文/王宇田 中国石化集团物资装备部（国际事业公司），转载自《当代石油石化》2024年第10期
氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体。虽然传统化石能源制氢及氢气在工业领域大规模应用已非常成熟，但随着我国能源安全新战略的实施，未来制氢能源消费将从以化石能源为主逐步转变为以风能和光能等可再生能源为主。据高工氢电产业研究所数据，截至2024年3月底，我国公开在建及规划建设的电解水制氢示范项目装机总规模超过64GW，绿氢项目建设呈爆发式增长，我国风光发电制绿氢装备市场将开启万亿级新赛道。
1大型风光发电制绿氢主要装备发展现状
1.1电解水制氢的电解槽
电解槽是电解水制氢的核心设备（约占全套电解水制氢装置成本的50%），也是电解反应发生的主要场所。制氢电解槽可以分为碱性电解槽（ALK）、质子交换膜电解槽（PEM）、高温固体氧化物电解槽（SOEC）、固体聚合物阴离子交换膜电解槽（AEM）4类，其性能比较见表1。其中ALK已有数10年产业应用，是我国现阶段大规模制绿氢项目选用的主流电解槽。PEM已实现小规模应用，但投资为ALK的4~6倍。SOEC和AEM还处于研发阶段。
据统计，2023年以来我国招标电解槽项目29个，招标规模累计超2220.5MW，其中ALK占94.2%，PEM占3.0%，SOEC占2.8%。ALK开发了圆形带压、方形常压、模块化等3种技术路线，均有企业进行了布局。从技术成熟度、产品稳定性、经济性等因素综合来看，圆形带压ALK是目前大型绿氢项目采用的主流电解槽，其中1000Nm3/h圆形带压ALK已率先完成大规模实际运行验证，2000Nm3/h及以上圆形带压ALK的可靠性和稳定性仍需通过示范验证。
近年来圆形带压ALK价格下降较快，2024年中车株洲所和阳光氢能中标单套1000Nm3/h电解槽价格分别为436万元和479万元，较2020年前同类产品下降近一半。方形常压ALK和模块化ALK虽然能满足电解槽向大型化发展的趋势，新品不断涌现，但价格相对更高（目前为圆形带压ALK的1.5~2.0倍），且投运示范案例不多，还需进一步产业化实际应用，以提高其可靠性和稳定性。另外方形电解槽面临一些挑战，如在下游高压力场景应用时需要增加压缩设备、方形电解槽密封垫片寿命约为圆形碱性电解槽密封垫片的一半。
1.2气液分离系统和纯化系统
气液分离系统包括卧式气液分离容器、冷凝器和除雾器，可将来自电解槽的氢气、氧气和电解质（液体）分离。纯化系统用来脱除来自气液分离系统氢气中的饱和水和微量氧气，以及来自气液分离系统氧气中的饱和水和微量氢气。以前，电解水制氢项目都采用1个电解槽对应1套气液分离系统和1套纯化系统，中国石化新疆库车绿氢示范项目首创性采取了8台1000Nm3/h电解槽对应2套4000Nm3/h气液分离系统和1套8000Nm3/h纯化系统，并已通过稳定运行检验，减少了制氢用地和设备投资，有效提升了风光发电制绿氢项目的经济性。中国石化工程建设公司和广州工程公司、隆基氢能、考科利尔竞立、中船派瑞均已具备设计和提供“一对多”气液分离系统和纯化系统的能力。
1.3整流器
当前，整流器主要分为晶闸管（SCR）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。2种整流器结构不同，在大型风光发电制绿氢项目中均有应用案例。
SCR制氢电源为AC/DC一级变换，被称为半控制型整流器，一般采用有载调压变压器＋SCR整流器。SCR响应速度根据负载率变化大小可达秒级和毫秒级，谐波较高，功率因数约0.95，需要配置专门的谐波治理装置、无功补偿装置、有载调压变压器，抵御系统波动能力差，成本低。
SCR整流器功率通常可达兆瓦级，在氯碱行业已有超过40年的应用历史，并成功应用于中国石化新疆库车2万t/a绿氢示范项目。供应商有湖北英特利电气、青岛艾迪森、北京京仪椿树、卧龙电驱、英杰电气等企业。
