光氢耦合制氢技术在苏州地区探索应用.pdf

:./.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 摘 要: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 光伏制氢是实现“双碳”目标的重要途径但尚未广泛应用 鉴于此本文研究了新能源制氢技术优化光伏制氢的能源匹配度和稳定性耦合机制研究其在苏州地区应用的商业模式关键词:光伏制氢碱性电解槽中图分类号: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()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 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 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 年累计建成 座加氢站燃料电池汽车规模达到 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 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.年最大出力.全年负荷采样及典型日负荷曲线详见下图 所示图 某光伏电站年出力曲线图 光氢耦合制氢系统.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 科技风 年 月水利电力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 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.系统各组件模块.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 是二极管的反向饱和电流是光生电流 是光伏电池温度 是理想因子是电池内部的串联阻抗是电池内部的并联阻抗 是玻尔兹曼常数 是电子电荷.碱性电解槽组件碱性电解槽的仿真建模参考了 等人开发的数学模型理论基础主要是依据 的电解槽热力学模型/.公式中 是基伯斯能量系数 是电子常数 是法拉第常数 在电解过程中小室的工作电压 是可逆过电压、激活过电压(即电极响应)以及电解质的欧姆过电压 的总和也可以看做是电解过程中所需的最小电压()式中 和 是过电势系数 是与温度相关的欧姆电阻参数 是温度 是电极面积 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/为单位表示如下:.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 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 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 座加氢站、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(.)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.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图 制氢系统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 所示:水利电力科技风 年 月图 加氢站系统.经济性分析本项目总投资约.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 平方米总价约 万制氢厂需约 平方米建设在工业园区土地价格在 万土建价格含加氢站 万及制氢站的 万 制氢设备价格在.万元加氢站购置成本在 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 以上加氢站建设补贴 万元补贴后设备成本预计 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 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、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 元/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 元/(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、日产约为.的制氢站 日加氢量 的加氢站剩余的.均售卖至本地企业及其他工艺设备投资按照.残值折旧期限 年计提折旧基础建设投资按照 残值折旧期限 年计提折旧土地按照 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.元/算年均耗电费约.万元产品每 制高纯氢仅需水.方工地用水.元/方即每 氢气用水成本.元年耗水费约.万元 人工成本以本地人工每年平均花费 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 万元 运输成本其中氢气运输成本为 元/年平均运输费用.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 万元费用计算 财务内部收益率(税后)为.财务净现值()为.万元投资回收期为.年投资利润率.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.、净利率达.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参考文献:汪为.间歇性可再生能源发电氢生产及储能联合系统的研究.华中科技大学.荆平徐桂芝赵波等.面向全球能源互联网的大容量储能技术.智能电网():.杨秀陈洁朱兰等.基于经济调度的微网储能优化配置.电力系统保护与控制():.周天沛孙伟.风光互补发电系统混合储能单元的容量优化设计.太阳能学报():.中国国家标准化管理委员会.光伏发电站接入电力系统技术规定:/.北京:国家标准出版社.作者简介:石佳()女陕西人工程师研究方向:配电网规划 科技风 年 月水利电力