綠電制氫技術(shù)在勝利油田應(yīng)用前景分析

程雅雯

中石化勝利油田新能源中心

中國力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到二氧化碳的碳排放峰值，努力爭(zhēng)取到2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”?？梢灶A(yù)見，“十四五”期間國內(nèi)企業(yè)節(jié)能減排、能源轉(zhuǎn)型的步伐會(huì)顯著加快，可再生能源與傳統(tǒng)能源的結(jié)構(gòu)調(diào)整將迎來拐點(diǎn)。氫能源作為一種在應(yīng)用過程中零碳排放的清潔能源必將是脫碳過程的重要能源應(yīng)用，只有引進(jìn)氫能才能真正做到脫碳。據(jù)資料顯示，截至2021年7月，有超過三分之一的國企已經(jīng)布局了包括制、儲(chǔ)、加、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈的氫能系統(tǒng)，未來5～10 年必將成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機(jī)遇期。

現(xiàn)階段勝利油田全力推動(dòng)新能源業(yè)務(wù)，大力發(fā)展新能源發(fā)電，探索氫能、儲(chǔ)能應(yīng)用，研發(fā)應(yīng)用儲(chǔ)能、新能源高比例消納技術(shù)，利用新能源發(fā)電制取綠氫，依托氫能的熱電效應(yīng)，構(gòu)建以氫能為支撐的多種能源綜合利用的新型電力系統(tǒng)，助力勝利油田早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”。

1 綠電制氫可行性分析

1.1 油田發(fā)展綠電制氫的優(yōu)勢(shì)

勝利油田主體位于黃河下游的山東省東營(yíng)市，工作區(qū)域分布在山東省的東營(yíng)、濱州、德州等8個(gè)市和新疆等地，自然資源較為豐富。東營(yíng)地區(qū)太陽能資源屬于三類地區(qū)，資源條件最好，年均太陽能總輻射量為5 199 MJ/m2，資源量接近資源較豐富的二類地區(qū)。風(fēng)能資源也較為豐富，東部油區(qū)年平均有效風(fēng)能密度160.4 MW/m2，屬于二類風(fēng)場(chǎng)，適宜開發(fā)分散式風(fēng)電；近海區(qū)域90 m 高度風(fēng)速約6.5～7.5 m/s，風(fēng)能密度年均可達(dá)200 W/m2以上，適合近海風(fēng)電開發(fā)利用?！笆奈濉逼陂g，勝利油田計(jì)劃建成分布式光伏500 MW、集中式光伏2 200 MW和灘涂風(fēng)電200 MW，預(yù)計(jì)年供清潔電36×108kWh。

勝利油田擁有大量的未有效利用的土地及辦公用房屋頂?shù)龋托恋?、廢棄井場(chǎng)和空置場(chǎng)地等約180 km2，可用于分布式光伏、風(fēng)電等新能源的開發(fā)建設(shè)。同時(shí)油田已建成以220 kV 網(wǎng)絡(luò)為構(gòu)架、110 kV 網(wǎng)絡(luò)為主網(wǎng)、35 kV 網(wǎng)絡(luò)遍布油區(qū)的大型企業(yè)電網(wǎng)，輸配電線路總計(jì)約1 680條，長(zhǎng)度15 000 km，為新能源發(fā)電上網(wǎng)提供了便利條件。

1.2 電解水制氫技術(shù)發(fā)展前景

目前國內(nèi)已有多家公司研制電解水制氫技術(shù)，主流的電解槽有3 種：堿性電解槽（ALK）、質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽和固體氧化物電解槽（SOEC）[1]。其中堿性電解槽是目前技術(shù)最為成熟的電解水制氫技術(shù)，國內(nèi)的大部分電解槽公司的堿性電解槽制氫量均達(dá)到1 000 m3/h，且堿性電解槽的造價(jià)成本最低（功率1 kW的國產(chǎn)電解槽2 000～3 000元），已實(shí)現(xiàn)國內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用[2]。

近幾年我國在新能源可再生能源發(fā)電成本方面比重持續(xù)提升，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐不斷加快，由于規(guī)模效應(yīng)，風(fēng)能和太陽能的發(fā)電成本持續(xù)下降，有資料顯示2010—2020 年太陽能光伏發(fā)電成本下降了85%，陸上風(fēng)電的成本下降了56%，海上風(fēng)電的成本下降了48%（圖1）。預(yù)計(jì)未來幾年可再生能源成本將進(jìn)一步下降，為可再生能源制氫提供了經(jīng)濟(jì)上的可能性。

