光伏制氢技术在玉门油田的应用

过东凯1， 张佳1

摘要：氢能具有可再生、低污染、效率高、加氢快、长续航、更安全的优点。氢气来源广泛，是一种可再生能源。氢能产业是涵盖氢气制备、储存、运输、加注到终端应用的庞大产业链。氢能源是我国前瞻谋划的六大未来产业之一，在玉门油田发展光伏制氢，要在制氢技术、运行方式、危险源分析等方面进行精细研究和实践。其成功的实践，对油田利用区域资源优势实现新能源发展有很好的示范作用，有助于油田能源转型和可持续发展，具有很好的经济效益和社会效益。

关键词：玉门油田；光伏制氢；管道输氢；绿色低碳

Application of hydrogen production from water electrolysis by photovoltaic power generation in Yumen oilfield

Guo Dongkai1,  Zhang Jia1

1.China National Petroleum Corporation Yumen Oilfield Branch, Jiuquann 735000, China

Abstract:Hydrogen energy has the advantages of renewability, low pollution, high efficiency, speedy hydrogenation, powerful endurance, and greater safety.It is the hydrogen that has renewability and a wide range of sources.The hydrogen energy industry is a vast industrial chain that covers hydrogen preparation, storage, transportation, refueling, and terminal applications. Hydrogen energy is one of the six future industries planned by China.To develop photovoltaic hydrogen production in Yumen Oilfield, it is necessary to conduct detailed research and practice in hydrogen production technology, operation mode, hazard source analysis, and other aspects.The successful practice of photovoltaic hydrogen production has a good demonstration effect on the utilization of regional resource advantages in oil fields to achieve the development of new energy, which contributes to the transformation and sustainable development of oilfield energy, and has good economic and social benefits.

Keywords:Yumen Oilfield; Hydrogen production from water electrolysis by photovoltaic power generation；Pipes carry hydrogen gas；Green and low-carbon

21世纪前，全球的能源供应主要是由三大化石能源石油、煤和天然气提供，但是化石能源在地球的储备是有限的，必须在石油煤和天然气等化石能源之外，寻找新的能源来保障能源安全。氢能制取、储运和燃料电池等技术日渐成熟，氢能战略成为未来全球能源战略的重要组成部分。氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介，成为一种新型的可再生清洁能源[1]。

一、氢能源的发展

1.1氢能产业的现状

国际氢能产业发展全面提速。当前，全球新一轮科技革命和产业变革正在加速进行，美国、日本、韩国、欧盟等主要发达国家和地区均将氢能纳入能源发展战略，持续加大技术研发与产业化扶持力度，重点企业在氢能技术研发、关键材料制造等方面处于全球领先位置。

国内氢能产业加速规划布局。我国是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3300万吨，自2015年，我国开始大力发展氢能产业，陆续推出了一系列支持氢能产业发展的政策文件。将氢能与燃料电池技术创新作为重点任务，发展燃料等替代燃料技术，推动氢能产业创新、集聚发展，实现大规模、低成本氢气的制储运用一体化，以及加氢站现场储氢、制氢模式的标准化和推广应用。我国的氢能产业呈现加快发展态势，2025-2036年将成为国内氢能产业的高速发展期，2035年之后将会进入规模化应用阶段。

我国氢能产业仍处于发展初期。相较于国际先进水平，仍存在产业创新能力不强、技术装备水平不高，支撑产业发展的基础性制度滞后，产业发展形态和发展路径尚需进一步探索等问题和挑战。

1.2氢能的市场分析

氢能产业链条产业规模快速扩大，将成为引领经济发展的新增长极，我国也将正式进入氢能社会。

国际氢能委员会预测，到2050年，氢能将创造3000万个工作岗位，减少60亿吨二氧化碳排放，创造2.5万亿美元的市场价值，在全球能源消费中所占比重有望达到18%。

在我国的“十四五”规划纲要中，氢能与储能被列为前瞻谋划的六大未来产业之一，氢能产业已成为我国能源战略布局的重要组成部分。根据中国氢能联盟的预计，到2030年，中国氢气需求量将达到3500万吨，在终端能源体系中占比5%。到2050年，氢能将在中国终端能源体系中占比至少达到10%，氢气需求量接近6000万吨，产业链年产值约12万亿元，

