光伏制氢一体化示范项目浅谈

光伏制氢一体化示范项目浅谈

徐继军

（中电建新能源股份有限公司青海分公司   青海 西宁 810000）

[摘  要]光伏制氢一体化是一种将太阳能转化为氢能的综合性技术，具有广阔的应用前景。本文主要探讨了光伏制氢一体化技术的现状、发展趋势及其在经济、环保等领域的影响。随着能源结构的转型和环保意识的提高，太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，正逐渐成为全球能源供应的重要来源。而光伏制氢一体化技术则是将太阳能转化为氢能的重要途径之一，可以为燃料电池、工业生产、电力等领域提供清洁的能源。目前，光伏制氢一体化技术主要包括光伏电解水制氢、光热高温重整制氢等多种技术路线。本文研究了光伏制氢一体化技术的经济性、环保性和在能源转型中的重要性。通过本文发现光伏制氢一体化技术具有较高的经济性和环保性。

[关键词]光伏制氢一体化、经济性、环保性、能源转型、政策影响、市场前景

0 引言

随着全球能源结构的转型和环保意识的提高，太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，正逐渐成为全球能源供应的重要来源。而光伏制氢一体化技术则是将太阳能转化为氢能的重要途径之一，可以为燃料电池、工业生产、电力等领域提供清洁的能源。本文旨在探讨光伏制氢一体化技术的现状、发展趋势及其在经济、环保等领域的影响。

1研究背景和意义

（1）实现“碳达峰、碳中和”的战略目标的需要

规划建设大型风电光伏基地是“十四五”新能源发展的重中之重，是贯彻落实党中央、国务院决策部署，支撑如期实现“碳达峰、碳中和” 目标任务、推动能源清洁低碳转型、提高能源安全保障能力的重大举措。目前，化工行业碳排放存在“排放总量有限但强度突出”的特点，在“双碳”目标的执行过程中，面临巨大碳减排压力。本项目通过在格尔木建设光伏制氢一体化项目，将绿电转化为绿氢，同步开展二氧化碳加氢制甲醇项目配套试点，不仅不产生工艺排碳，反而消耗二氧化碳，对化工行业开展减碳、减气有很好的示范带动意义。本项目符合我国能源绿色低碳转型发展方向和能源供给侧结构性改革要求，有助于促进非化石能源加快发展，助力实现“碳达峰、碳中和”目标，提高我国在应对气候变化中的自主贡献度。

（2）助力黄河流域高质量发展的现实选择

2021 年 10 月，中共中央、国务院印发了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》，要求在黄河上游建设特色优势现代产业体系，其中提到要建设全国重要的能源基地，根据水资源和生态环境承载力，优化能源开发布局，合理确定能源行业生产规模，推动宁夏宁东、甘肃陇东、陕北、青海海西等重要能源基地高质量发展。

2 研究过程

2.1 太阳能资源分析

（1）青海省太阳能资源分析

青海省地处中高纬度地带，太阳辐射强度大，光照时间长，年平均总辐射量可达5560MJ/m2～7400MJ/m2，其中直接辐射量占总辐射量的60%以上，仅次于西藏，位居全国第二。从气象部门提供的青海省总辐射空间变化分布图中可看出，其空间分布特征是西北部多，东南部少，太阳能资源特别丰富的地区位于柴达木盆地、唐古拉山南部，年太阳总辐射量大于6800MJ/m2；太阳能资源丰富的地区位于海南（除同德）、海北、果洛州的玛多、玛沁、玉树及唐古拉山北部，年平均太阳总辐射量为6200MJ/m2～6800MJ/m2；太阳能资源较丰富地区主要分布于海北的门源、东部农业区、黄南州、果洛州南部、西宁市以及海东地区，年平均太阳总辐射量小于6200MJ/m2。

（2）气象站太阳能资源分析

近30年尔木地区太阳辐射分布年际变化基本稳定，其数值区间稳定在6500MJ/m2～7500MJ/m2之间，近30年间的年平均太阳辐射量为6898.7MJ/m2，最大值为7204.8MJ/m2；最小值为6583.6MJ/m2。

