Cleaning World 第37卷第3期2021年3月
文章编号：1671-8909 (2021 ) 3-0003-003
骈松，赵燕晓，杨泽鹏，刘涛，王晓威
(中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北邯郸056000)
摘要：传统的化石能源储备是有限的，大力开发可再生能源，加快提升非化石能源的比重，减少碳排放是今后发展的方向。水电解制氢技术已相当成熟，将可再生能源与水电解制氢技术相结合，从而和氢能源形成微网，可以实现能源的有效转换，提高可再生能源的利用率和占比，而且可以将制取的氢气作为燃料应用在工业P2 G中，被认为是解决大规模储能和碳减排耦合的关键。然而要想真正实现利用可再生能源大规模制氢技术的发展，本文 分析了制约其大规模发展的瓶颈以及应对方案。随着我国可再生能源发电量的提高，可再生能源与水电解制氢向 着电氢体系迈进，最终实现“碳达峰”和“碳中和”的目关键词：可再生能源；氢储能；碳中和；能源系统 中图分类号：TQ1I6 文献标识码：A
1绪论
1.1我国的能源供应体系
能源是人类生存和发展必不可少的，进入新时代的 中国，能源供应体系也进入了新的发展阶段。我国坚持 绿发展理念，不断推动能源技术革命，建立多元能源 供应保障体系。
首先，大力推动传统化石能源的清洁高效利用，煤 炭、石油和天然气是能源供给的三大支柱。其次，大力 开发可再生能源，加快提升非化石能源的比重，将绿 低碳可再生能源的发展作为主导方向。
1.2提升可再生能源在供应体系中的比重
传统化石能源在地球上的储备是有限的，随着人类 的不断开采，化石能源的枯竭不可避免，而且大部分化 石能源在本世纪将被开采殆尽，一旦煤炭、石油和天然 气等不可再生能源枯竭，人类将会面临严重的生存和发 展挑战。同时，由于传统化石能源在使用过程中会新增 大量的温室气体C02，使得全球变暖，生态气候环境不 断恶化，而且可能产生一些有污染的烟气，威胁全球生 态。因而，开发更清洁的可再生能源，减少碳排放是今 后发展的方向。
我国可再生能源的开发利用规模居世界首位，截 至2019年底，我国可再生能源发电总装机容量7.9亿 kW，约占全球可再生能源发电总装机量的30%，且自 2010年以来，中国在新能源发电领域累计投资
约8180 亿美元，约占全球同期新能源发电投资的30%。我国幅标以及推动现有能源系统向更新型、更优化的方向发展。
员辽阔，具有丰富的绿可再生能源，如西北部的风能、太阳能资源，东南部沿海的水能资源。
我国大力推进绿低碳能源替代高碳能源，可再生 能源替代传统化石能源，例如推动太阳能多元化利用，加快实施光伏发电技术革新，协调推进风电开发，科学 有序推进水电开发，提升可再生能源在供应体系中的比 重等。
2可再生能源水电解制氢技术
2.1氢能源的发展优势
在可再生二次能源中，氢能和氢储能具有明显优势：(I)能量密度高；（2)清洁高效，零污染，具有可循环 性；（3)对于减少碳排放具有重要意义，是实现碳中和 的主力军；（4)实用性强，应用场景广泛，是一种理想 的能量储存介质。
此外，风能、太阳能、水能等可再生能源，由于其 具有不均匀性、间歇特性，并且发出的电能在并网输送 时会带来冲击，引起电网的波动，这些不确定因素使得 其很难为后端负载提供一个持续稳定的能源，从而造成 了该可再生能源的大量浪费，出现了大量的“弃水、弃 风、弃光”。
针对于这部分可再生能源的电力消纳问题，可以结 合清洁高效的氢能源形成微网，实现能源的有效转换，从而提高可再生能源的利用率和占比，有效支撑可再生 能源的大规模发展，并且能够推动现有能源系统向更新
