尤石，郑艺，黄纯军
（丹麦科技大学电力与能源中心，灵比校区，哥本哈根DK2800）
摘要：电解水制氢技术，因其在绿氢产业链条中的重要作用，近年来在全球获得了广泛的关注和快速发展。作为绿色国度的代表，丹麦在提升电解水制氢相关技术及其产业链发展的同时，结合其能源系统固有特色，将电解水制氢这一设备层级技术与Power-to-X、风力发电、区域能源及海上能源岛等一系列能源系统升级和转型方案深度融合，从而达到相辅相成、相互促进的目的。针对这一特色，阐述了电解水制氢在丹麦的发展、应用现状及面临的挑战，为相关技术及产业的发展提供了国际上的经验与参考。
0引言
氢能长期以来在石油、化工及交通运输等领域被广泛使用。截至2020年，全球对氢能的需求从1975年的1820万t增至9000万t[1]。作为二次能源，氢能的获取需要通过对一次能源的转换及化工副产物氢气回收等来实现。以煤气化、天然气重整等技术为代表的化石能源制氢手段虽然具高成熟度、低成本等特点，但碳排放高、不具备可持续性，故其氢产物被称作灰氢。相比之下，与风电和太阳能发电等清洁能源相结合的电解水制氢技术在整个生产过程中不会产生温室气体，其氢产物被称为绿氢[2]。鉴于氢能在各领域的广泛应用，这一结合同时为可再生能源的消纳和存储提供了有效的手段。
作为风电和绿色能源国度的代表，丹麦在电解水制氢技术的发展和应用方面一直有其独有的特色。尤其近年来通过与Power-to-X、风力发电、区域能源及海上能源岛等一系列能源系统升级和转型方案深度融合，将电解水制氢这一设备层的技术发展和应用推向了一个新的高度。
1电解水制氢的方法
1800年，英国化学家威廉姆·尼克尔森和安东尼·卡莱尔成功通过电解将水分离成氢和氧。其基本原理为水中的离子在直流电的作用下产生定向运动：即阳离子向阴极移动，在阴极得到电子被还原成氢气；阴离子向阳极移动，在阳极失去电子被氧化成氧气。因纯水为弱电解质，在实际应用中需加入电解液以增加导电能力，使水能够顺利地电解。目前现有的工业化电解水制氢方法主要有3种：碱性水解（AEL），质子交换膜水解（PEM）及高温固态氧化物水解（SOEC），其具体特性见表1。比较而言，碱性水解因其高成熟度已经被广泛应用，质子交换膜水解因其优异的动态特性和装置体积小等特点正被大力推广，而高温固态氧化物水解因其更高的电解效率也备受重视[3]。规模发展上，碱性和质子交换膜制氢系统容量正从兆瓦级快速向百兆瓦级发展，而高温固态氧化物规模还处于百千瓦级别。目前，电解行业整体目标趋于通过降低成本，扩大生产能力和提升动态性能等方式与风光等可再生清洁能源进行结合[4]。
一套完整的碱性电解水制氢设备如图1所示，一般由电源（powe rsupply）、电解槽（electrolysis）和辅助性设备（balance of plant）3个部分组成。其中电源模块需要为电解环节提供直流电，同时被视为电解水制氢设备与电网或其他交直流电力设备如风机、光伏、电池等的互联枢纽。
2电解水制氢与Power-to-X
利用电解与清洁能源的结合获得绿氢，并将其作为社会主要能源的思想早在20世纪70年代被提出，并被反复论证。但因其高成本和如图2所示的因涉及多个能量转换环节导致的低效等问题，在过去并未被广泛采纳。
近年来，全球气候危机影响日渐显著，导致节能减排目标不断提升，并产生了一系列新的具体需求：
1）风光等可再生能源成本的快速下降，及未来迅猛的发展势头导致对新型大规模消纳和储能手段的需求。
2）较难减排的行业和部门对基于新能源间接电气化的需求。
3）对以打破各能源行业间壁垒，提升综合能源利用率的可再生综合能源体系的需求。
以电解水制氢为核心的Power-to-X技术路线正是在这一系列具体需求下应运而生。广义的Power-to-X泛指能源需求向电力转化，即在不同的能源消费环节用电能来替代传统的高碳能源及其载体。相对狭义的Power-to-X则专指以氢能为核心的低碳减排路径，其中也包括与二氧化碳捕捉、封存和利用技术（CCUS）的结合。以图3为例，电解水制氢处于Power-to-X产业链上游位置，可以与可再生能源发电结合制备绿氢，再将其直接或间接应用到交通运输、电力能源、工业及农业等领域。这一路线为可再生能源的消纳和存储提供了多个路径和多种综合能源场景，并极大地提高了对余热、氧气等电解衍生品的利用。其中通过对绿氢再次加工获得绿氨和环保甲醇等绿色燃料的解决方案，被认为是满足海运和航空业减排需求的有效手段[7-8]。值得注意的是，很多下游相关技术，如适合舰船的氨燃料发动机技术等，目前还处于研发初期和测试阶段。