1）太阳总辐射量分析

根据格尔木气象站太阳辐射资料，其太阳辐射量年内变化，如图1所示。

图1 格尔木地区多年平均太阳总辐射量年内变化图

格尔木太阳辐射的年内变化较大，其数值在320MJ/m2～800MJ/m2之间，月总辐射从2月开始急剧增加，5月达到高峰值，达到790.1MJ/m2，从6月开始下降，10月开始急剧下降，12月达到最小值，为327.2MJ/m2。

2）太阳直接辐射量分析

格尔木地区年太阳直接辐射量为4415.1MJ/m2，直射比为0.64。年内各月的直接辐射量见图2所示。可以看到夏季年太阳直接辐射较高，冬季太阳直接辐射较低。

图2 格尔木地区年内各月太阳直接辐射量

2.2光伏设计方案

（1）光伏组件的光电转化效率

现有光伏制造企业及项目产品应满足：多晶硅电池和单晶硅电池（双面电池按正面效率计算）的平均光电转换效率分别不低于19%和22.5%；多晶硅组件和单晶硅组件（双面组件按正面效率计算）的平均光电转换效率分别不低于17%和19.6%。新建和改扩建企业及项目产品应满足：多晶硅电池和单晶硅电池（双面电池按正面效率计算）的平均光电转换效率分别不低于20.5%和23%。多晶硅组件和单晶硅组件（双面组件按正面效率计算）的平均光电转换效率分别不低于18.4%和20%。

（2）光伏组件衰减率要求

根据文件精神，晶硅组件衰减率首年不高于2.5%，后续每年不高于0.6%，25年内不高于17%；薄膜组件衰减率首年不高于5%，后续每年不高于0.4%，25年内不高于15%。

2.3制氢技术路线

（1）氢的物理化学性质

氢（元素符号H，原子序数1）是元素周期表中第一个化学元素，属于I A族的非金属元素，相对原子质量为1.00794。

氢原子由一个质子和一个电子组成，电子组态为1 s1，电负性为2.2。氢原子的核外电子彼此之间能够形成共价键，达到双原子分子的稳定结构。氢原子的基态能级为-13.64 eV，电离能为1312 kJ/mol。自然界中氢有氘和氚两种同位素，该两种同位素分别含有1个及2个中子。

氢键是弱于化学键的一O种静电键，其形成可看成电负性大的原子X首先与氢原子以共价键结合，若再有电负性大、半径小的原子Y（、F、N等）与氢原子接近，则会在X与Y之间以氢为媒介，生成形如X—H···Y的一种特殊的分子间相互作用。如图5.1.1所示，中国科学院国家纳米科学中心的研究人员通过原子力显微技术，在实空间得到共价键化学骨架、配位键和分子间氢键的高分辨空间图像，实现了对于氢键键长和键角的直接测量。

（2）氢储能

氢能具有储能丰富、燃烧热值高、可存储、可转化形式广的优点。氢元素主要以化合物的形式存在于水中，据估算，若把海水中的氢元素全部提取出来，其燃烧所产生的热量比地球上化石燃料放出的总热量还要大9000倍，水就是地球上的“氢矿”。氢的热值要高于所有化石、化工和生物燃料。另一方面，在常温常压下，氢气的密度为89 g/m3，仅为天然气的1/8。因此，在常温常压条件下，获得相同热量所需氢气的体积是天然气的3.3倍。同理，1L液态氢的能量仅仅能和约0.25L汽油的能量相当，因此氢气的使用需要更大的存储空间。与电、热的大规模存储相比，氢能可以以气态、液态或金属氧化物的形式存储，以此适应不同的储运及应用环境要求。与化石燃料只能通过燃烧利用的方式不同，氢能可以通过燃烧、催化产热、化学产热、电化学产电等不同的转化方式进行应用，具有多转换性特点。

