波蘭科學院礦產資源和能源管理研究所
系統配置:光伏1MW電站+250kw PEM水電解槽
氫氣質量計算:
Ael:光伏發電量kwh
ηDC/DC:DC/DC轉換效率
ηEL:電解槽效率
ηcomp:壓縮機效率
QwH2:單位電量轉換未氫氣質量(kwh/kg)
光伏裝置的總容量根據以下依賴性確定:
T:光伏裝置安裝容量的使用時間
光伏裝置的功率計算公式如下:
S:光伏組件面積
E:單位面積上太陽輻射功率W/m2
β:與組件功率相關的效率降低系數
?:組件的工作溫度
ηPV:光-電轉換效率
光伏裝置效率的降低與太陽輻射轉化為電能的效率降低有關:
ΔPPV - 光伏電池板功率值的降低,ΔηPV - 光伏電池板效率的降低。光伏電池板制造商在其目錄中提供了運行20年的效率下降特征,其中20年后的保證值不低于標稱效率的80%。目前,效率的下降幅度從每年0.6%到1%不等,具體取決于光伏電池板的質量和類型。下圖顯示了運行10年后330Wp光伏電池板性能下降對PPV=f(E)特性影響。
電解槽參數的降低是根據衰退模型建立的,如下圖所示(呈線性衰減):
由于光伏裝置發電量的可變性。要充分使用1MW光伏發電產生的能量,必須安裝4*250kW電解槽。
在能量分析的基礎上,考慮到系統組件效率的下降,確定了光伏-電解槽系統在未來十年運行中的氫氣生產變化。結果見下表:
(備注:表格中逗號是小數點,1度電是1kwh)生產1kg氫氣所需的實際電量在運行的第一年為65.67kwh/kg。在接下來的幾年運行中,由于光伏裝置產生的電力減少以及電解槽組件老化使得電解效率降低,導致生產1kg氫氣的單位能源需求指標值增加到77.26kWh/kg。
下圖顯示了生產1千克氫氣的單位用電量指標值變化:
計算成本,得到生產1kg氫氣成本的變化:
PLN為波蘭茲羅提貨幣,和人民幣換算關系如下:1波蘭紫羅提=1.587元。在系統運行的第一年,電解制氫的單位成本為136.26茲羅提/kg,在系統運行十年后成本增加了29.23%,達到176.09茲羅提/kg。(如此高的水電解制氫成本可能是波蘭電價太貴所致)。
總結:讀完感受頗深,氫能若要大規模應用,平價之路必須要走通,只有便宜才能普及。水電解制氫除了把成本降低和性能提升外,耐久性也是要重點攻關對象。另外光伏、風電組件的使用壽命也要考慮。水電解制氫如此,燃料電池更要把耐久性作為產品的重要指標之一,不是性能很高、設備成本降低(所謂的xxx元/kw)就完事了。跑了一萬公里,衰減較快,效率降低,單位運行里數氫氣消耗量增大,總成本可能反而增大。所以,扎扎實實提升技術水平才是硬道理!
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原文始發于微信公眾號(氫能漫談):波蘭科學院:光伏-PEM水電解系統運行效率以及成本變化分析