IGBT制氢电源采用AC/DC＋DC/DC两级变换，一般采用效率更高的电力变压器＋IGBT整流器。与SCR电源相比，IGBT属于全控型整流器，开关控制更为精细，开关频率更高，响应速度小于百毫秒级，能显著降低整流过程中产生的谐波含量，更适用于电力波动的风电光伏制氢项目，功率因数超过0.99，具备无功补偿功能，进而能减轻对电网及发电设施的冲击。IGBT在电网兼容性方面表现更为出色，但成本更高，按每1000Nm3/h电解槽配备1套制氢电源，其中SCR制氢电源价格20万~30万元、IGBT制氢电源价格120万~150万元。由于IGBT价格下降明显（已比2020年前降低30%），加之SCR电源在大规模制氢项目中需搭配特种变压器和无功补偿装置降低谐波，而IGBT制氢电源只需普通电力变压器，从综合成本来看，SCR电源优势不显著。
自2023年内蒙古那日松绿氢项目首次大规模使用IGBT电源以来，IGBT在我国兆瓦级大功率用电场景中的应用逐渐展开，大功率IGBT技术的国产化进程加速，中车时代、许继电气、阳光电源、禾望电气、汇川技术、福瑞电气等电源企业，以及雷动智创、中科智寰等初创企业都已瞄准IGBT技术赛道。
1.4大型气态氢气储存容器
由于液化储氢、固态储氢尚处于研发阶段，且这些储氢方式的氢气充放速度慢、技术要求高，难以匹配大型风光发电制绿氢项目氢气产量的高波动性，因而大型风光发电制绿氢项目基本采用压缩氢气储存方式。压缩氢气储存容器包括球罐、子弹罐等。
储氢球罐是常用的大规模气态氢储存容器，我国已投产的中国石化新疆库车绿氢示范项目、内蒙古华电包头市达茂旗20万kW新能源制氢工程等均采用球罐储氢。储氢球罐通常总容积不超过30000Nm3，球壳用钢板厚度不宜大于50mm，压力不超过6MPa，具有技术成熟、投资低等优点，缺点是储氢效率低，占地面积较大。
子弹罐属于卧式压力容器。子弹罐直径一般不大于8m，长径比一般不大于8，壁厚不应超过200mm。子弹罐的设计规格主要受限于运输方式，无论是成品罐整体运输，还是先分段运输再现场组焊，子弹罐最大尺寸都不宜超过4m×40m，对应容积约500Nm3。子弹罐压力不超过15MPa，技术较成熟，投资较低，占地适中。子弹罐不适用于中低压储氢，同样1.4MPa储氢压力下，子弹罐投资约为球罐的1.4倍。随着子弹罐操作压力从1.4MPa增加到15MPa，有效储氢容积增加约12倍，子弹罐投资随压力变化差异不大，综合考虑储氢和用氢能耗，子弹罐更适用于高压储氢和高压用氢场景。
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1.5氢气压缩机
目前，氢气压缩机主要有隔膜压缩机、液驱活塞压缩机、无油活塞压缩机、离子液体压缩机等，4种氢气压缩机工作原理、组成各有差异，各具优缺点（见表2）。我国大型风光发电制绿氢项目氢气压缩机大多采用无油活塞压缩机，如中国石化新疆库车绿氢示范项目、玉门油田可再生能源制氢示范项目。沈阳鼓风机集团利用往复压缩机的气量控制方法，对绿氢耦合炼化用氢气压缩机组流程进行了针对性优化设计，以解决波动性风光发电制绿氢与稳定供氢的矛盾。加氢站用压缩机大多采用隔膜压缩机和液驱活塞压缩机，其中隔膜压缩机应用较多。离子液体压缩机在国内应用案例最少，仅林德公司在部分项目中进行了示范应用。
2大型风光发电制绿氢主要装备发展前景
我国大型风光发电制绿氢主要装备未来发展前景广阔。
首先，大力发展风光发电制绿氢符合世界能源绿色低碳发展潮流。全球已有多个国家制定本国氢能产业中长期发展战略，国际氢能委员会预测，2050年氢能将占全球能源消费总量的18%~24%，我国未来氢能需求将大幅增长。据预测，2060年我国氢能市场需求量将超过8500万t，占终端能源消费比重的12%，电解槽装机规模将超过350GW。
