制氢电源深度报告：沟通电网与电解槽的“桥梁”，制氢电源有望打开增长之路.docx

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10制氢电源概念及主要技术路线制氢电源:连接电网与电解槽之间的桥梁制氢电源一般指整流器或直流变换器。在可再生电力制氢网络中,制氢电源起到向上承接电网电力,向下为制氢电解槽供电的功能。根据IRENA,在整个制氢系统中,制氢电源成本占20-25%,仅次于膈膜和电极。从制氢系统结构以及整个氢能产业链来看,制氢电源的前端主要连接电网,后端连接电解槽。图1:1MW电解水制氢系统成本拆解资料来源:IRENA,制氢电源有望从绿氢项目的快速增长中受益。目前,我国绿氢项目往往需要依靠部分电网支撑,暂时无法做到完全离网制氢。制氢电源直接连接电网后端,是直接用电负载器件,连接着制氢设备(电解槽),其用电稳定性、对电网的响应特性、反馈特性对整个制氢系统具有重要影响。随着我国绿氢项目的快速增长,制氢电源有望迎来发展机遇。图2:制氢电源在制氢系统中的位置资料来源:能景研究,功率模块:制氢电源的核心器件制氢电源的主要作用是将交流电/直流电转化为电解水制氢可用的直流电,核心在于功率模块。一个完整的制氢电源主要包含整流柜、变压器、控制系统、冷却系统和辅助设备,其中整流柜是电流转换的核心场所,变压器用于调节电压等级以保证电解槽的高效运行,控制系统和冷却系统负责监控和调节制氢电源和电解系统的工作流程与环境,降低制氢过程中的能耗,延长制氢设备寿命。整流柜的核心为功率模块,按技术路径可分为SCR整流柜和IGBT整流柜。功率模块中含有SCR或IGBT等功率半导体器件,主要用于交流电和直流电之间的转化,整流柜中包含的控制电路用于控制整流的过程。图3:以DC/DC转化为例,制氢电源的工作原理资料来源:孔令国等《DC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势》,随着绿氢制取规模的扩大,转换效率与场景适配、减少电能损耗、延长设备寿命成为制氢电源技术发展的核心。我国《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》中指出要充分发挥氢能作为可再生能源规模化高效利用的重要载体作用,促进异质能源跨地域和跨季节优化配置,推动氢能和新能源发电相结合,促进形成多远互补融合的现代能源供应体系。在宏观政策指导背景下,风光制氢的规模有望进一步扩大。然而,由于风光制氢以弃风、弃光等离网/弱并网场景为主,电解槽用电存在不稳定、低负荷等较严苛的运行条件,并且具有碱性、PEM等多种环境,因此对制氢电源的电网友好性、功率响应速度、电压纹波、综合效率等方面提出了更高的要求。制氢电源主流技术路线制氢电源的核心功能是将交流电整流为直流电,整流的基本原理是利用二极管的单向导电性,将交流电转换为脉冲直流电,目前主流制氢电源按功率模块的技术可分为SCR制氢电源和IGBT制氢电源。晶闸管(SCR)制氢电源晶闸管制氢电源在***碱行业有40多年的成熟应用经验,与碱性电解槽的适配程度较高。晶闸管制氢电源是一种以晶闸管为基础,使用数字电路控制晶闸管导通,从而实现整流的电器,能满足高电压、大电流条件下的工作环境。晶闸管相当于在二极管的基础上增加了控制极(栅极g),并且其工作过程可以通过控制极来人为控制导通。但由于晶闸管可以控制导通但不能关断,只能依靠电网的关断而关断,因此也被称为半控制型整流器。晶闸管制氢电源的优点在于技术成熟且适用于大功率场景,缺点在于有高谐波问题,电力质量较低,需要配备谐波补偿或抗谐波装置,从而导致综合转化效率较低。此外,晶闸管电源响应速度与功率调节速度较慢,不适应新能源电网的高波动性,在风光制氢场景和PEM电解槽应用中受到一定的制约。因此,晶闸管电源的未来主要突破方向是在增加谐波补偿装置、抗谐波装置的基础上提高转换效率,如通过12脉波-96脉波实现多脉波整流等,更好适配离网/弱并网条件下的制氢场景。图4:SCR制氢电源原理图资料来源:艾邦氢能,绝缘栅双极晶体管(IGBT)制氢电源IGBT制氢电源具有低谐波、响应速度快,综合转换效率高等优点,对电网及发电设施的危害小,但目前主要应用在中小功率场景。IGBT电源是一种以绝缘栅双极晶体管(IGBT)与二极管为基础,使用脉冲宽度调制技术(PWM)控制IGBT导通进而控制二极管导通,从而实现整流的电器。