精馏塔填料
作者简介：骈松（1990-)，男，工程师，获硕士研究生学位，主要从事水电解制氢设备的设计生产研究。收稿日期：2021-03-16。
•4 •清洗世界第3期
型、更优化的方向发展。
2.2可再生能源与水电解制氢的结合
制氢方式众多，常见的有烃类水蒸气法、煤气化法、水电解法、氨分解法、甲醇转化法等。在众多的制氢方 法中，水电解法因其制造过程不仅环保清洁，无有害杂 质的排放，而且电解产生的氢气纯度高，因而备受关注。更为重要的是，制氢设备启动时间快，响应迅速（可以 达到秒级响应），而且运行负载范围较宽，可以很好的 适应和匹配可再生能源电力的间断性、波动性，因此可 以利用上述的“弃水、弃风、弃光”等可再生能源消纳 制氢，并且氢储能被认为是解决不能并网电力用途的最 有效途径。
目前国内外己经就如何将可再生能源与氢储能利用 以及更好的转化进行了广泛研究，并在部分地区建成了 示范运行项目。例如，①宁夏宝丰能源集团项目，该项 目一期工程建设20 000 NmVh碱性电解水制氢装置，就 如何更好的将太阳能发出的电转化为氢储能给出了综合 应用示范。②国电投宁东可再生能源制氢示范项目，该 项目利用自备电厂与光伏发电耦合形成微网进行水电解 制氢技术，确保多重不确定因素环境下水电解制储氢能 够安全、可靠、高效地运行。③挪威优特西拉岛上风能 和氢储能相互转化的著名案例，当岛上的风力较大，风 能电力过剩时，通过风能发电来电解水，并将产生的氢 气储存起来；当岛上风力较小时，储存的氢气通过氢燃 料电池发电技术产生所需的电力，从而实现了可再生能 源和氢储能之间的相互转化，保障岛上居民的正常电力 供应。
国际能源署IE A发表的氢能报告指出：今日的氢 能与以往不同，它将以前所未冇的势头蓬勃发展。世界 多国如美国、日本、德国甚至将发展氢能源提升到国家 战略高度，荷兰于2020年3月公布了“政府对氢能的 愿景”氢能战略，该国正朝着建设欧洲第一个氢谷的方 向前进，欧洲最大的绿氢气项目之一也己经在该国格 罗宁根进行着，并举办多次会议讨论了风能如何更好的 转化为氢能，研宄其中存在的机遇和挑战。中东和北非 地区依托天然气储备、太阳能和风能转化为绿氢能发 展的潜力巨大，多次举办会议，邀请世界氢能专家学者 讨论如何把该地区的大量太阳能和风能转化为大规模制 氢系统，如何低成本地利用光能更有效的转化为绿氢 能源，电网基础设施或交通系统是否做好应对大规模氢 能源的准备，并且深入讨论其中存在的机遇和挑战。
3可再生能源大规模制氢的发展瓶颈和解 决方案
3.1发展可再生能源大规模制氢的制约因素
将可再生能源与水电解制氢技术相结合，可以实现能源的有效转换，提高可再生能源的利用率和占比，而
且可以将制取的氢气作为燃料应用在工业P2G中，被
认为是解决大规模储能和碳减排耦合的关键，从而形成
氢储能和可持续能源循环发展的理念。
然而，要想真正实现利用可再生能源大规模制氢技
术的发展，以下几点因素是制约其大规模发展的瓶颈：
(1)多能互补的协同控制和能量优化管理有待加 强。虽然水电解技术被认为是可再生能源消纳制氢最
有效的途径，但是由于风能、太阳能发电的间歇性，波
动性，包括水动能发电也有枯水期和丰水期，这些不确
定性因素使得其很难提供持续稳定的电力供应，因此这
部分能源的尖端特性会导致水电解制氢设备的利用小
时数低，最终分摊到每公斤产氢的投资相关成本高昂，
转子动平衡目前风电制氢成本在25〜40元/kg，这与汽油、柴油和
锂电池能源应用相比竞争力并不突出。因此，多能互
补的协同控制和能量优化管理技术是未来研究的重点，