3电解水制氢在丹麦的发展及现状
丹麦对电解水制氢与风电结合的最早示范项目可追溯到2007年，在丹麦的Nakskov历时5年打造了欧洲第一座基于结合风电/电解水制氢/燃料电池/微型热电联产等技术的氢能小镇[10]。此后，尽管丹麦在氢燃料电池发展和加氢站的推广等领域做出了较大的投入，但氢能在丹麦一直未被采纳。直到2020年，随着全球性需求以及丹麦自身目标的提升（如2030电力实现零碳和5GW以上的海上风电建设等），氢能发展进入了快车道。
表2给出了目前在丹麦的电解水制氢分布状况及相关项目的简要情况。截至2021年年底，电解水制氢在丹麦还处于试验阶段，系统总装机容量低于3MW。至2025年，将接近1GW。至2030年，电解水制氢的总装机容量有望超过4.5GW，接近丹麦现有电力负荷峰值的70%。
丹麦目前从事工业规模电解水制氢系统的研发和制造的企业主要有Green Hydrogen Systems和Haldor Topsøe。前者作为一家年轻企业主要针对兆瓦级模块化低温常压和高温高压的AEL技术，后者则作为催化和表面科学领域的全球领先者专注于SOEC及基于氢能的氨制备技术等。从市场份额看，因AEL技术价格和成熟度的优势，目前其占有较高的市场份额[11]。
电解水制氢的技术发展和应用上主要呈现2种趋势：一是通过技术改进提高电解系统相关的效率、寿命、容量和工作范围及动态负荷调节能力，以提升技术的竞争力；二是通过将电解技术与其他相关能源技术、产品和场景相结合，形成多维度的混合或综合能源系统，从而为Power-to-X的产业路径提供低价高品质的绿氢及相关能源载体或产品。
4电解水制氢在丹麦的典型应用案例
4.1利用电解水制氢提供电力系统辅助服务
利用电解水制氢的负载调节及配套储能为电力系统提供调频调峰等辅助服务，一方面可以满足电网对灵活性调节资源的需求，另一方面可以为电解系统的运营商提供新的盈利模式和手段。对于电解系统，其动态响应能力决定了其所能提供的辅助服务内容，以及相关的收益[12-13]。在丹麦及欧洲的电力市场条件下，辅助服务的潜在提供者必须通过电网公司所制定的前期资格审查（pre-qualification），才能获得参与辅助服务市场的竞标资格。以图4中丹麦国家电网对东区（DK1）一次调频设备前期资格审查测试曲线为例，相关设备须在指定功率调节范围内提供至少15min的稳定的功率调节能力，同时保证一定精度范围内小于30s的响应和退出速度[14]。
由欧盟支持，在丹麦开展的Hybalance和QualyGridS等研究从不同程度上证明了利用电解设备提供电力系统辅助服务的可行性。Hybalance项目中1.2MW的PEM电解设备，通过加入聚合商的方式，利用与其灵活性资源动态性能互补的方法，通过了相关资格审查测试，并成功参与了丹麦的电力平衡市场[15]。由丹麦科技大学参与的QualyGridS项目，则对百千瓦以下级别的低温电解设备进行了具体和详尽的实验测试。其结果表明，通过对市场现有的AEL和PEM系统进行相应的技术改进，如将电流控制改为功率控制并提升功率控制的稳定性，以及利用部分容量而非全容量参与电力辅助服务市场等，相关系统则可在很大程度上为电力系统提供快速、有效和可靠的支撑[16]。
4.2电解水制氢与新能源发电的结合
目前电解水制氢与新能源的结合方案主要有图5所示的3种形式。
1）图5（a）是虚拟电厂或直购电模式。即通过虚拟电厂或电力直购的模式将新能源发电与电解水制氢设备进行有机结合来保证绿氢制备。其优点在于可通过灵活选址解决电氢匹配、氢能存储、运输和使用的问题，但因发电与电解设备有各自的并网电，需要二者同时负担并网和过网的相关费用，同时需要额外手段（如绿证交易等）来确保制氢设备的电力来源为可再生能源。其典型的应用案例为Hybalance项目。
2）图5（b）是集中式并网模式。将新能源发电与电解水制氢及后续的氢能存储和利用以工业园区的形式进行集中式开发和并网[17]。这种解决方案具有较高的独立性和自主性，可在一定程度上减少并网和过网费用以及外界电价波动对系统运营的影响，同时可用电网主网或气网等实现与外部系统的互联及内部能量稳定供应。但在选址上比较苛刻，另需对网购电提供绿证等要求以保证100%的绿氢制备。目前，以GreenLabSkive为代表新兴工业园区多采用此种模式，实现园区内部多种电、热、气等能源载体和风、光、水及垃圾等资源的有效及循环利用，并结合Power-to-X等相关技术实现对新型燃料的制备和储备[18]。
