陆瑞:PEM电解水制氢技术与风光可再生能源的耦合,电解槽是核心的设备,电解槽性能将决定整个系统的稳定性

能见App 2023年10月19日 4495

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,康明斯(中国)投资有限公司/康明斯恩泽(广东)氢能源科技有限公司制氢电力业务负责人陆瑞在“氢能与新能源产业高质量发展论坛”上发表了题目为《PEM电解水制氢技术与风光可再生能源的耦合》的主旨发言。

    各位来宾、各位同仁,大家上午好!

   首先给各位领导汇报一下PEM电解水制氢技术这方面。市场主流有4种电解水制氢技术路线,分别是碱性的、PEM的、阴离子交换膜和SOEC。整个商业化应用程度比较高主要是碱性和质子交换膜,碱性是30%氢氧化钾溶液和复合膜结构,质子交换膜是纯水电解。两者都应用比较多,但是也有一定的区别,从密度来讲PEM稍微高一些,从系统能耗上看,碱性电解水大概在5-5.5左右,PEM大概在4.5到5.0左右。对可再生能源响应来讲,PEM技术原理响应比较快一些,所以可以实时响应可再生能源波动。

    当前主要产品来说,碱性目前来讲1000方的设备批量装机,有厂家在做1200、1500、2000,甚至有厂家提出来可以做到3000的水平。PEM存在国内与国外差异比较大,国外目前来讲是1000方的设备运行超过3年,国内200方在运行。

    PEM两个特点,可再生能源响应比较好,成本比较低,能耗比较低。从目前来讲,市场主要电解水制氢项目来说大部分都是PEM、碱水配套,既可以提升系统的稳定性,也可以提高系统的经济性。

    接下来主要汇报整个PEM电解槽以及核心结构。右上角是500方的电槽,目前全球最大的单槽,大家可以看到这个槽的形状以及尺寸。旁边这个图,槽每一片的电池结构。中间是MEA膜电机,两边有电压板,形成单片的电池,电堆有400多片单电池叠加起来。阳极是1,阴极采用碳质,催化剂主要是铂族金属。右下角展示整个制氢的流程,通水以后氢分子可以穿过质子交换膜,氧穿不过去,将氢气和氧气隔开分别进行分离。

    上面讲的是整个电堆,整个设备最核心,除了核心的设备以外还需要其他一些辅助设备,包括BOS以及BOP系统。从整个流程来说,电能通过变压器进行电堆通电给到电源,水采用自来水水质就可以经过水的纯化进入到电堆。这里面产生氢气和氧气,经过气液分离以及纯化系统产生了氢气和氧气,这是整套电堆系统。

    PEM有几个特点:电流密度大,占地面积比较小。因为电流密度大,所以占地面积比较小。PEM可以做到2以上,大概是这个电流密度。它动态响应比较快,操作范围比较宽。上面这个图是我们在实验室模拟的波形图,有单个的分电厂和直行分电厂,下面是我们在加拿大项目上截取的一段数据,后面还有展示。PEM大部分都是30或者40的压力,在某些项目上可以省压缩机的费用。

    下一步跟大家重点汇报一下整个PEM技术以及可再生能源耦合。讲耦合之前先讲两点,现在很多人提氢更偏向于提氢能,氢有双重属性,一方面是原材料,另一种作为能源介质,它是一个重要的媒介,可以把电力以二次能源的形式作为原料或者能源应用到千家万户、各行各业中。右边这个图是零碳情景下,各行业对于不同能源品类的需求。这里面有几个行业,化工、原料以及化工炼化过程以及钢铁,新型清洁能源在终端能源需求中占比将达到20%以上。

    在不同阶段氢扮演着重要的角色,第一个阶段第一个目标已经实现,新能源平价时代已经来临。第二个目标,石油、天然气这些能源将会消费达峰。在电力领域,天然气取代石油以及煤炭,从高碳走向低碳。第三从低碳走向零碳的时代。氢能、钢铁、化工、重型交通、船舶等等领域,可以帮助这些行业实现脱碳目标。

