角度能耗更低;友好是我们跟电网的结合以及用户操作和环境的友好。可再生能源典型的拓扑,通过光伏逆变器、变压器上网,到IGBT执行电源之后给电解槽提供电解水,最后产生的氢气再到下游应用。在这种场景下通过阳光氢能、智慧氢能和管理系统可以实现联动,上网电量可以设置不超过20%或者30%,可以做到不从电网取电。

    近海在岸集中项目的实施,目前也有向远海离岸发展的趋势。针对就地离网制氢,通过管道汇集氢气。未来随着风电投资成本下降,设备发电时长的增加,制氢设备能耗进一步降低,我们可以对制氢成本做一定展望。制氢的初始能耗是4.6度电,每年能耗降低2%。风电单位投资是4.5块/瓦,每年降低5%,风机每年性能提高2%。现在好的风电项目制氢的成本已经可以做到16块/千克左右,2030年成本可以做到10块/千克左右。目前柔性制氢的系统解决方案主要产品是IGBT制氢电源、碱性水电解槽、PEM电解槽等等。

    目前碱性电解水制氢设备比较成熟是1000标方/小时,有好几个项目应用正在产氢。优化整体流畅的结构,通过电机隔膜催化剂等材料,目前速率可以做到5%/秒,可以做到4.6度电/标方,如果愿意提升成本电耗可以继续降低。在友好这一块我们有一键启停功能,并且在整个运行过程中零排放。

    针对大型风光执行项目还开发了多对一方案,4台1000标方碱性电解槽对应一套4000纯化,通过这样的组合初始投资可以降低30%左右。这种组合方案对于整体电解槽质量提出了更高的要求,采用了多阀组分程控制、碱液流量变频控制。

    针对PEM电解制氢产品,成熟运行的产品是2000标方的PEM电解水,目前开发最大是500标方的设备。PEM电解水制氢设备负荷条件速率可以做到10%/秒,范围可以做到5%到110%,冷启热启时间都是分钟级的。跟我刚刚讲的碱性去对比,PEM在设备性能这一块有着非常大的优势,更适合跟风光项目做耦合。

    IGBT电源采用了阳光电源风电电流器技术,全球电源装机量达到340GW,全功率段转化效率大于97.5%,斜坡小于3%,大于0.99,有功无功能力可以一定程度上支撑电网。

    软件层面开发了智慧氢能管理系统,它是柔性制氢系统的“大脑”,可以实现多套执行设备之间以及系统和新能源系统之间联动。这套系统具备了运行监测、分析诊断、协调控制以及应用管理的功能。现在展示是这套系统在长江的应用,做了一体化系统集成和管理,通过系统间联动提升了整体运营效率和安全性。这个项目制出来的氢部分给氢能大巴加氢,另外一部分是油船,根据加氢的需求量提前在系统里面做好加氢计划来提升经济性。

    阳光氢能是致力成为绿电制氢系统及解决方案全球引领者。阳光电源在2016年成立氢能研究小组,开始对氢能实验的探索,在2019年正式成立氢能事业部,2020年在安徽合肥做了可再生能源制氢以及氢储能发电平台,跑通了绿电制氢的过程。电解水制氢综合测试平台在2021年投运,2022年GW级的工厂投产,200标方PEM电解水产氢。氢能这一块的技术研发人员超过100,申请氢能相关专利数量有200多项,授权专利有100多项,在国内排名靠前。右边展示目前获得的一些认证情况,获得了能效认证,制氢系统安全认证和制氢电源安全认证。

    阳光氢能具备目前行业最顶尖的设计仿真能力,可以做结构仿真、热仿真以及清洁效率仿真等等,对整个产品做全生命周期的管理,保证产品贴合客户的需求。在测试验证能力这一块具有自己的材料研究中心以及测试平台,材料研究中心可以对电解槽核心部件、电极、隔膜、催化剂做响应测试,综合测试平台可以对产品出厂前做产品综合测试。这是整个工厂内部的照片,最后一张图片是电解水制氢综合测试平台,这个平台目前可以支持4000标方产品测试。

    给各位分享一下目前在国内氢能的一些应用案例。大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目,配了36台碱性电解槽和PEM电解槽,整体采用绿氢消纳绿电。鄂尔多斯市上海庙经济开发区光伏制氢项目,这个项目应用在工业和交通领域,代替燃煤发电,除了减排二氧化碳以外对内蒙古的双碳实践和示范有重要的引领作用。

    湖北宜昌的绿电绿氢示范项目,200兆瓦PEM加上500千克每天的加氢装置,氢能油船示范项目,在前一段时间完成了氢能油船的首航。白城分布式发电制氢加氢一体化示范项目,4兆瓦的光伏加6兆瓦的风电,配上1000千克每天的加氢装置,给当地重卡加氢使用。

    内蒙古制氢加氢一体化示范项目,申报比较早,所以新能源没有和制氢项目放在一块。大连洁净海水制氢一体化项目,50兆瓦的光伏加上8台碱性的电源水设备,国内首个滩涂、储能、海水淡化制氢为一体的项目,这个项目目前正在实施。

以上就是我今天介绍的所有内容,谢谢!

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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