3）图5（c）是集中式离网模式。以离网运行的模型对新能源发电与电解水制氢等相关系统进行管理和调控[19-20]。优点在于可以实现可再生能源的100%就地消纳及绿氢的本地制备，但在技术层面因需保证系统的稳定和独立运行，对设备的选取，动态调节能力的要求及实时监控手段等都有较高的要求。目前该类方式的典型案例为由西门子主持的Brande Hydrogen示范项目，其将风机、锂电与AEL以离网的组合方式用于绿氢制备。
4.3基于电解技术的Power-to-X与海上能源岛
海上能源岛是一种新型的战略和技术方案，其基本思想在于利用现有或人造海岛及废弃的油气平台等海上的陆地资源对多个海上风电进行资源整合、集中转化和多样配送，从而实现多时空尺度和多能源场景下对海上风电的规模性消纳。以图6为例，海岛周边的海上风场可以通过该岛完成电到气或再到绿色燃料的部分或全部转换，再利用海底电缆、油气或氢气管道以及海运等途径将相关的能源产品输送到周边大陆。这一综合能源解决方案为海上风电的发展和利用提供了多元化的收益模式，提升了海上风电的竞争力，同时为Power-to-X相关行业和技术的发展提供了新的驱动力和方向。
作为一项庞大复杂创新度极高的系统工程，海上能源岛的研究和发展面临同样诸多挑战和选择。如对电解系统布局可选择临近风机的分布式，位于风场汇集站或能源岛上的集中式，或位于大陆岸边等不同的解决方案[21]。再如，尽管将风电转化为氢或其他液态燃料有助于减少对海上换流站和海底电缆等高额设备的使用，从而减少投入成本以及减少岸上电网扩容的需求，但目前世界上鲜有海上氢气管道和改造利用旧有油气管道的先例，及海上制氢的先例。另外，很多Power-to-X技术还处于高速发展阶段，这给海岛能源方案的相关经济性和具体实施方案带来了巨大的不确定性。目前以汇集海上风场为主要目的的全球第一座位于北海的海上能源岛的兴建计划已于2021年获丹麦议会投票通过。相关招标工作将于2023年展开。有关研究和项目进展将为全球的海上制氢提供宝贵经验。
5电解水制氢带给电力系统的挑战
尽管电解水制氢技术自身的负载调节能力和配套储能是电力系统从低碳向零碳过渡过程中的主要手段之一，但其带给电力系统的挑战也是显而易见的：
1）电解及相关变换器技术的多样性和不确定性导致不同时期不同厂家设备的负荷调控能力之间存在巨大差异：目前含丹麦在内的许多欧盟国家对接入中低压电网的负荷并未做过多的并网技术要求。尽管随着电池、电动汽车、需求侧响应的大面积应用，各国电网已经相继提出了指导意见和并网准则，但多数处于从初期试验到标准形成的过渡阶段。电解水制氢技术如果在短期内产生爆发性增长势必对电网造成一定的冲击。
2）市场对绿氢需求的不确定性将导致相关电力需求的不确定性：因绿氢的制备成本在短期内还将大大高于传统的制氢手段，市场对绿氢的需求存在巨大的不确定性。对电网而言，提前对电力系统扩容尽管为绿氢的发展提供了可靠的容量保障，但极可能导致电网资源在一段时期内使用率低，从而造成资源浪费；而扩容滞后则会阻碍清洁能源的发展和市场需求。
针对以上两点问题，丹麦各方目前主要采取多管齐下的手段。如通过加强企业与高校的联合，推动电解水制氢与电网支撑形变换器（grid forming converter）及相关控制技术的结合，从而将电解水制氢从被动的用电设备变为主动的电网灵活性可控资源。再如通过企业间及企业与政府间的合作，以区域能源网的形式同时推动区域范围内风光发电与电解负荷的同期增长，从而减少对主干电网的依赖和影响。另一方面，丹麦国家电网以透明和公开的方式对Power-to-X相关企业和项目进行引导和辅助，包括将电网现有和未来不同时期不同地点的可接入发电和负荷容量以容量地图[22]的形式提供给社会等。
6结语
尽管绿氢在全球范围内正在掀起新的一轮能源革命，但相关的技术及产业链还处于探索和经验积累期。本文介绍了电解水制氢技术在丹麦能源系统中的发展和应用，分享了丹麦电力系统对大规模电解并网的引导思想——即更多地从技术结合以及综合能源系统的角度推动相关技术和产业链的发展和应用，为相关技术及产业的发展提供了国际上的经验与参考。