油气行业可再生能源制氢技术进展与前景展望

利用可再生能源制氢,是油气企业推动能源结构优化升级与深度脱碳的重要途径。油气企业近年通过全产业链技术研究与示范应用,积极推动氢能产业高效益、规模化发展。文章研究对比了碱性电解水制氢(ALK)、质子交换膜制氢(PEM)和固体氧化物电解制氢(SOEC)等技术的优势与挑战,分析了国内外代表性油气公司在制氢产业和项目方面的布局规划。中国石油围绕绿氢产业链与制氢技术链,持续攻关符合自身特色应用场景的可再生能源制氢技术及配套系统,涵盖基础研究到项目示范,在高效率电极催化剂材料、电解槽系统优化、氢电耦合系统、大规模大容量制氢装置、固体氧化物电解制氢技术、太阳能光解水制氢技术等领域取得系列创新成果。结合我国油气企业制氢技术特点、场景特色与项目现状,对未来可再生能源制氢领域发展提出建议和展望。

基于非合作博弈的可再生能源制氢合成氨系统多主体运行模式分析

可再生能源制氢合成氨(ReP2A)系统各组成部分或隶属于不同工程投资主体,不同主体结构下系统运行特性差异显著。为明晰上述差异及影响因素,提出模拟可再生能源发电、制氢、合成氨多主体生产运营的均衡分析模型。建立各主体参与电、氢、氨市场生产交易决策的数学规划模型。基于非合作博弈建立不同主体结构下的均衡模型,并通过驻点优化法转化为混合整数线性规划问题进行求解。基于蒙西地区某在建工程构造算例,分析主体结构、市场类型以及储氢、氨罐配置对均衡及系统整体收益的影响。结果表明:化工企业投资氢-氨一体化工程有助于提升其竞争力;建设ReP2A系统内部电力交易平台可促进风、光发电与氢氨侧共同提升收益;若条件允许,则应鼓励风光氢氨一体化建设运行。同时发现,简单地增大储氢、氨罐容量并不一定会提升相应主体的均衡收益,应采取政策措施以保证储氢容量配置,满足运行安全。

考虑多重不确定因素的可再生能源制氢场站最优运营策略研究

以可再生能源制氢场站这一新兴能源制造主体为对象,在电力市场环境下研究面对可再生能源出力和电力市场价格的多重不确定性因素时,可再生能源制氢场站最优运营策略模型,制氢场站的运营策略具体包括制氢场站中长期电量合同分解、电力现货市场购电量以及氢气生产计划。首先,建立了可再生能源制氢场站在电力市场环境下的运营框架,并以此为基础建立了可再生能源制氢场站确定性最优决策模型。其次,采用蒙特卡洛抽样和场景缩减方法,将风电出力的不确定性用具有代表性的典型场景进行刻画。接着,建立了基于信息间隙决策理论的计及现货价格不确定性的可再生能源制氢场站最优运营决策模型,该模型给出的决策能够保证可再生能源制氢场站的总成本不高于其最大所能接受的值。最后,通过算例仿真与对比证明了所提方法的有效性。

可再生能源制氢建模技术研究

基于电氢转化机理的氢储能技术能够实现风光消纳,平抑风光波动,可作为重要的可再生能源发电支撑形式。构建多元仿真模型是推进风-光-氢耦合系统设计与控制的重要手段,介绍了风力发电、光伏发电及电制氢的机理模型及常用简化模型,对比了不同可再生能源发电形式与制氢的耦合特征。结合国内外建模案例,阐述了仿真模型在运行控制优化、源-网-荷互动、容量配置方面的应用价值。结合技术发展现状,从多物理场、多时间尺度、多元素三个方面对技术的发展进行分析与展望。通过对可再生能源耦合制氢建模基础的综述,可促进相关平台、工程建设,加快实现向零碳供能、绿色用能的能源结构转型。

基于可再生能源制氢系统附加阻尼控制的电力系统次同步振荡抑制方法

近年来,大规模新能源发电机组的并网运行增加了系统发生次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)的风险。针对此问题,该文提出一种利用可再生能源制氢系统抑制新能源并网系统次同步振荡的方法。首先,根据可再生能源制氢系统的整体架构及其电解槽内部热动力和电化学动态特性,建立兆瓦级制氢装置的电磁暂态模型;进而,提出一种基于电解槽直流电压调制的附加阻尼控制方案,并对控制器参数进行多工况优化设计,提高制氢系统并网后对次同步振荡现象的抑制能力;最后,以新疆哈密实际发生过SSO事件的风电系统为原型,进行电磁暂态仿真分析。结果表明:提出的基于可再生能源制氢系统的附加阻尼控制方法能有效抑制风电并网系统的SSO,从而提供一种解决SSO问题的新思路。