圖1 風(fēng)/光發(fā)電度電成本Fig.1 Kilowatt hour cost of wind/photovoltaic power generation

在電解水制氫成本方面，受電解槽造價(jià)和電價(jià)直接影響，根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》，在電解水制氫生產(chǎn)費(fèi)用中電費(fèi)占80%左右，較高的電價(jià)限制了電解水制氫推廣應(yīng)用[3]。以堿性電解槽為例，制取1 m3（標(biāo)況）氫氣需耗電4.5～5.5 kWh，以工業(yè)電價(jià)均價(jià)0.61 元/kWh 計(jì)算，當(dāng)前制氫的耗電成本高達(dá)2.75～3.34元/m3，但隨可再生能源發(fā)電的度電成本不斷下降，綠電制氫成本有望降至20 元/kg以下[4]，不同電價(jià)條件下對(duì)應(yīng)的電解水制氫成本如圖2所示。假設(shè)年均全負(fù)荷運(yùn)行7 500 h、綠電制氫電價(jià)成本控制在0.3元/kWh，則堿性電解水的制氫成本為21.6元/kg，若氫氣售價(jià)在60元/kg，收支盈虧可基本實(shí)現(xiàn)持平。

圖2 當(dāng)前技術(shù)條件下堿性電解槽電解水制氫成本Fig.2 Cost of hydrogen production by electrolyzing water in alkaline electrolyzer under current technical conditions

在氫能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)方面國家陸續(xù)啟動(dòng)氫能源重大項(xiàng)目，在制氫、儲(chǔ)氫、加氫等氫能產(chǎn)業(yè)鏈的若干環(huán)節(jié)上取得新突破。

（1）新型氫氣催化劑相繼誕生，有效提高催化效率降低制氫成本。例如美國能源部實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的研究人員通過改變銥原子在催化劑表面的分布方式提高催化劑的分解效率[5]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將成本低廉的釕替代鉑催化，并利用碳電降低銥的內(nèi)聚能進(jìn)一步提高其催化活性。

（2）儲(chǔ)氫材料研發(fā)持續(xù)突破，低成本的儲(chǔ)氫、運(yùn)氫方式將成為可能。例如加拿大核實(shí)驗(yàn)室其團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出一種新型鎂基復(fù)合材料，其氫存儲(chǔ)質(zhì)量高于6%，并已完成上千次充放“循環(huán)”試驗(yàn)；中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究人員通過改變儲(chǔ)氫材料的電子密度，降低脫氫焓變，實(shí)現(xiàn)常溫常壓下儲(chǔ)氫、運(yùn)氫[6-7]。

（3）氫燃料電池技術(shù)不斷創(chuàng)新，燃料電池性能有望大幅提高。例如弗勞恩霍夫制造技術(shù)和先進(jìn)材料研究所正致力于將燃料電池余熱與車內(nèi)供暖耦合使用的研究，以提升燃料電車的推行性能[8]；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授梁海偉團(tuán)隊(duì)通過“硫固體膠”的合成方法將鉑基納米顆粒固定在碳載體上，同時(shí)通過改變催化劑的晶格參數(shù)使壓縮應(yīng)變?cè)龃?，進(jìn)一步提高催化性能，從而降低燃料電池成本。

（4）氫安全系統(tǒng)逐漸完善，為氫能源大規(guī)模應(yīng)用提供可能。近年來基于氫安全系統(tǒng)的研究涉及氫氣泄漏擴(kuò)散、氫氣射流燃燒、加氫站量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、氫設(shè)備爆炸安全評(píng)估、氫氣檢測(cè)儀表等多個(gè)方面，從氫設(shè)備部件安全可靠檢測(cè)到快速切斷氫源控制，再到氫氣泄漏快速探測(cè)響應(yīng)，貫穿整個(gè)氫產(chǎn)業(yè)鏈[9]。例如日本的自動(dòng)車研究所，可進(jìn)行燃料電池車火災(zāi)爆炸評(píng)價(jià)測(cè)試試驗(yàn)、高壓氫系統(tǒng)設(shè)備破壞性測(cè)試、汽車碰撞試驗(yàn)測(cè)試儲(chǔ)氫瓶的安全性等。