只有将风能、太阳能等可再生能源高效集成的利用起
来，才能降低整个系统的成本，可再生能源大规模制
氢才能更好的发展。
(2)氢能的大规模储存和运输环节是盘活整个氢能 产业链的关键。即使通过膜电极新材料的研发和技术进
步降低电解水的制氢成本，现阶段85%的氢能也只能
就地消化使用，而且在经过储存、运输、加氢等多个环
节层层叠加后，最终导致氢气价格较高，这在客观上限
mp3机制了氢能的广泛应用，在可再生能源大规模制氢系统中，
储氢和输氢是难点和痛点。
(3)可再生能源大规模制氢缺乏应用场景。目前，我国氢能产业发展尚处于起步阶段，表面看似态势火热，
实则“虚”火旺盛，真正有实力、有能力的企业并不多。
而且国内的示范项目对氢气的用途还不够明确，缺乏实
际的应用场景，这就导致项目的示范作用较弱，整体的
应用场景和使用规模不够充分，这就在一定程度上导致
电价很难下降，从而限制了大规模制氢的发展。
3.2发展可再生能源大规模制氢的解决方案
针对以上限制因素，现提出如下应对解决方案：
(1)可以将风力发电和太阳能发电协同作用，并且
利用离/并网直流微网实现风/光资源和制储氢负荷之
间的时空耦合和高效集成。
具体来说，可以利用白天太阳能发出的电，实现
能源的储存或直接应用在水电解制氢系统上，晚上利用
风能发电供给水电解系统制氢。针对于这部分可再生
能源的尖端波动特性，将风力发电和太阳能发电协同作
用，争取为负载提供一个持续稳定的能源，提高多能互
补的协同控制和能量优化管理能力，保障风能、光能、
氢能的高效利用。同时在水电解制氢类型中，基于纯水 PEM技术有着更好的响应速率和宽功率调节范围特性，
可以采用大容量的碱性设备耦合纯水PEM设备，两者
第37卷骈松等.可再生能源大规模制氢前景概述
共同应用到可再生能源制氢系统中，从而能够更有效地 提高系统的利用率，最终降低整个系统的成本。
(2)
探索大规模氢气的储存运输之道。建设制氢加
氢一体站，通过长管拖车或者高压储氢容器运输，实现 降低大规模制氢、运氢、用氢系统的成本。
发展低温液氢的储运技术，深入研宄天然气管道 输氢和天然气掺氢技术，建设输运氢气的管道网络系 统，具体来说可以在现有天然气管道的基础上改造成纯 氢输运管网，也可以在天然气中掺杂一定比例的氢气， 实现大规模氢气的储存和运输。深入研究和充分利用 盐洞和枯竭的气田做为储氢库，破解大规模储氢问题， 例如在欧洲180亿m 3的盐穴可存储约40亿kW • h 的 氢气。
(3)
加强可再生能源大规模制氢规模化示范项目的
引导和鼓励措施。完善氢能相关的产业布局和专项规划， 通过建设示范项目从多方面引导氢能的应用场景，从而 拓宽用氢领域。
一是可以在天然气中混合一定比例的氢气来燃烧供 给能源；二是以氢代替碳，将氢引入炼钢工艺，从而显 著降低碳排放的氢冶金技术；三是开发氢气合成化工产 品的技术，例如氢气合成氨、甲烷等，又如将氢气和一
氧化碳1 : 1混和可以生产燃料，I : 4混合可以生产塑 料等。
以上这些方法都是引导氢能由燃料电池领域向其他 工业领域拓展的措施，不仅使得氢气的应用规模能够得 到有效的扩大，而且是实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要途径。
参考文献：
[1]
刘立.我国能源供应体系建设的思考m .国土资源情报， 2019,(12):58-63,[2] 王健.氢经济开创绿能源新时代[〗].环境保护，
2004,9(25):52-55.[3]
张毅，周英峰.中国将逐步提高优质清洁可再生能源在能 源结构中的比例[J ].水力发电，2008,34⑴:98-98.