可再生能源制氢系统制氢电源研究

利用风电、光伏发电等可再生能源电力的制氢系统是未来制备氢能的发展方向,而制氢电源是制氢系统的核心部件。传统的基于晶闸管整流电路的制氢电源(下文简称为“晶闸管制氢电源”)存在功率因数低、谐波大,延迟长等缺点。针对这一问题,本文采用PWM整流器作为制氢电源(下文简称为“PWM制氢电源”),把逆变电路中的SPWM调制和数字控制技术应用于整流电路,使其功率因数接近1。同时,由于PWM制氢电源采用全控型器件,响应速度较快,能够提供无功补偿,所以具有一定的低电压穿越能力。此外,由于晶闸管制氢电源使用半控型器件,导致该制氢电源的工作效率比采用全控型器件的PWM制氢电源低,而且实际投入使用时还需配备无功补偿设备以提高功率因数,增加了系统损耗,所以其效率比PWM制氢电源低。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了PWM制氢电源相较于传统晶闸管制氢电源的优点。

“双碳目标”下可再生能源制氢技术综述及前景展望

氢储能作为长期储能技术具有良好发展前景,我国“十四五”规划将氢能发展作为长期发展战略,其中重点要提高电解水制氢转化效率,改善电解槽电堆、电极等的设计和制造工艺,加强可再生能源与氢能耦合以促进我国“双碳目标”的实现。从“十四五”规划及“碳达峰”、“碳中和”角度出发,首先分析了我国可再生能源发展现状及弃风、弃水、弃光现象的产生,分析了可再生能源制氢的可行性,针对电解槽分类、电解水制氢技术基本原理和研究现状进行简单介绍。在上述基础上分别对风电制氢技术、光伏发电制氢技术及风光互补多能耦合制氢技术进行了综述,总结了国内外学者的在此领域的研究现状,并对我国可再生能源制氢技术发展提出建议及展望,为我国优化可再生能源制氢体系及实现脱碳减排目标提供参考。

PLC技术在可再生能源制氢自动化中的应用探索

氢能为当前阶段非常具有潜力以及应用前景的二次能源。近年来,在我国能源以及环保战略充分贯彻和落实的背景下,氢燃料电池以及氢能源汽车技术的发展速度一直在不断加快,当下已经趋于完善和成熟。而在现阶段的相关政策、工业环境和现代化先进计算机技术的支持下,PLC技术在可再生能源制氢自动化中的应用能够表现出非常良好的效果,对其开展更为深入的研究以及应用具有非常积极的意义,这样才能够使可再生能源制氢更好地迎合时代发展的步伐。基于此,本文主要对PLC技术在可再生能源制氢自动化中的应用进行了分析和探讨。

可再生能源制氢技术大规模推广初探

风电、光伏等可再生能源和氢能一样被公认为碳减排的有效解决方案。二者结合,由可再生能源负责发电,经过电解水制氢,不仅可以综合二者的优势,还可以解决目前可再生能源存在的问题。文章简要介绍了氢能的优势、储存、制备、运输和应用,通过可再生能源与氢能结合的优势和问题分析,结合投资成本计算,提出可再生能源制氢的可行性和存在的问题,并对相关问题提出了解决建议和设想。

可再生能源电制氢合成氨系统的并/离网运行方式与经济性分析

可再生能源电制氢合成氨(renewablepowerto ammonia,Re Pt A)是风力发电、光伏发电等可再生能源的大规模消纳方式之一,也是化工行业实现低碳清洁发展的重要技术路线之一。利用风电光伏电解水制氢合成氨系统模型,分析电网调峰型系统、电网友好型系统、工艺离网型系统的绿氨成本,并对电化学储能设备规模、储氢设备规模、电解水制氢设备规模、电解水制氢设备效率等影响因素进行敏感性分析。基于3种绿氨系统的设备配置方案和运行方式评估不同类型系统所需的电网调峰电量,提出3种系统所适合的应用场景。研究结论是近期应该发展电网友好型RePtA系统,远期应该发展工艺离网RePtA系统。