2 勝利油田綠電制氫應(yīng)用場(chǎng)景

在“3060”目標(biāo)的大背景下勝利油田作為發(fā)現(xiàn)60 年的老油田，每年因生產(chǎn)需要消耗大量煤電、天然氣等傳統(tǒng)能源，碳排放量大。據(jù)統(tǒng)計(jì)勝利油田的油田板塊年用熱量約1 700×104GJ，年用電量約49.8×108kWh，油田生產(chǎn)消耗天然氣約2.9×108m3，用熱用電需求巨大，年油氣生產(chǎn)綜合能耗約240×104t標(biāo)煤，占集團(tuán)公司油田板塊能耗的40%，傳統(tǒng)供能方式亟待調(diào)整。同時(shí)根據(jù)國家和山東省關(guān)于外購電企業(yè)和自有自備電廠企業(yè)必須消納年用電量14%以上的可再生電力的要求，勝利油田需年消納8×108kWh可再生電力，因此油田需加快新能源業(yè)務(wù)發(fā)展。立足勝利油田實(shí)際推進(jìn)綠電制氫，統(tǒng)籌建設(shè)氫能基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)區(qū)域新能源發(fā)電、制氫、供氫、用氫一體化循環(huán)利用。

2.1 綠氫替代灰氫實(shí)踐應(yīng)用

勝利油田石油化工總廠為純?nèi)剂闲蜔捰蛷S，年用氫量為1.7×104t，廠內(nèi)氫氣來源為兩部分：催化重整裝置副產(chǎn)氫和制氫裝置干氣制氫用以提高柴油、汽油的油品品質(zhì)。目前石化總廠6 MW分布式光伏發(fā)電工程建設(shè)完工，并于2021 年底全部并網(wǎng)發(fā)電。光伏發(fā)電實(shí)際裝機(jī)容量6.27 MW，年均發(fā)電量約730×104kWh。

根據(jù)光伏發(fā)電量?jī)?yōu)選制氫裝置規(guī)模。考慮到光伏發(fā)電受天氣影響而產(chǎn)生波動(dòng)的情況，選取平均發(fā)電曲線進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮制氫裝置在功率低于20%無法啟動(dòng)的特性，以制氫規(guī)模為500 m3/h 的制氫裝置為例計(jì)算其產(chǎn)氫時(shí)間及耗電量，結(jié)果如圖3所示，耗電量為曲線下的面積，制氫裝置電耗5 kWh/m3。

圖3 耗電量計(jì)算曲線Fig.3 Calculation curve of power consumption

圖3中陰影部分面積為制氫裝置耗電量，按照以上方法分別計(jì)算100～1 000 m3/h 制氫裝置的耗電量，結(jié)果如表1所示。

表1 不同規(guī)模制氫裝置耗電量Tab.1 Power consumption of hydrogen production units of different scales

通過對(duì)不同制氫規(guī)模制氫成本及內(nèi)部收益率進(jìn)行計(jì)算（表2），500 m3/h制氫裝置效益最佳，因此該項(xiàng)目采用500 m3/h制氫裝置，考慮堿性水電解槽運(yùn)行功率范圍在20%～105%，為保證電解槽平穩(wěn)運(yùn)行，配備儲(chǔ)能電池以維持電解槽40%功率運(yùn)行1 h為準(zhǔn)，則500 m3/h 的制氫裝置配備儲(chǔ)能規(guī)模為1 000 kWh，因此配備的儲(chǔ)能裝置為1 MW/1.2 MWh。

表2 不同制氫裝置制氫成本Tab.2 Hydrogen production cost of different hydrogen production units

根據(jù)石化總廠連續(xù)生產(chǎn)的特性，白天充分利用光伏發(fā)電用于電解水制氫，溢出發(fā)電量上網(wǎng)由制氫裝置夜晚取出等量電量，維持裝置不間斷運(yùn)行的模式。按年產(chǎn)氫氣約420×104m3計(jì)算，可減少制氫裝置碳排放量約7 717 t/a，節(jié)省碳排放費(fèi)用約43.9萬元（2023年5月全國平均碳交易數(shù)據(jù)，57元/t）。

2.2 氫能應(yīng)用場(chǎng)景規(guī)劃

2.2.1 構(gòu)筑“氣-站-車”氫能體系

目前，勝利油田現(xiàn)有各類生產(chǎn)車約6 227 臺(tái)，到“十四五”末總用車規(guī)模將達(dá)到約7 300 臺(tái)。部分車輛使用年限長(zhǎng)，運(yùn)行能耗高、碳排放量大需要更新淘汰。隨著氫能技術(shù)逐步發(fā)展成熟，進(jìn)行氫能源汽車替代是大勢(shì)所趨。根據(jù)《山東石油分公司新能源業(yè)務(wù)工作方案》以及《山東省氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2020—2030 年）》，“十四五”期間，將在山東省發(fā)展加氫站或油氫合建站100座，其中東營(yíng)市建成加氫站3 座，推廣應(yīng)用燃料電池車300輛。