IGBT是一种三端半导体开关器件,可用于多种电子设备中的高效快速开关,具备耐高压、导通压降低、开关速度快的特点。相比于晶闸管,IGBT增加了关断功能,因此属于全控型整流器。IGBT制氢电源在低负荷运行条件下具有较高效率,根据能景研究,%-100%区间时,IGBT电源的整流效率可满足≥80%的要求,而绿氢项目在运行过程中约有45%的时间处于低负荷状态,因此使用IGBT电源也有助于降低制氢系统的电力损耗。从长期来看,由于IGBT制氢电源具有优异的整流特性和电网适配性,因此吸引了大量公司研发和生产,未来IGBT制氢电源在应用层面有望适配大功率场景,并提高低压情形下的转换效率,制造成本也有望随着关键部件的国产化而进一步降低。图5:IGBT制氢电源原理图 图6:某IGBT电源在不同负载(横轴)下的整流效率(%) 资料来源:孔卫江《IGBT开关斩波整流技术在水电解制氢中的应用》,资料来源:能景研究,从政策机遇、项目建设、技术支持来看,制氢电源有望开启增长之路行业规范与标准不断出台,未来有望进一步获得政策支持制氢电源行业标准不断完善。2023年,T/CES226-2023《水电解制氢整流电源技术规范》、T/ZHFCA1003-2023《全控型电解水制氢电源》标准相继发布,前者填补了国内PEM水电解制氢应用场景下整流电源技术标准的空白,后者针对IGBT制氢电源技术的要求进行了规范。标准的出台与落地更有利于制氢电源产品的生产、测试与应用。表1:与制氢电源相关的标准发布时间发布单位起草单位标准号标准名称主要内容意义2023年10月中国电工技术学会阳光氢能、大连理工大学等T/CES226-2023《水电解制氢整流电源技术规范》1、规定制氢整流电源的产品类型、基本功能要求、性能要求和保护要求;2、对制氢整流电源的基本功能提出了要求,包括直流输出调节范围、通信紧急停机、电气隔离与回路分断、防爆等级、直流电压和电流控制、交流无功输出、直流放电和功率调度等;3、对制氢整流电源的性能提出了要求,包括最大转换效率、电网侧性能直流侧性能和电磁兼容性能。此标准的制定填补了国内PEM水电解制氢应用场景下整流、电源技术标准的空白,对于指导国内水电解制氢电源的产品开发和应用具有重要意义,此标准的发布标志着水电解制氢整流电源技术规范的正式确立。、2023年12月中关村氢能与燃料电池技术创新联盟雷动智创、华电重工等T/ZHFCA1003-2023《全控型水电解制氢电源》1、明确全控型水电解制氢电源的正常使用条件、特殊使用条件以及运输、存放和安装条件;2、从技术上规定了全控型水电解制氢电源的接口特性、结构要求、主要技术参数、输出电流控制、输入功率控制、恒流限压控制、电容放电、温升此标准专门针对全控型电解水制氢电源的技术要求进行了规范,旨在推动制氢电源技术的发展和应用,特别是在提高制氢效率和系统稳定性方面。、发布时间发布单位起草单位标准号标准名称主要内容意义保护功能、电磁兼容性和外壳防护等级;3、明确全控型水电解制氢电源的试验条件、功能试验平台、仪器设备、设计验证、例行检验、主要技术参数验证、保护功能验证和电磁兼容验证等4、提出型式试验和出厂试验的要求。;资料来源:中国电工技术学会、中关村氢能与燃料电池技术创新联盟,政策层面,目前各地氢能政策主要以提升电解水制氢效率、提升谷电制氢需求、扩大风光氢储用项目规模、可再生能源制氢为主,直接提及制氢电源的政策规划较少。但是制氢电源作为制氢系统中的重要环节,同样有望从各地的制氢项目规划中受益。表2:与制氢电源相关的政策规划发布时间发布单位政策名称主要内容促进电解水制氢的高效率低成本化,提升电解水制氢装备的效率和规模,攻克制氢过程中的关键技术难题,促进在电力需求低谷2023年11月广东省发展和改革委员会广东省科学技术厅等《广东省加快氢能产业创新发展的意见》时段进行电解水制氢,利用低峰时段的多余发电能力开展电解水制氢和热解制氢项目;鼓励开展海上风电、光伏、生物质等可再生能源制氢示范,加强海水直接制氢、光解水制氢等技术研发,拓展绿氢供给渠道,降低制取成本;探索可再生能源发电与氢储能相结合的一体化应用模式,将氢储能纳入新能源配储范畴,在大容量深远海海上风电资源富集区域,开展海上风电制氢示范。