    我们也找到一些机构数据,从氢能源的结构来讲以煤制氢为主,大概占62%的比例,天然气在国内19%,工业副产18%,电解水制氢1%左右。随着可再生能源制氢,清洁氢或者绿氢比例越来越高,2030年绿氢可以到13%,2050年基本上达到70%,2060年基本上到80%以上的比例,整体上的增长趋势十分明显。

PEM制氢可再生能源市场方面的耦合。随着可再生能源目标快速发展,整个行业进步比较快,过去十年风电光伏成本分别下降了96%和88%,这个数据统计到2021年。2022年和2023年风电行业下降速度更大。

电解水制氢是电价占主要成本,这是一个非常好的事情,促进了整个电解水制氢行业发展。2022年氢气产量数据来源不太一样,我们统计大概3781万吨产量,同比增长14.5%,绿氢占比1%。虽然整个占比不是很多,在2022年这个项目比较多,绿氢发展趋势非常迅猛。截至2022年,全国已建成以及规划在建可再生能源制氢产能达到了410万吨,比例超过了10%。总共项目约52个。其中大部分都是以风电光伏制氢一体化的项目,总共有21个,占比约40%。预计到2030年我国氢气年均供应量达到4800万吨,电解水制氢约为1100万吨,占比大约25%。2050年需求预计在6000万吨以上,绿氢达到70%以上。

    左上角是煤化工主要基地,右上角是石油化工基地的分布,左下角是风电资源分布,右下角是光伏分布。煤化工、石油化工重合度很高,消纳和应用中心与可再生能源很接近,但是这里面存在很大的问题,虽然资源区域位比较接近,但是这些区域里面存在大量的灰氢和蓝氢,面临着跟低价氢气的竞争,这是比较大的问题。合成氨、合成甲醇偏向于燃料或者原材料的形式,所以这方面占了70%以上用途。

    下面这个图展示车辆,车辆发展比较快,截至到2022年车有3000多台,累计将近13000台车。虽然总量不是很高,但是增长率超过100%,整体趋势比较明显。刚才是偏向于原材料方面的应用,整个PEM可再生能源关于能源方面的耦合。绿氢可以作为电网可变负载,实时消纳/储存波峰能量,平顺电力使用端的随机性,成为源网荷储一体化,实现了氢能源属性的应用。

    有了市场方面的耦合还需要技术做支撑,风电、光伏可再生能源更偏向于物理学的属性,氢是一种化学行业,如何把物理学和化学产业结合起来?需要技术方面做支撑,我们做了氢电耦合技术用于支撑整个系统的稳定性。

    这是简单的逻辑图,左侧是电网侧,大家比较清楚,大家接触的都是风电光伏能源。右端是氢电耦合侧,比较复杂一些,EMS系统,一个是能量管理算法,第二平衡整个系统,保持系统的稳定性。它会对新能源发电功率进行预测,项目场站进行实时监测,有一套详细的算法,给储能用还是制氢,甚至有一部分可以上网,实现了两个系统从电到制氢整个能量的耦合。

    结合当前项目的情况我们列了3种情况,还有一种情况没有列进去。第一余电制氢,主电上网,余电制氢,特点是随机性比较大,可以看到整个制氢波动性和产量存在很大的变化。另一种是主电制氢,余电上网。2021年内蒙古自治区批的第一批七个项目都是这种形式,80%制氢,20%上网,这种方式现在偏向稳定,但是这种项目需要详细测算经济性。

    综合能源制氢,这种方式对于整个项目来说,不论从系统稳定性还是整个项目经济性可能是最好的,这种项目很多企业也在推,有一定的进展。大家现在提的比较多是离网制氢,我们也在做一些详细的方案,整个系统稳定性和经济性目前来讲有诸多的技术难点。

    支撑PEM制氢可再生能源耦合的技术或者技术解决方案。电解槽是核心的设备,电解槽性能将决定整个系统的稳定性。我们在加拿大项目上截取的一段数据,这个曲线有功率信号,也就是电力或者电网输电信号。这是制氢设备产氢的曲线,整体上耦合比较好,尤其在几个地方,有的地方从5%左右到78%,有的地方从95%左右直接跳到5%左右,整体响应比较及时,但是有些边边角角的地方会超出,整体可以实时响应电力变化。这是截取了一段数据的曲线,也是这个项目上的数据。