用氢气作燃料具有产物是水、发热量高的优点。早在第二次世界大战期间，氢即用作A-2火箭的液体推进剂。美国“阿波罗”登月飞船及我国的长征系列火箭均使用的是液氢作燃料。氢内然机是一种氢燃料发动机，其工作原理与汽油内燃机原理类似，且不需要特殊环境或者催化剂就能完全做功，该类发动机由于使用氢气作为燃料，具有点火能量小、效率高、污染物及室温气体近乎零排放等优点。目前国外如丰田、福特等汽车制造商已经商业化生产使用氢内燃机的氢能汽车。

2.4氢储能的主要环节

（1）上游制备

上游制备氢气的方式可分为化石能源重整制氢、电解水制氢、新型制氢三类技术，其特点各不相同。

化石能源重整制氢是目前制氢的主流技术，可分为煤气化制氢、天然气水蒸气重整制氢、重油制氢等。该技术优势为技术成熟、可大规模制氢，劣势为碳排放量高、产氢含杂质多，该技术在未来需与碳捕集和封存技术结合使用。

电解水制氢目前只占了制氢总量的约4%，其制氢的原料为水和电能，产物没有任何温室气体的排放，且制备的氢气纯度高。但该技术面临的问题是成本及能耗高，电价高是造成电解水成本高的主要原因，电价占总成本的约70%，随着对于新能源装机“弃风弃光”电能的消纳及电价的下降，制氢成本有望在未来下降。

新型制氢技术包括生物质制氢和光催化分解水制氢等。生物质制氢又可分为发酵制氢和热分解制氢，生物质制氢技术的特点是生物质资源量大，分布广泛，尽管生物质热分解过程中产生一定量的CO2，但由于生物质具有可再生性，故理想情况下生物质利用的整个生命周期为零CO2排放。光催化分解水制氢是新能源研究探索的热点课题。但由于光催化分解水反应动力学与光催化剂的特定物理-化学性能等因素密切相关，则对于高活性光催化原料的制备及使用具有很高要求，因此也限制了该技术的产业化路径。到目前为止，光催化分解水制氢大多数工艺仅限于实验室规模，离实际应用还有一定的距离。

（2）中游储运

氢能的中游储运方式可分为氢的高压气态储运、低温液本储运及固态储运三类。

高压气态储氢具有简便易行、成本低、充放气速变快、在常温下可以进行的特点，是目前较常用的一种储氢技术。高压气态储运的技术比较成熟，主要是先将氢气加压后装在高压容器中，随后用牵引卡车或船舶进行较长距离的输送。

液氢存储的体积密度比高压气态储氢高，因此适用于航天飞机等存储空间有限的氢载场合。液氢的运输可以通过在汽车、船舶或者飞机上配备低温绝热槽罐进行运输，也可以用专门的液氢管道输送，但由于对于管道容器的绝热要求高，液氢管道一般只适用于短距离输送。

固态储氢具有工作压力相对较低、系统体积小、放氢纯度高的特点，是近些年备受关注的一种储氢技术。但该技术也存在质量储氢密度低、使用成本高、细放氢有温度要求等问题。目前的固态储氢是一种具有发展前景的储氢方式，处于小规模试验阶段，尚未产业化。

（3）下游应用

氢能应用具有多转换性的特点。其主要的应用方式有：

1）直接燃烧，即利用氢和氧发生反应放出热能。

2）通过燃料电池转化为电能，即利用氢和氧在催化用作用下的电化学反应直接获取电能。

3）化学反应，即在化工等行业中利用氢的还原性质。

氢能的使用应注意安全。氢与空气、氧气或其他氧化剂混合的可燃极限与点火能量、温度、压力、是否存在稀释剂有关，同时也与设备、设施或装置的尺寸和配置有关。在1atm（101.325 kPa）和环境温度下，氢在干燥空气和氧气管道中向上传播的燃烧极限分别为4.1%~74.8%和4.1%~94%。

2.5氢气制备与纯化

制备氢气的方式可分为化石能源重整制氢、电解水制氢、新型制氢三类技术，其特点各不相同。

（1）氢气制备原理

化石能源重整制氢是以煤炭、天然气、石油等化石能源为原料，在高温下与水蒸气反应生成氢气的过程。反应过程通常分为两步，首先是化石能源中的碳氧化成为一氧化碳和氢气，随后再进行水煤气反应，使一氧化碳转化为二氧化碳和氢气。