世界可再生能源电力制氢现状

氢能可实现从开发到利用全过程的零排放、零污染,是最具发展潜力的高效替代新能源。世界各国都将发展氢能提升到国家战略层面。我国也要大力发展氢能、燃料电池等新一代能源科技。水电解系统结构简单、不用氢分离操作、活动部分少、从电力到氢的能量转换效率比较高(60%~80%),成为制氢技术研发的热点。水电解技术有碱水电解、固体高分子型水电解、高温水蒸气电解。利用可再生能源制氢是新能源领域的一个新发展趋势,被称为拯球地球的动力,已提出了"可再生氢"的概念。利用剩余风电、光伏电力制氢不失为解决弃风、弃光的成功之策。目前可再生能源电力制氢技术研究开发活跃。电解水制氢催化剂技术、固体氧化物型水电解制氢技术和光电化学制氢技术的研究开发取得了很大的进展。我国河北省沽源县建设的世界最大风电制氢综合利用示范项目已全部并网发电。

面向双碳愿景的可再生能源制氢项目综合评估指标体系构建研究

随着可再生能源发电成本的逐年下降,大力发展可再生能源制氢成为我国工业、建筑、电力、交通等部门实现深度脱碳的重要路径之一。针对可再生能源制氢项目的综合评估问题,在明确评估边界的基础上,从经济维度、环境维度、技术维度和社会维度四个方面构建了面向双碳愿景的综合评估指标体系,并采用云模型和模糊综合评价方法计算了项目的综合评估值,最后通过案例验证了指标体系和方法的有效性。

碳中和目标下可再生能源的3种应用模式

介绍了当前CO_(2)催化氢化技术,跟踪最新CO_(2)转化研究进展,提出化工园区多能互补的CO_(2)转化循环系统。采取铁配合物Fe-PNP催化氢化CO_(2)代替传统贵金属催化剂,高效制备甲醇和甲酰胺,实现了氢、电、碳、热、水的多能互补。海岛环境下,通过海洋养殖贝类、藻类等生物固碳,构建兼顾发电、经济养殖、以种植海水稻供粮的耦合结构。利用可再生能源的余电进行黑碳提取和回收并将其施入土壤,改善土壤肥力,增加绿色植物种植面积,提出了通过植物的光合作用吸碳的构想。最后对可再生能源实现碳中和的途径和方案进行了展望。

风光互补发电制氢耦合合成氨系统的配置分析

将可再生能源制氢与传统化工过程结合实现电-氢-化耦合,不仅可提高可再生能源的利用消纳,还有利于化工过程的绿色低碳转型。针对电-氢-化耦合系统中存在的可再生能源波动性与化工过程稳定性需求的矛盾,建立了大规模风光互补发电制氢-储氢-合成氨系统的配置模型,基于西北地区典型风光发电曲线研究风光配比、制氢容量、制氢最小负荷和氢气储罐体积等关键参数对系统运行的影响规律,并分析系统的全年运行特性。计算结果表明:当风光配比为8∶3且制氢容量与风光平均输出功率接近时,可在较小储罐体积工况下降低网电补充。制氢最小负荷降低和储罐体积增加有利于降低网电补充,有望实现系统纯绿电运行。当系统参数配置为风光配比8∶3、制氢容量400 MW、制氢最小负荷20%和氢气储罐体积100000 m^(3)时,全年平均网电补充比例在5%左右。对系统8760 h的模拟结果表明,制氢装置的负荷调节可减缓系统受风光发电波动的影响,通过储氢装置的进一步缓冲,可实现合成氨装置在50%~110%负荷的连续运转。

PEM电解制氢技术问题及现状分析

对国内外质子交换膜(Proton exchange membrane,简称PEM)电解制氢市场、技术进行了全面的分析,同时对PEM电解槽、制氢系统及可再生能源制氢存在的技术问题进行了探讨,提出了解决措施。分析表明,国外PEM制氢系统无论市场还是技术都处于领先地位,其中电解槽电流密度和寿命,以及制氢系统腐蚀防护技术、系统内部纯水净化控制技术、系统噪音控制技术和安全控制技术都优于国内产品。膜电极的氢气渗透率、催化剂的负载种类和形式,气体扩散层的材料替代、加工制造技术和耐久性的改性优化,以及双极板的厚度、板材替代、制造工艺和表面涂层沉积工艺等是PEM电解槽主要研究方向和突破点。如何解决可再生能源电源质量波动对电解制氢系统的不利影响是未来的发展方向。

