绿氢的局限性

文 | 武魏楠

从2021年开始，氢能逐渐成为碳中和领域最为火爆的风口。而利用清洁的可再生能源发电制备的绿氢更是成为许多人心中的终极能源解决方案。

今年3月，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》（以下简称《规划》）明确提出了可再生能源制氢量达到10-20万吨/年的目标。一时之间，绿氢制备产业风起云涌。

然而除了要面对成本压力，绿氢制备的另一个潜在问题也开始随着规模的增大而浮出水面。随着规模扩张，绿氢制备也开始面对自身独特的波动性问题，而这一问题有可能会对电网产生不利影响。

问题从何而来？我们又能如何在爆发前防患于未然？

有局限的旧方案

电解水是我们最为熟知的中学化学知识，一个简单的化学方程式（2H₂O==（通电）==2H₂↑+O₂↑）就能够清晰的表明。原理上说电解水制氢就是在直流电的作用下，通过电化学过程将水分子解离为氢气与氧气，分别在阴、阳两极析出。而可再生能源制氢是将风、光等具有波动性、不稳定的电流，转换成具有稳定性的、适用于电解槽制氢的稳定电流。

电解水需要直流电，而电网则是交流电，制氢必须先将交流电转换成交直流电，才能用于制氢。因此从流程上来说，在电网与制氢的电解槽之间，还需要一个将交流电转换为直流电的装置，这就是制氢的电源。

在2020年之前，电解水制氢的制备规模较小，大多数电解槽的单台产量在500标方及以下的规模。晶匣管整流电源方案因此得以广泛应用。但是随着氢能产业的蓬勃发展，更大规模的电解槽设备开始出现并且逐渐开始成为新项目的首选，晶匣管整流电源方案开始展现出其自身的缺陷。“当电解槽容量增加的时候，晶匣管整流电源本身的缺陷会造成电网的不稳定，进而对电网产生冲击。”一位负责电网运营的负责人说。

这一幕看起来不禁让人觉得有些类似。在中国光伏电站刚刚起步的阶段，波动性、不稳定性、不可预测的光伏并没有因为对电网的影响而感受到太多异样目光。但是随着光伏装机的增加，波动性给电网的安全稳定运行带来了挑战，因此电网加强了对光伏电站各类涉网技术参数的要求。高低压（零电压）穿越，有功和无功调度响应，电网适应性能力，功率因数技术要求，谐波、负序电流及防孤岛保护技术要求……这些专业名词已经逐渐消失在了舆论视野之中，但它们都曾经是让光伏企业无比头疼的并网要求。而现在，类似的现象可能会在绿氢制备的产业中重演。

除了电解槽容量增加、制氢规模变大，大规模使用可再生能源发电制备氢气又让制氢对电网的压力影响增加了一层。可再生能源的波动性叠加制氢负荷的不确定性，对电网的调度管理和可再生能源制氢系统的能量管理（EMS），甚至未来的绿氢认证也带来了新的挑战。

目前来看，传统的晶匣管电源会越来越难以适应可再生能源大规模制氢的需求。电网友好性差、无法匹配新能源功率快速波动、系统复杂导致转换率低、一次投资成本高，都是晶匣管电源难以解决的痛点。

面对已经开始浮出水面的隐忧，我们又该如何应对？

新技术破局

晶匣管电源方案主要适用于小规模的可再生能源制氢场景，在大规模新能源制氢中，IGBT整流电源的优势更加突出。

IGBT是绝缘栅双极型晶体管，是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具备高耐压、导通压降低、开关速度快的特点。而正是这些特点，造就了IGBT电源相对于晶匣管电源的绝对优势。

阳光电源是目前国内新能源企业涉足氢能的代表之一，并且成立了阳光氢能科技有限公司，专门研究可再生能源电解水制氢技术。目前阳光氢能布局有用碱水制氢和PEM两种技术路线，还提供绿电制氢系统的解决方案。而IGBT全控型制氢整流电源正是其制氢电源解决方案中的王牌产品。

“从电网友好性上来看， IGBT电源采用PWM控制技术，使网侧电流谐波含量<3%，功率因数>0.99。这能使系统在并网时，对电网的影响大大降低。而且电源功率调节响应速度小于100ms，远远优于晶匣管电源的10s以上，能够瞬时响应光伏、风电功率快速波动，更加适配可再生能源变功率制氢，确保100%绿电制氢。”阳光氢能解决方案总监金稳说

而且在比较了晶匣管电源和IGBT电源的拓扑图之后我们不难发现，晶匣管电源需要配套的设备更多，例如SVG/SVC、有载调压开关等设备。“这带来了两个问题，一个是设备多、占地多，所以这一部分的成本更高一些。另外由于系统复杂的程度更高，能耗和转换效率也会受到影响。”

12脉波晶匣管整流电源系统拓扑图（5MW）

IGBT全控型整流电源系统拓扑图（10MW）

在欧洲，由于IGBT电源具备优异的电网交互性，已经成为绿电制氢项目或参与电网市场化交易及辅助服务制氢项目的首选。欧洲的SMA、Ingeteam，日本的Nidec等电源厂家都推出了IGBT电源。而且随着电源模块化技术的发展，整个系统也不会因为任何故障的出现而轻易停摆。经过了长时间的检验后，IGBT电源无疑具备更高的可靠性和耐用性。

不过在中国刚刚起步的绿氢产业中，晶匣管电源依然还是占据着主流的位置。“尽管IGBT电源可以降低制氢电源系统成本，但是整流电源本身还是IGBT的更贵一些。”知情人士透露，“另外还有一点很重要，电网还没有对可再生能源制氢的波动性有反应或者给出高技术标准。”

然而电网此刻的“安静”并不代表未来。从新能源发电的经验来看，当可再生能源制氢造成的波动达到一定程度，势必会倒逼要求“更稳定”的制氢。对此有过丰富经验的新能源企业已经开始思考这一问题，而一直深耕着中国光伏市场的阳光电源更是在涉足绿氢之后就开始做技术储备。

“我们的IGBT制氢整流电源、ALK/PEM电解槽、智慧氢能管理系统等产品已经陆续应用到宁夏、内蒙古等地的可再生能源制氢项目当中。”阳光氢能市场营销负责人方伟说到，“阳光氢能也会持续创新，深入可再生能源电氢耦合技术研究。”