隨著(zhù)“十四五”電力規劃的實(shí)施，我國正加速能源清潔化轉型進(jìn)程，脫碳減排需求日益增長(cháng)，在“3060雙碳”戰略指導下，“十四五”期間風(fēng)電、光伏等可再生能源將迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)，可再生能源將逐步替代傳統化石能源占據能源領(lǐng)域主導地位。

基于可再生能源發(fā)展不平衡的矛盾，及風(fēng)電、光伏等可再生能源波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，配置儲能系統是解決當前大規模棄風(fēng)、棄光問(wèn)題的有效手段，開(kāi)發(fā)新型高效的儲能方式不僅可以進(jìn)一步提高電力系統靈活性，也是解決我國可再生能源發(fā)電量過(guò)剩最根本的辦法。

氫能是一種理想的能量?jì)Υ娼橘|(zhì)，采用氫儲能技術(shù)可有效解決我國可再生能源消納及并網(wǎng)穩定性問(wèn)題。通過(guò)棄風(fēng)、棄光電力電解水制氫技術(shù)實(shí)現電氫轉換，合理利用棄風(fēng)、棄光能源，同時(shí)平抑可再生能源并網(wǎng)波動(dòng)，實(shí)現能源的時(shí)空平移。

在低碳發(fā)展和能源轉型的大背景下，“十四五”期間氫能產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)重要的機遇。

寧夏寶豐“太陽(yáng)能電解水制氫綜合示范項目”引進(jìn)單套產(chǎn)能1000m3/h的電解槽設備，綠氫綜合制造成本為0.7元/m3，裝置年產(chǎn)2億m3氫氣+1億m3氧氣。

吉林風(fēng)光電結合海水制氫技術(shù)前期研究預計總裝機容量400MW，其中示范制氫10MW。

河北沽源風(fēng)電制氫綜合利用示范項目一期年底投產(chǎn)后可形成年制氫700.8萬(wàn)m3，是全球最大風(fēng)電制氫項目。

基于我國可再生能源制氫技術(shù)難題及氫能發(fā)展瓶頸，本文通過(guò)分析國內外可再生能源制氫技術(shù)現狀，對可再生能源電解水制氫技術(shù)歸類(lèi)整理，分別綜述風(fēng)電制氫、太陽(yáng)能制氫及風(fēng)光耦合制氫技術(shù)，總結各類(lèi)規?；茪浼夹g(shù)特點(diǎn)，結合我國“雙碳目標”及“十四五”氫能規劃要求，對我國“雙碳目標”下可再生能源制取綠氫技術(shù)前景及趨勢進(jìn)行展望。

電解水制氫氣技術(shù)及現狀

可再生能源制氫當前主流技術(shù)是采用電解水制氫，即將棄風(fēng)、棄光能源所發(fā)電力接入電解槽電解制氫，并通過(guò)儲氫罐等設備存儲為后續氫燃料電池發(fā)電做備用。

其中，電解槽根據電解質(zhì)的不同主要可以分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽3種，3種電解制氫技術(shù)各指標對比如表1所示。

表1 三種典型電解制氫技術(shù)對比

由表1可以看出:堿性電解槽技術(shù)相對比較成熟，可以應用于大規模制氫，且工藝簡(jiǎn)單，成本低，但其難以快速啟動(dòng)及適應變載，無(wú)法快速調節制氫速率，與可再生能源發(fā)電適配性較差。

質(zhì)子交換膜電解槽負荷范圍寬，運行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網(wǎng)的波動(dòng)性，且冷啟動(dòng)時(shí)間相較于堿性電解水制氫技術(shù)快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動(dòng)的領(lǐng)域，但當前技術(shù)還未實(shí)現大的突破，難以實(shí)現大規模商業(yè)化制氫。

固體氧化物電解制氫技術(shù)應用相較前者少的多，距離規?；茪鋺蒙行柘嚓P(guān)材料和催化劑技術(shù)進(jìn)一步攻關(guān)，但其能耗低、能量轉換效率高的優(yōu)點(diǎn)將使其在未來(lái)成為主流可再生能源規?；茪浼夹g(shù)，因此我國應提前布局新興電解槽技術(shù)，攻關(guān)固體氧化物電解制氫技術(shù)難點(diǎn)。

在我國氫能市場(chǎng)中，堿性電解水制氫技術(shù)占據著(zhù)主導地位，被更加廣泛地應用于各大型電解水制氫項目中。

近年來(lái)，因質(zhì)子交換膜電解槽運行更加靈活且負載范圍寬的特性，國內新建項目逐步轉為采用質(zhì)子交換膜技術(shù)耦合可再生能源發(fā)電進(jìn)行規?；茪?，因此，開(kāi)發(fā)新型電解槽技術(shù)，進(jìn)一步提高電解水制氫效率和穩定性。

電解水制氫工藝近年來(lái)發(fā)展迅猛，不斷突破技術(shù)瓶頸，并有大批規?；娊庵茪漤椖柯涞?，為可再生能源電解制氫技術(shù)提供了實(shí)踐支撐。目前國內可再生能源電解制氫以堿性電解水制氫技術(shù)為主，國外質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)應用實(shí)例較多。