重点以风光制氢、交通运输、化工、冶金领域为突破口,建立风2022年12月内蒙古自治区人民政府办公厅《内蒙古自治区人民政府办公厅关于促进氢能产业高质量发展的意见》光制氢一体化发展模式;重点突破低能耗长寿命可再生能源电解水制氢、宽功率波动高效电解水制氢等技术;制定了风光制氢一体化示范项目的能源配置、电价政策、输变电工程建设及水源使用的规定。2022年5月上海市经济和信息化委员会上海市市场监督管理局等《上海市氢能产业发展中长期规划(2022-2035年)》加强电解水制氢的工艺技术水平方面的关键技术攻关,构筑深远海风电制氢、生物质制氢、滩涂光伏发电制氢的供应设施基础,通过技术进步逐步降低绿电制氢成本;开展氢储能在光伏、风电等新能源制氢应用场景的示范应用,发挥氢能在不同能源领域的协同优化潜力。2021年3月国家发展改革委、国家能源局《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》到2025年清洁能源制氢和储运技术有显著进步,初步建立氢能供应体系,到2030年形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系。要求提高可再生能源制氢转化效率和单台装置制氢规模,在风光水电资源丰富地区,开展可再生能源制氢示范,探索季节性储能和电网调峰。资料来源:各政府官网,风光氢一体化建设进程加快与单槽制氢规模的扩大,有望推动制氢电源市场规模进一步增长我国绿氢制取项目呈快速增长趋势,单项目制氢规模不断扩大。根据势银能链与GGII,截至2023年12月31日,我国已存在337个绿氢项目,其中2023年全年新增186项,%;2021-,%,其中单项目制氢规模从160MW增长至750MW。项目投资规模方面,根据索比氢能,截至2023年10月国内已有14个不同进度的绿氢项目投资规模超100亿元,其中1个正在投资洽谈、7个完成签约、1个完成备案、5个已经开工,总投资达3742亿元。单个项目的大型化和综合化、制氢规模的提升意味着更多的电能消耗以及更灵活的制取场景需求,高转换效率、高功率的制氢电源需求有望受益制氢设备市场规模的扩大而增加。图7:2021-2023年我国水电解制氢设备出货量 图8:2023年我国部分风光制氢项目规模汇总资料来源:GGII, 资料来源:风芒能源,以4月9日开标的多伦15万千瓦风光制氢一体化示范项目为例,项目新建额定产氢量14000Nm3/h,最大产氢量为15400Nm3/h的电解水制氢装置,其中包含了晶闸管电源方案和IGBT电源方案,电解槽部分招标包含12套1000Nm3/hSCR电源设备和1套2000Nm3/hIGBT电源设备。表3:大唐新能源多伦15万千瓦风光制氢一体化示范项目设备招标目录序号设备名称规格型号数量(台/套)1水电解制氢成套设备一选用晶闸管电源方案2水电解制氢单元设备一单套配置为4x1000Nm3/h电解槽+1x4000Nm3/h气液分离器(包含碱液循环泵,4用2备)+1x4000Nm3/,35±5%(具体参数匹配电解槽确定),一拖二4晶闸管整流装置柜对应1000Nm3/h电解槽(配套铜排,用厂区循环水冷却)9(8用1备)2水电解制氢成套设备二选用IGBT电源方案1水电解制氢单元设备二单套配置为4x1000Nm3/h电解槽+1x4000Nm3/h气液分离器(包含碱液循环泵,4用2备)+1x4000Nm3/,35±5%(具体参数匹配电解槽确定),一拖二2IGBT整流柜对应1000Nm3/h电解槽(配套铜排,用厂区循环水冷却)4面3水电解制氢成套设备三选用晶闸管电源方案1水电解制氢单元设备三单套配置为1x2000Nm3/h电解槽+1x2000Nm3/h气液分离器(包含碱液循环泵,4用2备)+1x2000Nm3/,35±5%(具体参数匹配电解槽确定),一拖二4晶闸管整流装置柜对应2000Nm3/h电解槽(配套铜排,用厂区循环水冷却)1面4公用工程包含水箱、碱箱等15辅件铜排、工艺材料、电气材料、备品备件1资料来源:北极星,随着电解槽的制氢能力的提升,制氢电源功率也有望进一步提升。相较于此前电源容量一般不超过6MW,伴随当下电解槽的制氢量迈向3000-4000Nm3/h,所配套的制氢电源功率需达到15MW以上,而未来制氢电源有望向20MW级别的规模跨进。表4:2023年我国下线电解槽规格向1000Nm3/h及以上提升类型发布企业单槽制氢规模Nm3/h单槽电耗情况kWh/Nm3ALK(15家)---/、1500、2000、3000/龙蟠科技1000/国富氢能//