新能源离网制氢项目容量配置研究

  自国家能源局第三批大基地项目申报条件公布以来，基地项目由跨省传输逐渐转换为区域自消纳。在新能源资源相对富集的区域，当地负荷不能够满足新能源电量全额消纳，由此导致部分地区新能源项目开发进度受阻。在此背景下，将新能源产业延伸到下游消纳领域，积极探索与新能源高度耦合的电解水制氢方案成有望成为破局关键。

  新能源制氢工程有并网和离网两种形式。其中离网型不从电网取电，或仅由电网提供维持设备安全运作的保底电源，对电网的依赖及冲击都降至最低，是新能源制氢的主要发展方向。

  而新能源离网制氢工程规划设计工作首先要解决的问题，就是新能源与制氢设备装机容量配比问题。科学合理的配比将提高全系统设备使用率、降低初期投资，降低弃风/弃光率、提高绿氢产能，来提升系统总体利润、保证工程建设项目收益率。

  早期的配比研究多以电力平衡为主，即电解水制氢装置的总负荷与新能源总装机/最大出力一致。这一方案能保证新能源所发电力全额消纳，不出现弃风/弃光现象。但该方案下电解水制氢装置的利用率等同于新能源的容量系数，而由于新能源本身的容量系数较低，如风电在20%～30%之间、光伏在15%～20%之间，势必造成电解水制氢装置的长时间闲置，初始投资被浪费、经济效益较差。

  进一步的研究则改用电量平衡法进行估算，即电解水制氢装置的总耗电量与新能源总发电量一致。这一办法能够明显降低电解水制氢装置的容量，并且通过设定不同的装置利用率，还可以最大限度逼近最优配比。因此，这也是目前较为常用的估算方法。

  但电量平衡法存在着显而易见的缺陷。在装置利用率高于新能源容量系数的前提下，采用电量平衡法估算的电解水装置容量将小于新能源总装机/总出力。这就从另一方面代表着在不考虑储电的前提下，部分时段新能源场站出力大于电解水制氢装置最大负荷，弃风/弃光不可避免。换句话说，电量平衡法难以准确估算新能源离网制氢的产氢量，计算结果偏乐观。

  实时能量平衡模型是一种比较准确的模拟新能源离网制氢的实际运行工况的数字仿真模型。该模型将统计系统所有参与方的能量流入、流出情况并进行实时平衡计算，从而仿真计算不同容量配比下的系统运行参数。基于该模型，能够最终靠穷举法或逐次逼近法等寻优算法计算得到最优配比。

  严格来说，能量平衡计算应采用基于新能源离网制氢系统各工艺装置暂态响应特性的暂态能量平衡模型。但考虑到化工及冶金工艺装置的复杂性：设备及零件种类多、数量大，影响暂态响应特性的因素过多，使得暂态能量平衡计算难度太大。因此，本阶段暂时采用稳态能量平衡模型进行计算。

  稳态能量平衡模型的时间颗粒度（计算时间步长）则是影响计算结果的一个主要的因素。考虑到本项目暂时处于规划阶段，该阶段资源分析的最小时间颗粒度一般为小时级；同时本项目主要化工及冶金工艺装置的响应时间为分钟级，采用更大时间颗粒度进行计算可以有效抹除工艺装置响应特性的影响。因此本阶段稳态能量平衡计算以1小时为最小计算时间步长。

  新能源离网制氢系统主要参与方有：风力发电装置、光伏发电装置、电化学储能装置、制氢装置，以及化工工艺的辅助装置等。为便于计算，化工工艺辅助装置的能耗归并入制氢装置能耗中，不再单独考虑。同时，风力发电装置和光伏发电装置的出力合并，作为新能源电源出力统一考虑。则能量平衡公式为：

  其中，P发为新能源电源发电出力；P放为电化学储能装置放电出力；P氢为电解水制氢装置负荷；P充为电化学储能装置充电负荷；P弃为弃电功率。

  在这些参数中，电解水制氢装置负荷、电化学储能装置充放电负荷均受设备正常运行特性及调度方案约束。以碱性电解水制氢装置为例，其工作特性及约束条件可归纳为启停特性、保温特性、调节特性、效率曲线项，具体到能量平衡模型中则可简化为：制氢设备最小负荷为电解槽额定功率的20%，电源出力低于此限值的，电解槽转入停机保温；高于此限值的按线性系统考虑，且忽略电解槽启动时间。

  当新能源出力与电化学储能装置放电能力合计小于制氢最小负荷，则制氢装置停运。

  当新能源出力小于制氢最小负荷，但新能源出力与电化学储能装置放电能力合计大于以上负荷时，储能放电支撑制氢。

  当新能源出力充足则根据发电量产氢，如有余电则由电化学储能装置充电储存，电化学储能装置充满后余电弃电。

  以某氢基竖炉新能源项目作为研究对象，在确保竖炉年需氢量的前提下对新能源装机、制氢设备容量及储能装置容量进行计算，研究出经济效益最优的配置方案。在计算过程中以小时为单位，在一个完整年内依次迭代计算。待完成全年8760小时的计算后，分别统计项目理论发电量、实际使用电量、制氢量、电化学储能装置充放电量、弃电量等，从而得到全年的主要运行指标。通过多指标反复迭代，最终选取投入产出比最优的配置方案。

  下图是通过迭代计算，得到该项目最优容配比后本系统在一个典型日内（10月21日）的负荷平衡计算结果。

  从上图可见，该日光伏为典型出力；风电则有两个峰值：23时至次日1时、14时至16时，其余时段出力较小。全天24小时内，风、光总出力均大于制氢装置最小负荷与竖炉装置负荷之合，制氢装置可全天工作。

  进一步的分析可知，凌晨时段及下午时段风电出力较小时，电化学储能放电，支撑制氢装置工作，分别至上午7时和下午7时电力耗尽、停止放电。14时至16时以及22时至24时大风时段风电、光伏总出力大于制氢装置额定最大负荷与竖炉装置负荷之合时，电化学储能装置充电、储存新能源余电，因此该典型日内本项目无弃电。

  目前，龙源设计院正开展新能源制氢的工程探索，除开展的新能源场站多能互补协同控制研究与实证基地示范科研课题外，还开展了新疆风光制氢制氨一体化示范项目、甘肃碳中和项目、甘肃氢基竖炉项目、内蒙古风光氢氨+基础设施一体化低碳园区示范项目等先行先试工程建设项目，力争在短时间内取得突破，助力新能源消纳。

  龙源（北京）新能源工程设计研究院有限公司是目前国内最早从事新能源发电咨询、设计、研究、开发的专业化公司，作为龙源电力内部唯一从事设计咨询等业务的企业，为国家能源投资集团、龙源电力集团及新能源行业提供项目全过程技术咨询服务。

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