加拿大20MW項目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項目可實(shí)現日產(chǎn)氫8640kg，該項目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設備。

丹麥1.2MW項目采用就地制氫的方案，在風(fēng)電場(chǎng)附近建立制氫、儲氫、氫氣管道輸出一體化電解水制氫站，用于制取綠氫及配合可再生能源風(fēng)電消納，同樣采用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。

因此，本文建議：我國應重視質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜電解槽的催化劑技術(shù)、雙極板材料、膜電極等關(guān)鍵技術(shù)和部件的研發(fā)和制造技術(shù)，通關(guān)提高催化劑效率降低質(zhì)子交換膜電解水制氫成本，通過(guò)研發(fā)制造更高性能的雙極板材料提高質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命。

目前，我國電解水裝置的安裝總量在 1500-2000套左右，電解水制氫年產(chǎn)量約9億m3，堿性電解水技術(shù)占絕對主導地位。

目前，國內堿性電解水設備的單臺產(chǎn)能最大可達1000m3/h，電解水設備制造廠(chǎng)家主要有中國船舶重工集團公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設備有限公司及蘇州競立制氫設備有限公司等。

可再生能源制氫技術(shù)分類(lèi)

傳統的電解水制氫在發(fā)電環(huán)節多采用火電，伴隨著(zhù)大量碳排放，而可再生能源制氫采用的是風(fēng)電、光電等能源，是真正意義上的綠氫制取技術(shù)。

下面分別以2類(lèi)典型可再生能源制氫技術(shù)展開(kāi)，介紹其基本原理與系統架構，并總結國內外學(xué)者研究現狀，對我國可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和參考。

1）風(fēng)電制氫技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電制氫系統根據與電網(wǎng)連接情況可以分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統，目前我國離網(wǎng)條件下風(fēng)電耦合制氫技術(shù)尚處于起步階段，大多采用并網(wǎng)型風(fēng)電耦合制氫系統，整體系統結構如圖1所示，包括風(fēng)力發(fā)電機組、儲能變流器(PCS)能量轉換及控制系統、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機、高壓儲氫罐等部分。

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)制氫系統結構圖

從已有研究可知，風(fēng)電資源用于大規模制氫及提高風(fēng)電消納在經(jīng)濟效益上是完全可行的，且全過(guò)程近乎零碳排放，無(wú)污染，因此，風(fēng)電制氫技術(shù)具有很好的應用前景。

此外，遠海風(fēng)力資源豐富，可用于發(fā)展更大裝機容量的風(fēng)電場(chǎng)，國外學(xué)者LloydJames等人提出整合電解制氫與海上風(fēng)電資源，將電解制氫裝置集成到海上風(fēng)電發(fā)電項目中，防止海上風(fēng)力渦輪發(fā)電機與陸地連接點(diǎn)之間所產(chǎn)生的運輸損失和因電力轉換而造成的能源損失。

國內學(xué)者邵志芳等人對我國某地海上風(fēng)電場(chǎng)規?；茪溥M(jìn)行了可行性綜合評價(jià)，提出海上風(fēng)電規?；茪渚哂泻芎玫纳鐣?huì )前景。

國內外大批風(fēng)電制氫項目的落地也為風(fēng)電制氫技術(shù)提供了工程支撐。

2014年，國家863項目“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統技術(shù)研究與示范”啟動(dòng)，該項目中制氫功率為100kW，燃料電池發(fā)電為30kW。

同年，“氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應用研究”項目啟動(dòng)，該項目涉及30kW光伏模擬模塊，2m3/h堿性電解水制氫、16m3固態(tài)金屬合金儲氫以及10kW質(zhì)子交換膜燃料電池模塊。

2015年，河北建投新能源展開(kāi)中德合作項目沽源風(fēng)電制氫項目，該項目投建10MW電解水制氫系統配合200MW風(fēng)電場(chǎng)制氫，具有年制氫1752萬(wàn)m3的生產(chǎn)能力。

因此，風(fēng)電制氫技術(shù)將在我國實(shí)現“雙碳目標”的道路上起到至關(guān)重要的作用，不僅可提供大量氫能源，還副產(chǎn)多種有直接經(jīng)濟效益的產(chǎn)品，風(fēng)電制氫技術(shù)對未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。

2）光伏發(fā)電制氫技術(shù)

光伏發(fā)電制氫即將太陽(yáng)能面板轉化的電能供給電解槽系統電解水制氫，系統整體結構類(lèi)似風(fēng)力發(fā)電制氫系統。其中，光伏發(fā)電技術(shù)主要是基于半導體的光電效應，光伏發(fā)電的主要核心元件是太陽(yáng)能電池，其他還包含有蓄電池組、控制器等元件，系統整體結構如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電制氫系統結構圖

隨著(zhù)我國可再生能源的迅猛發(fā)展及國家政策的大力支持，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)及建設規模已達世界領(lǐng)先水平，光伏發(fā)電成本持續下降，因此在我國能源清潔化轉型進(jìn)程中，光伏+氫的組合將在脫碳減排工作中扮演不可或缺的角色。 