初步估算在氫能源車輛使用成本方面，加氫成本按60元/kg測(cè)算，Mirai氫燃料汽車百公里燃料費(fèi)用為60 元；汽油車按汽油價(jià)每升7.5 元、油耗每100 千米7 L 測(cè)算，每百公里燃料費(fèi)用52.5 元，氫燃料電池車使用成本略大于汽油車。但以目前全球石油價(jià)格不斷上漲以及光伏組件成本不斷下降的趨勢(shì)來看，氫燃料電池的使用成本與汽油車使用成本之間的差距將不斷縮小[10]，將更具競(jìng)爭(zhēng)力。

“十四五”期間，油田規(guī)劃建成2 200 MW的集中式光伏電站進(jìn)行光伏發(fā)電與氫能設(shè)備耦合制氫，充分發(fā)揮氫氣在電-氫-電之間的轉(zhuǎn)化，在解決電網(wǎng)消納問題的同時(shí)也為氫燃料電池車提供動(dòng)力能源，形成“風(fēng)光氫儲(chǔ)車”的產(chǎn)業(yè)鏈。勝利油田可根據(jù)自有優(yōu)勢(shì)利用現(xiàn)有加油站建設(shè)“油氫合建示范站”，節(jié)約土地資源，降低建設(shè)成本。

2.2.2 開展氫能多元應(yīng)用場(chǎng)景示范

“十四五”期間，油田將大力發(fā)展風(fēng)、光發(fā)電，計(jì)劃建成分布式光伏500 MW、集中式光伏2 200 MW，和灘涂風(fēng)電200 MW。在風(fēng)電、光電新能源項(xiàng)目基礎(chǔ)上，基于油田采油、注水、集輸幾大系統(tǒng)不同生產(chǎn)用能場(chǎng)景，發(fā)揮氫能在電網(wǎng)中儲(chǔ)能調(diào)峰的功能，開展新能源發(fā)電系統(tǒng)與電解槽、氫燃料電池的耦合應(yīng)用，構(gòu)建以氫能為支撐的綜合型能源網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮氫能在電、氣、熱多種能源間的載體作用，探索氫能與電力網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)、熱力網(wǎng)、交通網(wǎng)的柔性互聯(lián)和聯(lián)合調(diào)控[11-12]。結(jié)合油田用電、用熱應(yīng)用場(chǎng)景，探索氫能在分布式能源、移動(dòng)電源、熱電聯(lián)供等領(lǐng)域綜合利用的應(yīng)用示范，建設(shè)氫能支撐的風(fēng)、光、儲(chǔ)、氫燃料電池一體化綜合能源系統(tǒng)示范工程，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、熱電聯(lián)供的低碳能源系統(tǒng)，打造油田領(lǐng)先的氫能示范點(diǎn)（圖4）。

圖4 氫能應(yīng)用示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydrogen energy application

3 結(jié)論

勝利油田作為大型油氣田開采單位，同時(shí)具備建設(shè)場(chǎng)所、發(fā)電生產(chǎn)企業(yè)、用電單位、供電網(wǎng)絡(luò)等新能源產(chǎn)、供、消全部產(chǎn)業(yè)鏈，新能源項(xiàng)目規(guī)模增速極快，但新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、階段性供電等問題，增加了電網(wǎng)調(diào)度難度[13]，而氫能作為一種能源既能存儲(chǔ)電力又能產(chǎn)生電力，能夠很好地平衡風(fēng)、光發(fā)電的不確定性。

現(xiàn)階段風(fēng)、光發(fā)電制氫成本經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)不明顯，但未來風(fēng)電場(chǎng)、光伏設(shè)備單位造價(jià)和堿性電解水裝置系統(tǒng)成本下降空間較大，到2030 年制氫成本可下降約35%。特別是隨著碳減排措施的不斷推進(jìn)，化石燃料制氫將面臨碳捕捉、碳封存產(chǎn)生的成本增加，與新能源發(fā)電制氫相比在成本方面將不具優(yōu)勢(shì)，風(fēng)、光發(fā)電等可再生能源電解水制氫將更具競(jìng)爭(zhēng)力。依靠氫氣作為載體其他可再生能源可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有能源系統(tǒng)的融合，構(gòu)建氫能支撐的風(fēng)、光、儲(chǔ)、氫燃料電池一體化綜合能源網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)油田能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)能源向綠色能源轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)油田能源轉(zhuǎn)型。通過積累一批適用于油田可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)做法，促進(jìn)氫能與能源發(fā)展深度融合，打造一個(gè)具有示范意義的“氫能油田”。