[4] Jun Chi , HongmeiYu.Water electrolysis based on renewable
energy for hydrogen production [J].Science Direct , 2018,390-
394.
[5] 郝伟峰，贾丹瑶，李红军.基于可再生能源水电解制氢技
术发展概述[J ].价值工程，2018,29(98):236-237.[6]
李争，张蕊，孙鹤旭，等.可再生能源多能互补制-储- 运氢关键技术综述[■!].电工技术学报，2021,36(3):446-462.[7]
刘少文，吴广义.制氢技术现状及展望[J ].贵州化工， 2003,28(5):4-9,
[8] 骈松、孙邦兴、杨华.基于可再生能源纯水电解制氢技术
展望[J ].山东化工，2020(15):72-73.
[9] M .Korpas , C .J .Greiner . Opportunities for hydrogen production
in connection with wind power in weak grids [J ]. Renewable Energy , 2008,33(6): 1199-1208.陶瓷球
[i 〇]蔡国伟，孔令国，薛宇，等.风氢耦合发电技术研究综述m .
电力系统自动化，2014,38(21):127-135.
[11] 郑津洋，开方明，刘仲强，等.高压氢气储运设备及其风
险评价[J ].太阳能学报，2006(11): 1168-1174.
[12] 张京萍.拥抱氢经济时代全球氢冶金技术研发亮点纷呈[J ].
柳钢科技，2019，19丨(06):62-63.
(上接2页）
外用药酒现了清洗过程的自动化。
本系统研究由于只在理论上进行了设计与研宄，因 此还有很多实际的工程问题没有解决，如：控制系
统的 设计，喷射量及喷施时间的控制等需要进一步完善等。 所设计的喷淋装置具备较好的通用性，适用于工业自动 化生产线控制系统，可以针对不同清洗对象需求进行相 应的改进设计，从而达到较好的清洗效果。
激光焊管
参考文献：
[1] 李应海，杨文迪.中压水射流技术在焦化火车罐车清洗的 实践[J ].四川化工，2020,23(05):43-46.[2] 黄斌维，瞿为.中低压水射流清洗铁路槽车技术研究[J ]. 兰州石化职业技术学院学报，2017(03):9-11.[3] 冯超，黎双周.中低压水射流技术在铁路槽车清洗中的应 用[J ].安阳工学院学报，2017(04):29-32.
[4]
章夏夏.鸡胴体表面污染物在线检测及处理设备的设计与 开发[D ]，南京：南京农业大学，2015(06>:86.[5] 张剑波.清洗技术基础教程[M ].北京：中国环境科学出版
社，2004.
[6] 庄蕾.高压水射流清洗用喷嘴及喷头[J ].清洗世界，
2003(19):28-29,[7] 刘丽华.玻璃清洗机电气控制系统设计P ].广东：广东工 业大学，2008
[8]
纪龙龙，谢焕雄，颜建春，等.马铃薯清洗设备研究现状 及展望[J ].中国农机化学报，2020,4丨(04):98-104.
[9] 王莉，陈勤超.淹没水射流方式清洗櫻桃番茄的试验研究
[J ].农业工程学报，2007(09):86-90.
[10] 赵宏亮，边晓东，刘建民，等.快排清洗槽中节水阀的应
用分析[J ].清洗世界，2020,36(03):4345.
[11] 马志强.复杂光机系统机械结构件表面高压水射流量化清
洗工艺研究[J ].清洗世界，20丨9,35(08>:23-27.[12] 刘亨凡.基于甘草清洗的高压水射流扇形喷嘴仿真研究
[D ].甘肃：兰州理工大学，2016.
[13] 左健民.液压与气压传动[M 】.北京：机械工业出版社， 2007.