在現有理論研究基礎上，國內政策積極推動(dòng)了相關(guān)項目的實(shí)施落地。

鄂爾多斯市準格爾旗納日松光伏制氫產(chǎn)業(yè)示范項目配置了40萬(wàn)kW光伏、1萬(wàn)t/a電解水制氫、8~10座35MPa加氫站和500輛氫能重卡，該項目被列入內蒙古自治區2021年度風(fēng)光氫一體化示范項目清單，有望助力內蒙地區加速碳中和進(jìn)程。

2021年，凱豪達氫自主設計生產(chǎn)的一期制氫項目光伏制氫與燃料電池熱電聯(lián)供系統裝置，完成調試驗收工作，該裝置由太陽(yáng)能光伏發(fā)電、電解水制氫、儲氫罐、燃料電池熱電聯(lián)供系統組成，不僅能解決新能源消納問(wèn)題，還能為偏遠地區供熱供電，對天然氣摻氫的應用場(chǎng)景也有重要的示范作用。

3）風(fēng)光互補發(fā)電制氫技術(shù)/多能耦合發(fā)電制氫

眾多研究案例表明，在發(fā)電機組容量相同時(shí)，風(fēng)光互補發(fā)電制氫儲能系統相較于單一含有風(fēng)電或光伏發(fā)電制氫的系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性;
• 在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量;
• 通過(guò)合理地設計與匹配，可以基本上由風(fēng)光互補發(fā)電系統供電，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油機發(fā)電機組等，可獲得較好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益，符合脫碳減排理念。因此，多種可再生能源互補耦合發(fā)電制氫將是我國實(shí)現“雙碳目標”的重要手段。

風(fēng)光互補耦合發(fā)電制氫系統由風(fēng)力發(fā)電系統、太陽(yáng)能發(fā)電系統、電解制氫裝置及氫能儲存和利用系統組成，系統總體框架如圖3所示。

近年來(lái)，國內學(xué)者開(kāi)始針對風(fēng)光互補耦合發(fā)電制氫技術(shù)展開(kāi)了研究，并開(kāi)始探索更多可再生能源實(shí)現多能耦合制氫系統的可行性。

2017年，楊衛華等人針對不同應用規模下風(fēng)光互補發(fā)電儲能系統進(jìn)行了優(yōu)化設計，提出需結合系統建設地點(diǎn)氣候環(huán)境，考慮風(fēng)機、光伏面板參數特性合理分配容量才可以最大化風(fēng)光資源利用率。

2018年，蔣康樂(lè )提出了一種風(fēng)光互補聯(lián)合制氫系統的環(huán)境效益評價(jià)方法，認為風(fēng)光互補聯(lián)合制氫系統在不同地區的利用對光照和風(fēng)力資源曲線(xiàn)的重視度不同。

2019年，陳建明等人分析了應用氫儲能技術(shù)來(lái)解決能源發(fā)展中棄風(fēng)棄光問(wèn)題的可行性，提出可再生能源制氫儲能技術(shù)可最大程度避免能源浪費，風(fēng)光互補制氫系統技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究對我國能源清潔化轉型及脫碳減排進(jìn)程具有極大促進(jìn)作用。

總體來(lái)看，多能互補耦合發(fā)電制氫將會(huì )是氫儲能領(lǐng)域的未來(lái)趨勢，相關(guān)學(xué)者應深入研究，探索并推廣更低成本的風(fēng)光互補制氫技術(shù)，促進(jìn)我國能源轉型進(jìn)程，保障國家能源安全。

結論與期望

氫能源是未來(lái)可以同時(shí)解決能源危機和環(huán)境污染問(wèn)題的綠色能源，是未來(lái)能源的發(fā)展趨勢。通過(guò)風(fēng)光等可再生能源電解水制氫儲能可以極大地提高電力系統安全穩定性，且幾乎無(wú)污染排放，是一種應用前景廣闊的儲能形式。

本文通過(guò)對電解制氫技術(shù)及典型可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)行了深入分析及綜述，分析得出目前我國可再生能源制氫技術(shù)處于加速發(fā)展階段，但相較德國、日本等國家，我國可再生能源制氫技術(shù)仍面臨諸多屏障，如光伏、風(fēng)電制氫系統中風(fēng)機結構設計、光伏面板轉換效率、抗風(fēng)電大范圍擾動(dòng)的電解槽設計技術(shù)、更高安全性的儲氫設備等有待進(jìn)一步突破。

因此本文總結以下結論:

• 我國應積極布局可再生能源發(fā)電與氫儲能系統結合，加大風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫的電力電子裝置研究，從底層優(yōu)化制氫效率。
• 探索新型多能互補耦合制氫技術(shù)及協(xié)同控制策略，在可再生能源豐富的地方充分利用當地資源，就地制氫儲能，減少電力能源遠距離輸送所產(chǎn)生的損失。
• 開(kāi)發(fā)新型電解槽，設計改進(jìn)電解槽催化劑結構，減少對貴金屬的使用，突破電解制氫技術(shù)成本瓶頸。