    有了市场和技术方面的支撑,评价一个项目很重要的特点是项目经济性。我们做了一个模型,电价3毛钱,项目规模20兆瓦制氢规模,整个设备利用率95%以上。可以看到无论是碱水还是PEM两者成本差不多,其次两者成本组成差不多,电费占了40%以上,PEM设备摊销偏高一些,但是整体上电费是其中最主要的因素。制氢项目核心几个因素,如果降低成本,一个是用电成本下降,第二设备利用率提高,第三项目规模增大。

    更细致的展示,电价、设备成本和系统利用率对整个氢价的影响。左边这个图电价在20美元,大概1.5毛左右的电价,列了不同的电解槽成本,500美金、200美金的价格情况下,随着系统利用率提高。利用率比较低的时候,我个人认为整个系统利用率低于2500以下,整个系统无论是哪种形式经济性都不是很好,设备利用率我建议做到5500以上,整个项目制氢成本会大幅降低。500美金或者200美金,随着利用率的提高,蓝氢基本上超过5000小时具备很强的竞争力。按照200美金的价格,200美金相当于现在碱水的价格,PEM需要一些时间达到这个价格。电力的成本分别按照10美元、20美元、40美元的价格来测算。

    跟刚才很类似,利用率比较低的情况下整个制氢成本比较高。上一张图展示了电价是制氢主要成本,它选了在10美元的时候,2500到3000小时具备蓝氢竞争,意味着电价会更大幅影响整个项目成本。但是我们比较建议这个项目开机率增大,至少5000以上的小时数,整体上成本会降低更多一些。

    作为整个项目来讲影响最大的就是电价,我们统计了一些不同制氢方式的成本。对于电解水制氢,当电价在3毛到4毛钱大概成本在20到30块钱一公斤,这个成本跟蓝氢有竞争力,但是跟灰氢价格相对偏高一些。随着碳中和目标的实现,可以达到6-7块钱以后我们完全具有竞争力。特别强调一点,关于清洁能源电价在1.5毛到3毛,很多项目可以算到1.5毛到3毛,为什么实际算出来的价格高一些?风电光伏不是一直在运行,它有利用率,电价降下来了,但是整个系统利用率没有提高所以导致成本偏高一些。

    康明斯是1919年成立,今年是康明斯第104年,康明斯在全球190多个国家和地区从事业务,全球大概有6万名员工。康明斯全球以及国内布局有五大事业部,发动机事业部大家听得比较多,康明斯发动机目前来讲是最大的发动机厂家。还有动力系统、零部件、分销、氢能、电动部门都在事业部。今年新能源事业部专门成立一个品牌,会进行独立的品牌运作。

    康明斯新能源在北京、上海、武汉、广东这几个地方布局。康明斯中国氢能源几个业务,电解水制氢设备(PEM),燃料电池,还有燃气。PEM有M、L、XL、XXL系列,目前成熟商业运用是M和L系列,M是200方到500方的产品,L是1000方的产品,未来有更大的产品系列走向市场。

    介绍几个案例,第一加拿大贝坎库尔项目,采用康明斯4套1000方的PEM设备,前3套在2020年已经运行,总计运行3年多的时间,最后一套在2021年运行,整体上千方的PEM已经非常成熟了,经过商业化的验证。这个项目整个占地面积不到500平,每天制氢能力8.6吨,最终客户生产氢气以后液化掉,卖到一些化工厂以及电子设备厂。

    第二,电力行业同仁比较有代表意义。看到这个图,电网端的可能会比较熟悉,相当于一个调度中心。这个项目是利用余电制氢,预测上游的发电侧,利用多余的电量进行制氢的项目。一方面削峰,另一方面后端有一些调频的作用。

    国内的项目,中国三峡集团做的项目,交付了2.5兆设备。另一个给中石化、中石油田做的项目,去年12月份正式投产,2.5兆瓦的设备。这两台设备都是在去年交付,中石化已经运行,三峡的应该会在今年年底或者明年初正式运行。

以上是我的汇报,由于时间的关系有些不细致的后续希望跟大家多多交流,谢谢大家!

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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