2024年可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践报告

四川大学可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践

研究背景

• 绿氢：作为一种新兴产业，可实现可再生能源的规模化消纳，并在化工、交通等领域实现脱碳减排。
• 需求与潜力：2020年中国氢气年消费量为3342万吨，其中37%用于合成氨，19%用于合成甲醇。预计2050年全球气温升幅控制在2.0°C以内，需大量绿氢。
• 政策支持：《“十四五”新型储能发展实施方案》将可再生能源制氢氨、氢氨储能列为长周期储能的重点试点方向。

电解水制氢装置动态运行建模

• 系统组成：包括电堆（电解槽）、分离器、碱液循环、纯化、压缩机、冷水机等。
• 动态运行：涉及电化学、传热和传质过程，建立状态空间模型，涵盖电解槽、单槽内流道和完整系统。
• 参数估计：采用贝叶斯推断和自适应多项式代理模型，实现在线自动调整参数。
• 实例验证：在5kW、25kW和5MW等不同功率等级的碱性制氢系统上进行实验验证。

ReP2H一体化能量管理

• 系统构成：包括发电、制氢储氢及后续化工负荷，各元件调节时间尺度差异大。
• 多时间尺度管理：构建分层能量管理框架，协调发电、制氢和氢负荷。
• 离网应用：开发实时控制策略，通过储能系统和电解槽协调分配调节功率。
• 实际案例：吉林长春某光伏制氢加氢一体站，包含4MW屋顶光伏和600Nm³/hPEM电解水制氢装置。

ReP2H系统有功-无功协调优化

• 非线性关系：有功和无功负荷之间存在矛盾，影响电-氢能量转换效率和网络中的有功/无功潮流。
• 优化方法：提出有功-无功协调能量管理方法，通过分解算法实现实时在线优化控制。
• 案例应用：吉林松原绿色氢氨醇一体化项目，包含750MW风电和50MW光伏，制氢站包括60台5MW碱性电解水制氢装置。

多主体参与情况下的考量

• 投资模式：涉及多个主体对可再生能源、制氢站和化工合成系统的投资。
• 投资困境：政策支持下，存在一个或多个投资主体不愿参与项目的困境。
• 多主体模式：分为单一主体模式、双主体模式和三主体模式，各有优缺点。

总结

四川大学在可再生能源发电制氢一体化系统方面开展了广泛研究，涵盖了电解水制氢装置的动态运行建模、ReP2H一体化能量管理及有功-无功协调优化，同时探讨了多主体参与的投资模式。这些研究为实现大规模绿氢工业化应用提供了理论和技术支持。