大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展

摘要

新能源的快速发展为电力和化工行业带来了机遇和挑战，一方面，由于可再生能源电力消纳问题导致大量的弃水、弃光等能源浪费；另一方面，以绿氢为原料替代碳基化石能源合成氨，可以极大地减少化工行业的碳排放。因此，利用水力、光伏等可再生能源电解水制氢，为合成氨提供绿色原料，可显著提升可再生能源消纳能力，降低能耗与碳排放，服务国家“碳达峰、碳中和”目标。然而，可再生能源电力电量的波动性难以适配传统合成氨生产过程对平稳性的要求，大规模可再生能源电解水制氢合成氨的设计与运行依然存在诸多挑战，亟需开展系统性研究，以突破适应可再生能源波动特性的大规模电解水制氢合成氨系统的集成与调控关键技术。对此，本文首先讨论了可再生能源电解水制氢合成氨的工艺过程及拓扑结构，包括电解水制氢工段、压缩缓冲工段、化工合成氨工段，进而探讨该系统建设的关键技术体系，包括可再生能源波动条件下的合成氨多稳态工艺优化和柔性调控技术、考虑“电–热–质”耦合的大规模电解水制氢系统的模块化集成和集群动态控制技术、计及可再生能源波动性与化工多稳态特性的“源—网—氢—氨”的全系统协同控制技术、计及电、氢、氨等要素的全方位安全防护与市场运营机制。具体内容有：针对适用于柔性生产的合成氨工艺优化及多工段协同调控技术，在考虑氢储供量与催化剂性能下，综合合成塔、压缩机、气体分离、换热网络等子系统构建合成氨高保真代理模型；提出可再生能源供给和市场需求波动下，充分考虑操作安全性和过程经济性的电解水制氢合成氨各子系统的适配方案与协同控制技术。针对大规模电解水制氢系统模块化集成和集群动态控制技术，基于奇异摄动和代理模型技术研究集群系统多时间尺度时域仿真方法，构建电解集群系统多物理耦合状态空间模型；综合考虑模块启停组合调度、模块间功率分配调度及模块自身灵活调节，计及安全运行区间及电热气接口特性约束，以提高氢产量、提升能量利用效率、改善水光电源消纳和跟踪电网调峰调频指令为目标，构建集群系统多目标分层调度与控制模型。针对氢能参与电网平衡调节的全系统协同控制技术，提出水光互补发电、制氢、储氢、合成氨、储氨多工段间稳态运行特性的多工段间灵活运行方法，以及电解水制氢合成氨系统柔性动态协同控制方法；构建静态等值和参数聚合等方法降维和等值制氢合成氨系统仿真模型，提出源网氢氨协同提升系统安全稳定性的优化控制方法和技术指标；结合电网调频和调峰特性，研究电解水制氢合成氨系统参与电力辅助服务的策略。建设大规模可再生能源电解水制氢合成氨系统，有望提高可再生能源本地消纳率和并网调度友好性，降低化工碳排放，具有显著社会效益和战略意义。

关键词

氢能 / 合成氨 / 绿氢 / 绿氨 / 可再生能源 / 波动性

基金资助

国家重点研发计划项目（2021YFB40005）