氢听剧场：高小平——《可再生能源制氢的机会，挑战及解决方案》

可再生能源制氢的机会，挑战及解决方案

The opertunities, challenges and solutions

of water electrolysis using renewable energies

谢谢大家！

我今天讲演的题目是《可再生能源制氢的机会、挑战及解决方案》。

我们公司的展台就在一楼装备区，欢迎大家去参观我们公司的制氢装备和加氢装备。

报告包括三个部分。现在先讲一下可再生能源近20年的发展趋势，最右边的图是太阳能电池的价格变化，从40多年前开始商业化到现在价格已经降了将近1000倍，在左边这个图是最近20年太阳能电池全球总容装量的变化趋势，大概每9年总装量增加了10倍。

这个是太阳能电池的最高能量转化效率图，从最右边图可以看1个PN节的太阳能电池转换效率大概是26%，2个PN节大概是33%，6个PN节是将近40%，如果是聚光型的6个PN节现在记录是47%。所以这个太阳能电池将来的很多发展空间和降价的空间还是很大的。

这是全球近20年风电总装量的变化，大概每过11年增加10倍的总装量。现在可再生能源在全球的发电中大概占25%，其中16%是水电，风电和光电大概是7%-8%。我们如果根据最近20年风电、光电总装量平均每年可以增加10倍的速度的话，在接下来10-20年风电和光电将是主要能源的来源，当然可再生能源的问题就是它的不稳定性，我们下面会讲怎么解决这些问题。

这是今年上半年欧盟27国它的可再生能源发电已经超过石化发电的能量，其中有几个国家已经超过50%，像德国的可再生能源发电量已经超过50%，他们在风电光电最高发电的时候他们占全国发电量的90%。右边这个图是近10年来欧盟太阳能和风能、煤发电的比例，去年已经超过了煤发电的总量。下面这几个是最近这一年来在几个国家中标的光电发电的价格，已经接近1度电1毛钱的水平。

下面比较一下电解水制氢和石化能源制氢的价格，目前96%的制氢方法是煤或者天然气，它的生产和纯化成本大概是在15-20人民币/公斤，200公里范围以内运输成本大概是10-20人民币/公斤。所以总的成本到加氢站的成本大概是在30-40人民币/公斤。大家知道这个方面的主要问题是碳排放量不仅没有减少，还会增加，因为气体运输的效率非常低，1公斤的气体要用100公斤的设备去装载，所以运输过程中要消耗大量的能量，这样会增加碳的排放量。

如果我们能用清洁能源制氢的话，我们看看它的成本在哪里？目前成本每公斤氢大概需要50-60度电，将来这个效率还会提高，成本还会进一步降低。所以我们如果能够在3毛钱一度电的情况下，一公斤氢的生产成本大概是在15块钱左右，电解水制氢另外一个好处就是它可以现场制氢，所以就可以省掉运输过程中的成本，而且也可以减少运输过程中的一些安全风险。

可再生能源制氢的优点：最重要的优点是它没有碳排放量，这是它最重要的优点。另外一个优点就是它可以接受不稳定能源，因为可再生能源是不稳定能源，所以电解水制氢是一个很完美的方法。第二是电解水制氢可以用于电网稳定的调节，因为不稳定能源进入这个电网是有问题的，电网很多时候不能接受，所以电解水装置可以成为电网稳定的一种方法。氢气有广泛的用途，除了我们常用的现在在说的燃料电池以外，它在炼油、合成氨农肥、金属冶炼中有大量的用途。第四个优点是氢气可以长期稳定的储存。

目前存在的挑战是，按现在的商业化的电解槽，能量转换效力大概是在50%-65%之间，早期的电解槽是50%，最近几年电解槽可以高到60%以上。另外市场价格每小时产一标方氢气的电解水装置目前大概平均下来大概是1万人民币，所以这个价格一次性的投资会偏高。另外在低功率情况下因为太阳能和风能功率一直在变化，所以功率低于25%的时候，会有一些安全隐患风险。我们下面会讨论这些问题怎么解决。

下面是有效运行时间，如果是太阳能有一个星期下雨，那你制氢就要停机。还有大规模可再生能源的制氢经常不会在我们用氢的地方，所以有一个运输和大规模储存的问题。

先讨论一下转换效率，因为这个转换效率经常有些误解，实际上电解水制氢是有两种转换效率，第一个就是电与化学能转换效率，在常温下每立方氢气的化学能大概是2.9度电，但是电化学制氢过程是一个吸热过程，因为水变成气体是一个吸热过程，每标方的氢气转换过程中大概需要0.57度电，这是理论总需要的能量。把化学和热力学加起来每标方的氢气大概需要3.5度电，从电压上说是相当于是1.47V。目前好的电解槽的直流电耗大概在4.5度电每标方需要的能量，电需要这么多。所以说按电化学的转换效率这个来算的话是65%左右，但从电热力学的转换效率算，目前已经将近80%。

