“双碳目标”下可再生能源制氢技术综述及前景展望

氢储能作为长期储能技术具有良好发展前景，我国“十四五”规划将氢能发展作为长期发展战略，其中重点要提高电解水制氢转化效率，改善电解槽电堆、电极等的设计和制造工艺，加强可再生能源与氢能耦合以促进我国“双碳目标”的实现。

基于可再生能源发展不平衡的矛盾，及风电、光伏等可再生能源波动性和间歇性特点，配置储能系统是解决当前大规模弃风、弃光问题的有效手段，开发新型高效的储能方式不仅可以进一步提高电力系统灵活性，也是解决我国可再生能源发电量过剩最根本的办法。

氢能是一种理想的能量储存介质，采用氢储能技术可有效解决我国可再生能源消纳及并网稳定性问题。通过弃风、弃光电力电解水制氢技术实现电氢转换，合理利用弃风、弃光能源，同时平抑可再生能源并网波动，实现能源的时空平移。

在低碳发展和能源转型的大背景下，“十四五”期间氢能产业将迎来重要的机遇。宁夏宝丰“太阳能电解水制氢综合示范项目”引进单套产能1000m³/h的电解槽设备，绿氢综合制造成本为0.7元/m³，装置年产2亿m³氢气+1亿m³氧气；吉林风光电结合海水制氢技术前期研究预计总装机容量400MW，其中示范制氢10MW;河北沽源风电制氢综合利用示范项目一期年底投产后可形成年制氢700.8万m³，是全球最大风电制氢项目。

基于我国可再生能源制氢技术难题及氢能发展瓶颈，本文通过分析国内外可再生能源制氢技术现状，对可再生能源电解水制氢技术归类整理，分别综述风电制氢、太阳能制氢及风光耦合制氢技术，总结各类规模化制氢技术特点，结合我国“双碳目标”及“十四五”氢能规划要求，对我国“双碳目标”下可再生能源制取绿氢技术前景及趋势进行展望。

由表1可以看出:碱性电解槽技术相对比较成熟，可以应用于大规模制氢，且工艺简单，成本低，但其难以快速启动及适应变载，无法快速调节制氢速率，与可再生能源发电适配性较差;

电解水制氢工艺近年来发展迅猛，不断突破技术瓶颈，并有大批规模化电解水制氢项目落地，为可再生能源电解水制氢技术提供了实践支撑。目前国内可再生能源电解水制氢以碱性电解水制氢技术为主，国外质子交换膜电解水制氢技术应用实例较多。加拿大20MW项目作为全球最大的质子交换膜电解水制氢项目可实现日产氢8640kg，该项目所采用的即为5MW质子交换膜电解水制氢设备；丹麦1.2MW项目采用就地制氢的方案，在风电场附近建立制氢、储氢、氢气管道输出一体化电解水制氢站，用于制取绿氢及配合可再生能源风电消纳，同样采用的质子交换膜电解水制氢技术。我国应重视质子交换膜电解水制氢技术的发展，重点突破质子交换膜电解槽的催化剂技术、双极板材料、膜电极等关键技术和部件的研发和制造技术，通关提高催化剂效率降低质子交换膜电解水制氢成本，通过研发制造更高性能的双极板材料提高质子交换膜电解槽的使用寿命。

质子交换膜电解槽负荷范围宽，运行更加灵活，更适用于平抑可再生能源并网的波动性，且冷启动时间相较于碱性电解水制氢技术快一倍以上，适用于交通、航空等需要快速启动的领域，但当前技术还未实现大的突破，难以实现大规模商业化制氢;

固体氧化物电解制氢技术应用相较前者少的多，距离规模化制氢应用尚需相关材料和催化剂技术进一步攻关，但其能耗低、能量转换效率高的优点将使其在未来成为主流可再生能源规模化制氢技术，因此我国应提前布局新兴电解槽技术，攻关固体氧化物电解制氢技术难点。

传统的电解水制氢技术在发电环节多采用火电，伴随着大量碳排放，而可再生能源制氢采用的是风电、光电等能源，是真正意义上的绿氢制取技术。下面分别以2类典型可再生能源制氢技术展开，介绍其基本原理与系统架构，并总结国内外学者研究现状，对我国可再生能源制氢技术进一步发展提供借鉴和参考。

