光氢耦合制氢技术在苏州地区探索应用

石 佳 严竹菁 丁 俊

国网苏州供电公司 江苏苏州 215000

现如今,发展氢能产业成为世界能源转型的重要途径,氢能的综合利用进入新的阶段。氢气可从水、化石燃料等物质中提取,是重要的工业原料和能源载体。随着能源紧缺和环境污染问题愈发凸显,寻找清洁的、便捷的、来源丰富的可再生能源成为全社会共同努力的目标[1-2]。

光伏制氢是实现“双碳”目标的重要途径。我国是世界上最大的能源生产和消费国,但能源结构单一,煤炭在能源系统中长期占据主导地位,化石资源的使用不可避免地排放二氧化碳(CO2),CO2会引起全球气候变化。随着太阳能光伏发电技术的成熟,成本日益降低,光伏发电并网的成本具备竞争力,大规模生产光伏发电的条件已经成熟[3]。加快发展光伏发电,既是转变发电方式、调整电源结构,实现可持续发展的战略选择之一,也是我国开发利用新能源的重要措施。光伏与氢能结合可以克服光伏的不稳定特点。

氢能的安全使用问题及燃料电池的技术、成本瓶颈已逐步取得突破,产业发展开始向商业化应用阶段探索。发展氢能产业是我国推动能源生产、消费和技术革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要支撑,也是践行新发展理念,推进社会经济绿色发展的重要途径[4-5]。氢能作为一种新兴产业,得到全国以及江苏省政府的大力支持,国家及省市都出台了相关发展规划及扶持政策。《江苏省氢能产业发展“十四五”规划》提出,到2025年,累计建成100座加氢站,燃料电池汽车规模达到1万辆,实现规模化示范,扩大氢能在交通、储能、电力、热力、钢铁、化工、通信、天然气管道混输等领域的推广应用。

本文通过采集苏州光伏资源数据,模拟光伏电站,建立可靠电力供应,研究新能源制氢技术。结合实际需求,研究适用于苏州的制氢技术路线和储氢储能技术。在前期模型搭建的基础上,优化光伏制氢的能源匹配度和稳定性耦合机制,研究商业模式。

1 光伏数据

考虑到环境、气象、日照等因素,就地选取苏州某光伏电站实测数据采样。本光伏电站目前实际装机8.7MW,年最大出力5.76MW,全年负荷采样及典型日负荷曲线详见下图1所示。

图2 制氢系统

2 光氢耦合制氢系统

2.1 光氢耦合制氢系统

电解水制氢是一种电化学反应,当直流电通过浸入液体或固体电解质中的两个电极会使水分解成氢气和氧气。光伏耦合制氢系统的仿真工作主要分为三块,分别是光伏发电、直流电转换控制和电解槽制氢。

为了建立可靠的光伏耦合电解水制氢模型,本研究所构建的系统部分采用了Matlab平台内已封装的物理模型,搭建了含光伏最大功率点跟踪的基本光伏系统。对电解槽组件的仿真依然沿用电解槽电流电压关系的函数方程组,将函数运算信息继承给一个等效电阻代替电解槽接入总系统电路中,电阻阻抗信息将会随系统电压、电流信息进行动态调节。这样做的目的是让电解槽组件作为电学模型加入整个系统当中,并形成组件间的联动。最终构建的系统模型有信号形式统一、模块化、易扩展和可复制等特点,为电解槽与多能源系统耦合仿真带来了便利。

2.2 系统各组件模块

2.2.1 光伏组件

光伏组件是由光伏电池串联和并联组成,并根据入射光强的增减改变输出。本研究中选用了光伏电池的单个二极管等效电路模型作为仿真基础模型。单个电池的电流电压关系可以表达为:

在这里Io是二极管的反向饱和电流,Iph是光生电流,T是光伏电池温度,n是理想因子,Rs是电池内部的串联阻抗,Rsh是电池内部的并联阻抗,k是玻尔兹曼常数,Q是电子电荷。

2.2.2 碱性电解槽组件

碱性电解槽的仿真建模参考了Alhassan Salami等人开发的数学模型,理论基础主要是依据Ulleberg的电解槽热力学模型。

ΔG=zFVrev

Vrev=ΔG/zF

公式中ΔG是基伯斯能量系数,z是电子常数,F是法拉第常数。在电解过程中,小室的工作电压V是可逆过电压Vrev、激活过电压Vact(即电极响应)以及电解质的欧姆过电压Vohm的总和,Vrev也可以看做是电解过程中所需的最小电压。

Vcell=Vrev+Vact+Vohm

式中s和t是过电势系数,r是与温度相关的欧姆电阻参数,T是温度,A是电极面积。

Oystein Ulleberg公式:

根据法拉第定律,法拉第效率可以表达为:

产氢效率:

氢气的体积流量可以用Nm3/h为单位表示如下:

2.3 系统模型

整个系统由三个部分构成:光伏、直流变换器和碱性电解槽。光强作为输入条件至光伏阵列,光伏根据光强产生相应的电流电压。直流变换器连接在光伏组件和电解槽之间,采用的是DC-DC升降压电路,其功能是根据负载的变化来调节光伏组件的输出,确保光伏组件始终保持在最大功率。直流变换器根据负载情况对电压进行调整从而影响电流,负载的反馈电流信息传入电解槽模块用来计算产氢量和电解槽的电压。系统通过光强的变化,实时调整负载状态,最终实现了光到电、电到氢的过程仿真模拟。

3 光伏制氢加氢站商业模式探究

张家港市积极开展氢能源产业发展谋划工作,推进氢能及燃料电池汽车的示范推进工作。张家港未来将不断完善氢能供应保障体系,预计将建成16座加氢站、5个制氢项目,故本课题选取加氢站作为研究场景。通过光伏太阳能设备产生清洁能源电力,电解水制氢,以成熟电解水制氢技术一次性制取年可供燃料电池车使用的高纯氢气(99.999%)。所制氢气将通过加氢站固定补给于清洁能源车辆使用,在满足此项目固定收益基础上,为当地做出税收闭环贡献,及助力本地节能减排工作进程。

3.1 系统框架

制氢系统由补水系统、碱液循环系统、电解槽、气液分离装置、氢气纯化装置等部分组成。

加氢站主要由供氢系统、压缩机、存储瓶组以及加注系统等部分组成。加氢站整体工艺流程如图3所示:

图3 加氢站系统

3.2 经济性分析

本项目总投资约6018.80万元,其中包含土建成本、设备购置费用购买费用,工程其他费用以及预备费等。其中加氢站土地约5000平方米,总价约175万;制氢厂需约2000平方米,建设在工业园区,土地价格在45万;土建价格含加氢站225万,及制氢站的175万。制氢设备价格在4380.00万元,加氢站购置成本在1600万左右,但根据《张家港氢能保障供应体系一期工程建设实施方案》,500kg以上加氢站建设补贴800万元,补贴后设备成本预计800万元。另含部分其他费用。

本项目拟用一年完成项目建设,包括生产设备的设计、购置及安装调试,人员的招聘培训等项目工作。完工后制氢设备将达年产200万方,加氢站将达到最大的日储集量。产品的销售价格预测是根据张家港地区2020、2021年历史价格做出的判断和预估。一方面,根据本项目定位于为张家港氢能产业服务的要求,氢气销售给张家港市燃料电池汽车时,价格为75元/kg。另一方面,氢气售卖给本地其他企业以及售卖给周边地区燃料电池汽车用时,价格均参考市场价格,售价为75元/kg(包运输),得到最终的销售收入。

根据市场销售情况和加氢站的最大储集量来考虑,建设年产371775kg、日产约为1018.5kg的制氢站。日加氢量1000kg的加氢站,剩余的18.5kg均售卖至本地企业及其他。

工艺设备投资按照2.5%残值,折旧期限40年计提折旧;基础建设投资按照5%残值,折旧期限20年计提折旧;土地按照50年的使用期进行核算。生产成本中,除折旧成本外,还包括直接材料费、项目功耗、直接工资及维修费等其他费用摊销等。主要耗材及能耗主要包括制氢设备功耗、加氢设备功耗、运输充装平台功耗以及站房、照明、辅助电源等其他功耗,以电费为0.372元/kW·h算,年均耗电费约588.6万元;产品每kg制高纯氢仅需水0.1方,工地用水1.5元/方,即每kg氢气用水成本0.15元,年耗水费约5.57万元。人工成本以本地人工每年平均花费40万元计算。包括运营、维护、管理费用。维修费用为设备维修及零配件处理等,每年30万元。运输成本,其中氢气运输成本为12元/kg。年平均运输费用446.1万元。销售及管理费用包括研发投入、销售拓展及其他管理费用,根据设备运行方式来核算。按照一年30万元费用计算。财务内部收益率(税后)为14.54%,财务净现值(Ic=3%)为5490.80万元,投资回收期为6.2年,投资利润率13.87%。从以上财务数据中可以看出,财务内部收益率大于等于基准收益率,项目可行,其毛利率达47.60%、净利率达34.76%,明项目的经济效益较好,盈利能力较强。

结语

本项目顺应能源、可再生资源变革趋势,开展氢气产业的示范项目,为项目公司积累经验的同时,也将带动苏州本地氢能产业发展,为苏州乃至江苏省经济发展注入新的动力,将取得良好的示范效果。