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    科威爾燃料電池快訊|布局可再生能源制氫應用端測試—“電解水制氫電解槽測試”

    發布時間:2021.10.28  點擊量:

     實現“雙碳”目標,可再生能源替代化石能源是關鍵


    當前,化石能源消耗是我國碳排放的主要來源,數據顯示,2019年,煤炭、石油和天然氣的消耗占我國CO2排放量的比重合計達90%以上。因此,如何優化能源消費結構,減少化石能源的消耗,是實現“雙碳”目標的關鍵。根據《綠色技術推廣目錄(2020年)》及相關規劃,風能、太陽能發電技術是新能源發電技術的發展重點,可再生能源有潛力實現50%的“碳減排”。


     實現“雙碳”目標,氫能和燃料電池是重要支撐


    “雙碳”目標的提出加速了氫能在能源使用端的應用(燃料電池汽車、軌交、輪船等)。氫能不僅是燃料電池發展的前置條件之一,更重要的是它的能源和原料屬性,使它可以廣泛應用于燃料電池移動動力、分布式電站、化工加氫、氫燃料汽輪機、氫氣冶金等場景,替代汽油、傳統工業原料、熱源等能源,實現應用端的零排放。據相關機構預測,2050 年世界上20% 的CO2減排可以通過氫能替代完成,氫能消費將占世界能源市場的18%。


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     可再生能源發電和氫能互為補充


    從能源生產端,氫能也扮演著重要的角色。風電和光伏的大規模發展需要大容量儲能技術和氫能技術來解決其固有的不穩定和供需的區域不均衡問題。風電、光伏這些可再生能源產生的電能,當地無法消納和并網的部分通過制成氫氣,遠距離通過管網、中短距離通過液化運輸,實現更大范圍的能源調配。因此,氫能的利用需要從制氫開始:制氫過程按照碳排放強度分為灰氫(煤制氫)、藍氫(天然氣制氫)、綠氫(電解水制氫、可再生能源)。氫能產業發展初衷是零碳或低碳排放,因此灰氫、藍氫將會逐漸被基于可再生能源的綠氫所替代,綠氫是未來能源產業的發展方向。電能和氫能將共同作為風電和光伏等綠色能源的終端形態,電氫能源體系將成為構建現代能源體系的途徑之一。


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    什么是可再生能源電解水制氫?

    電解水制氫技術。

    在技術層面,電解水制氫主要分為 AWE(堿性電水解制氫)、 PEM 水電解(質子交換膜電解水制氫),固體聚合物陰離子交換膜(AEM)水電解、固體氧化物(SOE)水電解,相關特性對比見下表。

     

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    其中,AWE 是最早工業化的水電解技術,已有數十年的應用經驗,最為成熟;PEM 電解水技術近年來產業化發展迅速,SOE 水電解技術處于初步示范階段,而 AEM 水電解研究剛起步。從時間尺度上看,AWE 技術在解決近期可再生能源的消納方面易于快速部署和應用;但從技術角度看,PEM電解水技術的電流密度高、電解槽體積小、運行靈活、利于快速變載,與風電、光伏(發電的波動性和隨機性較大)具有良好的匹配性。從附表中也可以看出這個趨勢,歐美主要領先企業均采用的是PEM電解水制氫技術。

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     國外電解水制氫產業布局

    歐盟規定了電解槽制氫響應時間小于5秒,目前只有PEM電解水技術可達到這一要求。因此,歐盟規劃了PEM電解水制氫來逐漸取代堿性水電解制氫的發展路徑:20207月,歐盟委員會發布了涉及氫能的戰略規劃,重點發展利用風能、太陽能等再生能源來生產可再生氫,預計到20302050年,可再生氫產業成熟,在眾多難以脫碳的行業(如航空、海運、貨運交通等)進行大規模應用。美國能源部(DOE)提出H2@Scale 規劃,推進氫的規?;瘧?。2020年,在H2@Scale規劃中支持3M、Giner、ProtonOnsite等公司開展PEM電解槽制造與規?;夹g研發,涉及吉瓦級PEM電解槽的析氧催化劑、電極、低成本PEM電解槽組件及放大工藝,資助金額均超過400萬美元。

    下圖是國外StartUs網站通過1730家氫能初創企業調研形成的全球熱力分布圖,可以看出這些初創企業大多數還是分布在歐美國家,印度也有比較好的發展趨勢。


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     國內可再生能源龍頭企業布局電解水制氫

    陽光電源作為國內光伏領域的龍頭企業,在2019年已前瞻性布局氫能業務,成立了專門的氫能事業部,并于今年3月公司推出國內首款最大功率250KW的SEP50 PEM制氫電解槽,并與多地政府合作推動光伏制氫示范項目。2021年3月,隆基股份通過全資子公司隆基綠能創投與上海朱雀投資,合資成立西安隆基氫能科技有限公司,注冊資本金3億,從電力設備領域“跨界”入局到綠氫領域,立足光伏、風電的電解水制氫。2021年6月,協鑫集團分別與西門子(中國)有限公司、東芝(中國)有限公司、中船派瑞氫能科技有限公司、國家電投集團北京綠氫科技發展有限公司代表簽署了戰略合作協議,這標志著協鑫集團進軍氫能產業,將綠氫與現有完備的清潔能源產業相結合,支持綠氫產業快速發展。作為風電龍頭企業之一,明陽智能已經組建了專門的團隊從事相關產品和技術布局,開展每小時500到1000標方新型電解槽設備的開發和產品試制并開發風機制氫一體化海洋能源利用新產品先進電解水制氫用催化劑,提升電解槽電纜密度提升電解槽效率降低電解槽對水質要求,“風光儲氫”一體化戰略已經逐漸落地。此外,晶科能源、億利集團、寶豐能源、天合光能、上海電氣、華能集團、國電投、中石油和中石化等企業也看好氫能產業,已經布局研發或者開展示范項目。


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    可再生能源制氫的電解槽測試現狀如何?


    目前電解水制氫行業受制于原材料成本、氫能運輸存儲等技術問題,仍處于產業化前夕,相應專業化的測試設備也較少,有過應用案例的屈指可數,僅有Horriba FuelCon和AVL Greenlight等進口品牌,國內鮮有設備廠家能夠提供測試設備解決方案。

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    科威爾積極布局制氫端測試,預計年內完成國內首個500KW測電解槽試案例的落地。科威爾公司定位為全棧式氫能和燃料電池測試裝備和解決方案供應商,從2020年下半年就開始布局制氫端相關的測試裝備,通過市場調研確定了”電解槽測試先行,SOFC/SOEC緊跟其后”的投入規劃,截止到目前,已經組建了一只由工藝、結構、控制和軟件等人員組成的專業團隊,內部立項啟動了小功率電解槽測試設備開發,在高至5MPa的高壓系統設計及壓力控制、涉氫安全、異常處理策略和氣體組分分析方面已經取得突破,能夠實現對電解槽極化曲線、單池一致性、壽命、產氣效率和質量以及動態響應特性等測試內容。


    基于上述儲備及在燃料電池測試方面的積累,近期科威爾成功中標光伏行業龍頭企業50kW和500kW電解槽測試項目,該項目是行業首套大功率電解槽測試項目,其成功實施可以有效解決可再生能源制氫行業發展的“制約性”問題,也標志著科威爾從“用氫”到“制氫”測試設備的全面布局。


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