研究背景
目前風能和太陽能等可再生能源發(fā)電的難點在于發(fā)電的波動性，使發(fā)電高峰和用電高峰產生錯配，造成并網困難。通過電解制氫將可再生能源轉化成氫氣，可儲可轉，其應用模式可以抽象為Power to X（如圖1所示）， 實現(xiàn)電能到電能、電能到燃氣、電能到燃料、電能到化學品的多種轉換，能大大促進能源供應端融合，提升能源使用效率。為了促進綠色氫能的大規(guī)模應用，亟待開發(fā)低成本的可再生能源電解制氫技術。
圖1 可再生能源Power to X 模式
綜合氫氣儲運的經濟性、安全性和可靠性，根據市場可接受價格及美國能源部目標，氫的零售價約為4.5 $/kg。基于對商業(yè)化電解水制氫裝置的調研，以加氫站可接受的氫氣零售價格為目標，我們對可再生能源電解制氫成本進行了系統(tǒng)分析。
創(chuàng)新點及解決的問題
1.制氫成本分析
通過比較三種不同的電解制氫技術，隨著規(guī)模由1 MW增加至40 MW，不同電解制氫技術的平準化成本如圖2所示。
圖2 1MW與40MW規(guī)模下不同電解技術制氫成本比較
2.壓縮與液化成本分析
考慮到氫氣在常溫、常壓下能量密度低，要使氫氣成為一種能量載體，氫的體積能量密度需要大幅度提高，從氫全產業(yè)鏈來看壓縮與液化可增加整體經濟效益。
電解制氫并壓縮到700atm的總成本隨著電解系統(tǒng)輸出壓力的增加而下降，在固定成本投入無明顯增加的情況下高壓電解制氫可明顯降低其LCOH成本。在規(guī)模1MW的三個電解系統(tǒng)中，堿性30 atm電解制氫并壓縮至700atm的LCOH成本最低（5.1$/kg），成為最經濟的選擇。隨著裝置規(guī)模的擴大，高壓電解制氫的優(yōu)勢將更加明顯。
1MW電解槽規(guī)模下，液化裝置的固定成本支出占總生產成本的31%，液化過程幾乎使氫氣的平準化成本LCOH翻了一番，從4.8 $/kg增至8.7 $/kg。當電解制氫系統(tǒng)規(guī)模擴大40倍至40MW時，電解制氫并液化的氫氣平準化成本從4.0 $/kg增至5.3 $/kg，仍高于設定目標4.5$/kg。隨著規(guī)模的進一步增大，液化優(yōu)勢將越來越顯著。
3．可再生能源波動性對成本的影響分析
前面對穩(wěn)定電源輸入下的堿性與PEM電解制氫的成本進行了詳細的分析，由于可再生能源存在較大的波動性，該波動性源于諸如風、光的間斷式供應、不穩(wěn)定性以及季節(jié)性，風電機組的輸出功率和風速有關，光伏發(fā)電和氣溫、有無云遮擋太陽等基礎因素有關。風光的隨機性、間歇性使得它不像傳統(tǒng)的火力發(fā)電等常規(guī)發(fā)電機組的能量來源那樣根據需要來對發(fā)電進行靈活的控制，難以接入電網，引入儲能等調峰手段又會大大增加其成本，很多企業(yè)期望可再生能源直接電解制氫，以氫能形式存儲起來。如果風光波動性可再生能源直接為電解裝置提供電力供給，堿性與PEM電解裝置哪個更具經濟性？為了弄清這個問題，我們對40MW波動性太陽能用于電解制氫，采用出口壓力30atm堿性電解與30atm PEM電解裝置，對其制氫成本進行了對比，兩種電解裝置的性能參數(shù)及分析所用數(shù)據如表1所示。
圖3 可再生能源波動性對LCOH的影響
低于堿性電解裝置要求的最小負載20%的電量，無法使其啟動，而這部分能量在PEM電解中可以利用起來；PEM電解允許的最大負載為150%，而堿性電解裝置允許的最大負載為120%，40MW太陽能發(fā)電需要配套34.3MW堿性電解裝置，如配套PEM電解裝置則僅需26.8MW。
高壓（30atm） 34.3MW AEL與26.8MW PEM電解制氫平準化成本LCOH隨可再生能源波動性的敏感性變化如圖3所示。考慮到對堿性電解裝置<20%額定功率部分的能量無法啟動裝置，而該部分能量在PEM中可以得到利用，因此在分析可再生能源利用率的同時將功率波動性分為了>20%額定功率部分波動與<20%額定功率波動性兩部分，分析了>20%額定功率部分占比對LCOH成本的影響。
結論
增加制氫裝置規(guī)模、提高電解制氫出口壓力可降低氫氣的平準化成本；在波動性功率輸入時，適應低負載及過載的電解技術優(yōu)勢更加明顯。隨著堿性與PEM電解技術的不斷進步，二者的制氫成本優(yōu)劣需針對實際應用情況進行全面分析，以獲得最具經濟性的可再生能源制氫方案。
引用本文
郭秀盈, 李先明, 許壯, 何廣利, 繆平. 可再生能源電解制氫成本分析[J]. 儲能科學與技術, 2020, 9(3): 688-695.
GUO Xiuying , LI Xianming , XU Zhuang ,HE Guangli , MIAO Ping . Cost analysis of hydrogen production by electrolysis of renewable energy[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(3): 688-695.