其次，我国政府高度重视氢能发展。国家发展改革委、国家能源局印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》中，将氢能定位为未来国家能源体系的重要组成部分、用能终端实现绿色低碳转型的重要载体、战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向，并统筹部署了我国氢能产业发展。2023年8月，我国多部委联合印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，系统构建了氢能制、储、输、用全产业链标准体系。2024年4月，氢能被纳入《中华人民共和国能源法（草案）》，与石油、煤炭、天然气等并列作为能源进行管理。
再次，我国近年来氢能产业发展整体已处于世界领先水平。一批先进技术、高端首台（套）装备正逐步推向市场，氢能装备的性能和价格在全球具有竞争优势，专家预测制氢电解槽将成为我国第4个大宗出口的新能源产品。氢能与其他行业多元融合发展的应用场景不断拓展，主要以化工应用为主。据统计，我国当前规划绿醇和绿氨总产能分别超过2043万t和796万t，开工率分别为2.35%和25.9%。此外，氢能在交通领域应用发展迅速，我国加氢站数量位居世界第1，累计建成加氢站456座，约占全球总数的36%。
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3大型风光发电制绿氢主要装备现存主要问题
风光发电制绿氢的装备水平严重影响绿氢产业发展速度和质量。虽然我国近年来风光发电制绿氢装备技术和国产化水平日益提高，标准不断完善，但由于我国氢能产业整体仍处于发展初期，风光发电制绿氢装备还存在一些制约行业发展的共性问题。
1）我国大型风光发电制绿氢装备仍需解决关键技术问题，如ALK运行负荷下限值难以达到30%的设计指标问题，目前ALK在50%以下低负荷运行时会因氧中氢超标而导致制氢系统连锁停车；电解槽维修不便问题，ALK出现故障后，需将整个电解槽返厂拆解和维修，维修周期长，费用高，严重影响正常生产；电解槽电耗较高问题，ALK实际电耗4.5~5.5kWh/m3氢，与理论电耗相比仍有差距。另外，电解槽在波动的可再生电力下能否长周期稳定运行有待示范项目进一步验证，尤其应注意电解槽关键零部件出现问题导致电解水制氢装置出现漏碱、氢中氧或氧中氢超标等问题。
2）我国大型风光发电制绿氢装备成本较高。虽然近年来我国ALK成本下降快，但仅靠增大电极面积、堆叠小室数量的发展路径已遇瓶颈，需要通过革新材料、改进工艺来进一步提高性价比。IGBT等核心装备成本仍然较高，需研制整体效率更高、成本更低的风光发电制绿氢装备，使绿氢生产成本与传统化石能源制氢相比更具竞争力。
3）我国大型风光发电制绿氢装备还存在标准不全或不与时俱进问题。如各供应商检测范围和方法各异，数据可用性和真实性存疑，迫切需要国家层面设立和发布电解槽性能指标标定机构和方法。另外，我国储氢球罐标准未同步更新，不能满足波动风光发电大规模制绿氢和稳定供氢的需要。储氢球罐仍执行GB50177—2005《氢气站设计规范》要求的“一组卧式、立式或球形氢气罐的总容积不应超过30000Nm3”。为满足下游稳定供氢需求，大型风光发电制绿氢项目需要建大量储氢球罐，增加了绿氢生产成本和占地面积，虽然2022年我国住房和城乡建设部发布国家标准《氢气站设计标准（征求意见稿）》取消了该限制，但一直未发布修订后的《氢气站设计规范》。
4结语
无论是从世界能源发展潮流看，还是从我国产业政策及行业发展水平看，我国大型风光发电制绿氢装备未来发展前景广阔。目前，我国风光发电制绿氢主要装备还存在一些制约行业发展的共性问题，建议加强高水平风光发电制绿氢装备的研制，解决关键技术问题，进一步提高装备性价比。如解决ALK30%低负荷长时间稳定运行、维修不便、电耗高等问题。此外，加快健全我国风光发电制绿氢装备的相关标准，满足风光发电制绿氢产业大发展的需要。如应尽快完成储氢球罐标准修订，出台电解槽性能标定和检测方法的标准或规范，并确定国家层面权威的电解槽性能标定机构。