（2）煤气化制氢

a基本原理

煤气化制氢以煤或煤焦为原料、以水蒸气作为气化剂，在高温高压下进行化学反应将原料中的可燃部分转化为氢气，它是一个煤炭的热化学加工过程。该方法制氢的基本原理为水蒸气转化反应和水煤气变换反应。

水蒸气转化反应：C+H2O→CO+H2（5-1）

水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2（5-2）

b工艺流程

先将原料进行水蒸气转化反应得到以H2和CO为主要成分的气态产物，随后经过净化、CO交换、提纯等工艺过程得到副产品及一定纯度的氢。煤炭经过干燥后，煤分子在高温下发生热分解反应，煤黏结成半焦，同时产生大量挥发性物质。半焦则在更高温度下与通入汽化炉的气化剂发生化学反应生成粗煤气，粗煤气的主要成分是CO、H2、CO2、CH4、H2O、N2、H2S。由于粗煤气中含有H2S，而H2S不仅会腐蚀管道和设备，其燃烧产物SO2会造成环境污染，危害人体健康，因此需要净化粗煤气。粗煤气净化工艺包括冷凝、脱硫、污水处理等过程。净化回收的化工产品主要包括焦油、粗苯、硫醇、硫磺等。CO变换工艺进行的是水煤气变换反应，其降煤气化产生的CO转变为H2和CO2，最后经过提纯工艺后得到H2产品和副产品CO2。

3 投资估算

3.1投资匡算指标

当前光伏综合造价分别约为3700元/千瓦。考虑技术进步，新能源成本将会进一步降低，主要是组件等设备随着产能加大，相关设备价格会回落。根据项目建设方提供的相关工程资料，2023年光伏的综合造价将下降至3420元/千瓦。

3.2投资匡算

本项目计划投资规模为：光伏（50万kW、装机60万kWp）+水电解制氢（6.0万Nm3/h）+储氢球罐规模（1.85万m3）。依据上述匡算指标：

本投资总体投资（静态）为30.45 亿元，其中可再生能源部分静态投资20.94亿元，氢能系统部分静态投资9.51亿元。项目20%使用自有资金，其余为银行借款，贷款利率（5年以上）3.50%。

3.3财务分析

根据收益率，说明本项目上网电价。按照国家现行财税制度、现行价格、原国家计委和建设部颁布的《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）的规定，结合项目建设方对工程测算的需求，对本工程进行财务对项目进行财务效益分析，考察项目的清偿能力、盈利能力和抗风险等财务状况，以判断其在财务上的可行性。本部分先后按照静态指标分析与动态指标分析的方法进行测算。

4 研究结论

通过对光伏制氢一体化技术的评估和分析，可以得出该技术具有较高的经济性和环保性，是实现太阳能转化为氢能的重要途径之一，建议政府加大对光伏制氢一体化项目的政策和资金支持力度，建立完善的光伏制氢一体化项目管理和监管体系；通过对比不同制氢技术的成本和排放物，本文发现光伏制氢一体化技术具有较高的经济性和环保性。光伏制氢一体化技术的影响以及市场前景。结果表明，随着政府政策的支持和市场需求的增加，光伏制氢一体化技术的应用前景广阔。

参考文献

1. 王晓红, 王慧, 戴津,等. 光伏电解水制氢技术研究进展[J]. 天津理工大学学报, 2020, 36(1): 1-7.

2. 张志豪, 王晓红, 王慧,等. 光伏电解水制氢技术的能效与环保特性分析[J]. 太阳能学报, 2021, 42(5): 439-445.

3. 周理华, 王海燕, 高丽媛,等. 新型光伏电解水制氢技术的研究[J]. 太阳能学报, 2019, 40(10): 279-285.

4. 王晓红, 王慧, 张志豪,等. 基于钙钛矿太阳能电池的光伏电解水制氢研究[J]. 新型材料与技术, 2020, 38(6): 1-7.

作者简介

徐继军（1979—），男，高级工程师，主要从事新能源投资建设运营工作。E-mail：125592617@qq.com