姑苏实验室在离网风电光伏耦合制绿氢研究取得重要进展

发布时间:2024-04-22

光伏与风电是一种无碳排放的可再生能源,但是其能量具有波动性的特征,对电网系统的安全运行冲击较大,国内很多地区可供并网的风电、光伏装机容量已达上限。如何大规模消纳新增的光伏与风电,是国家“碳中和、碳达峰”政策在实施过程中面临的重大难题。氢气不仅是一种重要的大宗化工品,也是一种无碳排放的能源载体,在化工冶金、氢能、天然气掺氢等领域都有重要的应用前景(图 1)。使用光伏、风能进行耦合离网电解水制氢,不但可以解决光伏、风电的消纳难题,还有助于国家在工业、交通运输及民用领域深度脱碳

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图1.绿氢的生产及消纳

目前风光耦合制取绿氢具有多个技术难点。首先,光伏输出直流电(DC),而风电输出交流电(AC),国际上没有成熟的方案可基于AC、DC耦合技术设计电解槽电源。此外,市售的碱性电解槽系统均需要供应稳定的直流电(DC),光伏和风电的波动性会导致电解槽阴阳极的氢氧互窜,损坏电解槽的催化剂与隔膜,并引发爆炸风险。

为解决离网风光耦合制取绿氢的卡脖子问题,2021年唐叔贤院士在姑苏实验室设立院士工作室,立项无碳能源研究的课题项目,旨在解决绿氢的制取及消纳难题。依托姑苏实验室院士工作室苏州科技大学按需零碳供能研究中心,唐院士联合固德威技术股份有限公司、明阳智慧能源集团股份公司等光伏、风电领军企业,在苏州构建离网光伏电解水制绿氢系统(图 2)。该系统包含宽负载功率电解槽及离网制氢电源,实现了离网光伏电流驱动碱性电解槽制绿氢,氢气无须提纯即可达到99.98%以上

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图2.离网光伏电解水制氢系统
(a)屋顶离网光伏系统;(b)和(c)碱性电解槽及其后处理系统
依据光照能源波动性的特点,唐叔贤院士团队采用IGBT方案开发设计了新型的离网光伏制氢电源(图 3)。电源预留交流电(AC)接口,融合DC/DC和AC/DC电源转化模块,动态追踪光伏的最大输出功率点(MPP),通过优化系统软件算法实现直流电(DC)和交流电(AC)耦合转化成电解槽所需的直流电(DC),使制氢电源可稳定输出约200V电压,并根据光照强度变化动态改变输出电流,进而调整电解槽工作IV曲线,最大程度上优化界面耦合,使得光伏直流电转换成电解槽所需直流电的效率达到96%,完美匹配电解槽运行工况,运行过程中氢氧纯度达到电解槽的设计标准。未来制氢电源的AC接口可以接入风电,实现纯离网风光互补耦合制绿氢(图 3)。

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图 3. 基于IGBT方案设计的200V制氢电源系统
(a)设计原理;(b)研制的制氢电源设备
根据离网光伏和风电波动性的特点,唐院士团队与苏州希倍优氢能源科技有限公司定制了宽负载功率电解槽系统,额定输入电压200V,直流能耗≤4.1kW·h/Nm³,电流密度3200 A/㎡,可在额定负载20%-110%范围内动态运行,能匹配光伏电流的波动性特点。在正常光照强度波动下,电解槽出口氢气无须进行提纯即可稳定达到99.98%,并可以承受极端电流扰动,可以在30秒内响应5倍的电流波动。实验过程中,整个光伏制氢系统可以将100%额定负载功率30秒内降至20%,或者将20%负载功率30秒内升至100%,过程中氢气纯度始终维持在99.8%以上。
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图4. 离网光伏电解水制氢实验
(a)碱性电解水槽操作界面;(b)离网光伏电解水制氢的氢气纯度随光照和电流的变化,绿色区域内为正常光照变化下的氢气纯度,棕色区域为人工模拟极端情况下将输出电流调整数倍导致的氢气纯度变化
该示范项目的成功运行对氢能科学研究及技术应用产生重要影响,将引领国内绿氢事业的发展。目前已有多家中国500强企业有意引入唐叔贤院士团队开发的离网制氢技术,并在国内风光资源较好的内蒙古实现技术转化落地,将姑苏实验室的科研成果书写在中国的大地上。