2.1 风电制氢技术

在风电制氢系统中，风力发电系统主要分为涡轮、涡轮发动机室、下部风力涡轮3个部分。风机开始阶段捕获风能并带动风车驱动器运行，完成启动。当风机启动后，转子转速升高，发电机定子侧输出功率降低，风力发电机组的主要任务是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。

风力发电制氢系统根据与电网连接情况可以分为并网型风电制氢系统和离网型风电制氢系统，目前我国离网条件下风电耦合制氢技术尚处于起步阶段，大多采用并网型风电耦合制氢系统，整体系统结构如图1所示，包括风力发电机组、储能变流器(power conversion system，PCS)能量转换及控制系统、电解槽制氢模块、氢气压缩机、高压储氢罐等部分。

图1 风电并网制氢系统结构图

从已有研究可知，风电资源用于大规模制氢及提高风电消纳在经济效益上是完全可行的，且全过程近乎零碳排放，无污染，因此，风电制氢技术具有很好的应用前景。

此外，远海风力资源丰富，可用于发展更大装机容量的风电场，国外学者LloydJames等人提出整合电解制氢与海上风电资源，将电解制氢装置集成到海上风电发电项目中，防止海上风力涡轮发电机与陆地连接点之间所产生的运输损失和因电力转换而造成的能源损失;国内学者邵志芳等人对我国某地海上风电场规模化制氢进行了可行性综合评价，提出海上风电规模化制氢具有很好的社会前景。

国内外大批风电制氢项目的落地也为风电制氢技术提供了工程支撑，2014年国家863项目“风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范”启动，该项目中制氢功率为100kW，燃料电池发电为30kW;同年，“氢储能关键技术及其在新能源接入中的应用研究”项目启动，该项目涉及30kW光伏模拟模块，2m3/h碱性电解水制氢、16m3固态金属合金储氢以及10kW质子交换膜燃料电池模块;2015年河北建投新能源展开中德合作项目沽源风电制氢项目，该项目投建10MW电解水制氢系统配合200MW风电场制氢，具有年制氢1752万m3的生产能力。因此，风电制氢技术将在我国实现“双碳目标”的道路上起到至关重要的作用，不仅可提供大量氢能源，还副产多种有直接经济效益的产品，风电制氢技术对未来产业发展意义重大。

2.2　光伏发电制氢技术

光伏发电制氢即将太阳能面板转化的电能供给电解槽系统电解水制氢，系统整体结构类似风力发电制氢系统。其中，光伏发电技术主要是基于半导体的光电效应，即让不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。首先由光子转化为电子、光能量转化为电能量，最后形成电压。光伏发电的主要核心元件是太阳能电池，其他还包含有蓄电池组、控制器等元件，系统整体结构如图2所示。

图2 光伏发电制氢系统结构图

随着我国可再生能源的迅猛发展及国家政策的大力支持，光伏发电相关技术及建设规模已达世界领先水平，光伏发电成本持续下降，因此在我国能源清洁化转型进程中，光伏＋氢的组合将在脱碳减排工作中扮演不可或缺的角色。

在现有理论研究基础上，国内政策积极推动了相关项目的实施落地。鄂尔多斯市准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目配置了40万kW光伏、1万t/a电解水制氢、8～10座35 MPa加氢站和500辆氢能重卡，该项目被列入内蒙古自治区2021年度风光氢一体化示范项目清单，有望助力内蒙地区加速碳中和进程；2021年凯豪达氢自主设计生产的一期制氢项目－光伏制氢与燃料电池热电联供系统装置，完成调试验收工作，该装置由太阳能光伏发电、电解水制氢、储氢罐、燃料电池热电联供系统组成，不仅能解决新能源消纳问题，还能为偏远地区供热供电，对天然气掺氢的应用场景也有重要的示范作用。

2.3　风光互补发电制氢技术/多能耦合发电制氢

众多研究案例表明，在发电机组容量相同时，风光互补发电制氢储能系统相较于单一含有风电或光伏发电制氢的系统具有以下优点：

• 利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；

• 在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量；

• 通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益，符合脱碳减排理念。因此，多种可再生能源互补耦合发电制氢将是我国实现“双碳目标”的重要手段。

  
  

风光互补耦合发电制氢系统由风力发电系统、太阳能发电系统、电解水制氢装置及氢能储存和利用系统组成，系统总体框架如图3所示。

图3 风光互补耦合发电制氢系统结构图