另外制氢装置还有两部分电耗：一部分是辅助系统的电耗，还有一部分是变压器整流电控部分的电耗，这些加起来不到10%。

右边的图是化学能和热能温度变化的趋势。现在电解水装置有三种类型：第一种是比较常用的碱性电解槽，电极是镍电极，它的成本相对比较低，寿命比较长。第二种是质子膜的电解水装置，它的电极是铂电极，它的电流密度会高一点，但是它的成本会比碱性电解槽多几倍，而且它的寿命会相对比较低，大概是3-5年，而碱性电解槽可以有20-30年的使用寿命。 第三种是高温电解槽，高温电解槽的工作温度大概是800度左右，它的最大好处是能量转换效率可以到90%。但目前因为高温很多材料技术性问题没有解决，所以还没有市场化。

这是碱性电解槽一些主要的辅助设备，因为从电解槽出来的氢气要先经过气液分离，要除碱、除氧再除水，所以按照这些程序出来可以到5个9或者6个9。

安全问题是在功率下降到25%的程度，溶解在碱液中的氢气会被循环带到氧气那一端，当氧气的产量下降的时候，氢的比例就可以从0.3%-0.7%升到3%-4%的浓度。我们知道4%是氢氧爆炸的混合浓度，所以这是要解决的一个问题。另外，如果长期停机的话，空气中的氧气也会渗透到电解槽里面，所以我们开机前要充氮气，这样增加开机的时间。

下面讨论一下解决方案，这些是我们公司最新的技术。先讨论一下为什么效率这么重要？我们如果有一个500标方的电解槽，假设一年工作8000小时，它一年耗电量大概2000万度，所以我们如果提高效率一个百分点那就可以节约20万度电，所以对于大规模制氢，每提高一个百分点的效率将会提高大量的成本。

提高制氢效率有许多方法，最重要的是要降低过电压，过电压占无用能耗的70%，30%无用能耗是在电阻上。所以我们现在正在开发这个技术，包括增加电极的有效表面积，提高表面催化率，提高工作温度。我们目前的实验结果效率可以提高5-10个百分点，效率可以从60%增加到70%。

另外减少电解槽成本的一些方法：

第一是减少电解槽使用的材料。实际上我们把电解槽做小，它不仅材料用量降低，而且电阻也可以变小，我们如果提高1倍的工作电流，我们可以在电解槽成本不变的情况下增加1倍的氢气产量。目前在保持效率50%-60%的条件下，我们可以把电解槽的电流提高4-5倍。

第二是纯化系统，我们可以根据不同的应用场景，有些应用不需要做水的纯化，所以这些可以根据不同的情况可以减少纯化设备。

第三是电控部分，对于可再生能源，比如太阳能本来出来就是直流电，目前的情况是要经过逆变器——交流变压器——高压，然后电解槽部分再把高压变低压，再整流、再电控。但实际上我们已经在做这方面的设计，就是让太阳能的直流电直接做电解水，可以把中间的电控设备取消。我们觉得在3-5年的范围内，电解槽的设备成本可以从目前的1万降到2000。

目前关于低功率制氢的安全问题我们已经有三种解决方案，理论模型已经做完，正在测试： 对于有效运行时间，我们觉得最佳的方案是不同的能源进行联合制氢，比如说光电和风电结合，光电和水电结合。 大规模储存永远是一个大的问题，我们觉得将来有机储氢包括固体储氢、地下储氢是一种可能的解决方案，但最终的解决方案，如果大规模制氢的话必须是管道运输，这是大规模应用的最终解决方案。

目前全国每年大概弃电1000亿度电，如果用这些来制氢，可以制160万吨，可以解决碳排放量3500万吨。

氢气除了燃料电池之外，每年工业炼油脱硫脱销大概要1000万吨，合成氨大概也要几百万吨。所以有大规模的应用。另外一个应用就是现在把氢气加二氧化碳变成天然气，或者加二氧化碳催化剂情况下可以变成甲醇，未来可以变成石化产品的一个主要来源。

这是一些案例，最大的一个就是在沙特阿拉伯4GW光伏/光电制氢项目，这个项目大概年产氢气24万吨，它制成120万吨的合成氨。

这是我想到的将来的发展方向。第一可再生能源一定能成为将来的主要能源，因为它的价格一直在下降。第二因为它的价格下降到一定程度，制氢的成本就会低于目前煤电和天然气的制氢成本，所以氢气除了作为燃料电池之外，还可以作为制油制气的来源。

氢气和可再生能源的大规模使用，第一个可以解决我们国家的能源安全。第二个可以解决碳排放量的问题。

谢谢大家！