基于不确定性分析的不同制氢方式能源投入回报研究

氢能被认为是未来能够替代化石能源的最具前景的清洁能源之一.从能源投入产出的角度,使用能源投入回报(EROI)方法对两种化石能源制氢(煤和天然气)和两种可再生能源制氢(太阳能和风能)的EROI进行量化研究.结果显示,不考虑环境投入时煤、天然气、太阳能和风能4种制氢方式的EROI均值分别为0.78,0.60,4.0和5.69,考虑环境投入时EROI均值分别为0.69,0.58,3.7和5.58.通过不确定性分析,得出影响化石能源制氢EROI的关键因素是原料投入量,可再生能源制氢EROI主要取决于发电效率.综合考虑能源资源禀赋和CCS技术之后,煤制氢相较于天然气制氢优势会进一步提升,但两者仍不可持续,可再生能源制氢环保优势显著且具可持续性,是未来制氢产业发展的方向.

基于规划算法的并联制氢装置效率优化控制方法

文章提出了一种并联制氢装置的效率优化控制方法。首先建立了制氢装置的效率模型;然后通过构建多并联制氢装置的效率优化目标函数和约束条件,采用混合整数线性规划算法优化不同并联制氢装置最优功率分配值,实现最大效率运行;最后通过MATLAB仿真验证该方法的有效性和可行性。结果表明,与分级投切、功率均分方式下的运行效率相比,所提效率优化控制方法可有效提高波动功率下并联系统的运行效率。

能源转型背景下电氢耦合项目的经济性研究现状与趋势

氢能作为一种清洁高效的二次能源,以其资源丰富、对环境无污染等优势被视为实现能源转型的重要推力。以2016—2022年WOS数据库中收录的电氢耦合项目经济性研究论文为统计源,借助COOC和VOSviewer软件分析电氢耦合项目经济性研究领域的研究现状与趋势发现:研究热点主要集中在可再生能源制氢、氢储能、氢能应用系统的平准化成本分析、系统成本最优方案及考虑绿证的项目经济性等方面。电氢项目经济性研究未来的发展趋势为:(1)储能/加氢一体站在交通领域应用的经济性研究;(2)探索开展可再生能源制氢在合成氨、甲醇、煤制油气以及冶金等行业应用的经济性研究;(3)不同碳减排激励机制对电氢耦合项目经济性的影响研究。

我国工业领域绿氢发展应用现状与前景分析

以可再生能源制氢替代化石能源制氢是未来工业领域实现绿色低碳转型的主要路径之一,我国水电解制氢技术以碱性电解技术为主,适合波动性新能源的PEM电解技术将有较好的发展前景。从经济性和碳排放两方面对绿氢的竞争力进行了分析,认为目前我国绿氢成本还较高,未来随着新能源电力成本的下降以及碳排放成本的上升,绿氢将逐渐在我国能源体系中发挥重要作用。重点介绍了绿氢发展现状及趋势,分析了绿氢行业存在的主要问题,指出随着我国绿氢化工项目的加速推进,在行业脱碳进程中应重点考虑不要盲目加快绿氢的工业应用进程,需要国家层面在绿氢制备和工业消纳领域出台相应的支持政策,同时建议加快相关标准体系的建设进度。

水资源对我国绿氢产业的影响分析

[目的]文章旨在研究分析我国水资源对绿氢产业发展的影响,揭示水资源与绿氢产业发展之间的矛盾,分析绿氢产业未来发展趋势,为我国可再生能源制氢项目发展布局提供有益参考。[方法]为了证明水资源会在“三北”等地区限制我国绿氢产业发展,结合实地调研情况和文献材料,从水资源政策、传统化工产业用水和制氢技术等角度进行分析论证。[结果]分析结果表明,在我国水资源相关政策限制下,绿氢产业布局应考虑水资源的制约,大规模制取绿氢以及绿氢对化石能源制氢替代,并不能有效节水,反而会促进化工产业用水量增加;在水资源制约下,我国绿氢产业发展须从全局用水角度考虑布局,并要充分结合既有化工产业的发展趋势,同时应考虑海水等可利用的丰富资源。[结论]我国绿氢产业发展不应忽略了既有政策框架、技术水平、产业布局和既有资源特性的问题,布局绿氢项目时,应充分考虑现状和未来趋势,从全局谋划、产业协调发展、资源有效利用等角度考量,解决水资源对绿氢产业的限制问题。