图1中国氢气需求量预测（2020-2050）

二、玉门油田发展氢能的双效分析

玉门油田位于甘肃北部河西走廊西端的酒泉盆地，自1939年开发至今84年逐步发展成为中国石油所属的集油气勘探开发、炼油化工、工程技术服务为一体的综合性地区公司。油气勘探开发现原油生产能力70万吨/年，面积13979.836平方公里。在玉门油田采用先进的光伏发电制氢技术，实现制氢电力和光伏电力的动态匹配，提升玉门油田的经济效益和社会效益有着很强的示范意义。

2.1 玉门油田发展氢能的优势

玉门油田发展氢能产业具有得天独厚的基础条件和优势。风光资源丰富，玉门油田所处的酒泉市境内光资源分布属国家一类地区，太阳能可开发量20亿kW，多年平均日照时数为3300小时左右，年平均太阳总辐射量在6100MJ/㎡以上，是全国最具开发潜力的光伏发电基地。土地资源广阔，玉门油田现有确权的农业用地面积共计114平方公里，均在风光资源规划内。水资源有保障，玉门油田管理着一座库容943万m3的水库，年取水量达2000多万m3。产业基础较强，玉门油田上下游产业链完整，上下游一体化、主营业务与工程技术服务一体化、勘探开发一体化；玉门炼化年汽柴油产品加氢精制用氢量在1.4万吨左右，自身可以消纳一部分氢气。

2.2 玉门油田发展氢能的经济效益分析

近年来，新能源技术日臻成熟，电解水制氢成本大幅度降低。光伏电站单位千瓦投资成本下降到4000元以内。未来光伏发电的成本将下降到0.10元/kW•h左右。随着我国光伏发电成本的进一步下降，可再生能源制氢已经显现出一定的经济性，将逐渐取代化石能源制氢。预计至2030年，我国煤制氢、天然气制氢的制氢价格在7~12元/kg之间，产业链终端用氢价格在17~33元/kg；而陆上风电、光伏发电、弃水弃风弃光等电解水制氢（绿氢）成本将降至11-12元/kg左右。

以玉门油田的光伏制氢项目为例，该项目光伏发电全部用于制氢，年目标供氢量3100吨，其中本项目制氢装置产氢2100吨，炼厂年补充灰氢1000吨；工程固定资产静态投资为22902.86万元，动态投资为23294.86万元，项目70%贷款15年，利率4.14%。制氢单位成本18.49元/kg，总投资收益率为4.48%，资本金净利润率为8.30%。由此可见，在玉门油田推行光伏制氢还是具有较好的经济效益的。

2.3 玉门油田发展光伏制氢的社会效益分析

玉门油田发展光伏制氢不但符合国家政策要求，而且对于加快推广利用太阳能光伏发电技术，节约能源，推进新能源产业的发展，具有积极的作用，是落实“碳达峰碳中和”目标约束下的绿色低碳转型发展战略的主要做法[2]。

利用太阳能光伏制氢技术有利于保护环境，落实“节能减排”战略目标，对促进社会可持续发展具有积极的意义，同时能够缓解国内能源供应压力，其社会效益显著。利用太阳光能制氢，不耗用常规一次能源，符合国家能源利用规划，对于优化能源配置可发挥积极作用。同时对于开展国际国内商务合资合作，对于促进玉门油田企业形象建设，品牌建设，提高企业在太阳能光伏发电市场的占有份额，都具有非常积极的意义。

三、玉门油田光伏制氢技术分析

光伏制氢技术在玉门油田进行了示范性的建设应用。建设30MWp的光伏，建设4台电解槽，1套气液分离装置，1套4000Nm³/h的氢气提纯设备，及相应的压缩存储设备，项目年产氢量将达到2100吨。

3.1光伏制氢技术

玉门油田在光伏制氢上的主要技术关键点是采用何种方式制氢、储氢和输氢。

光伏制氢总共包含3个技术单元：供电单元、制氢单元、压缩储运单元。

供电单元采用光伏交流耦合；制氢单元采用碱性电解水制氢；压缩储运单元采用两级压缩+储罐+输氢管道方式。

图2 并网光伏交流耦合制氢系统框图

玉门油田采用碱性电解水技术制氢。碱性液体水电解技术是以20％～30％的KOH、NaOH水溶液为电解质，采用聚苯硫醚（PPS）等材料作为隔膜，在直流电的作用下，将水电解，生成氢气和氧气

[3]。产出的气体需要进行脱碱雾处理。碱性液体水电解于20世纪中期就实现了工业化。该技术成熟，电极一般为镍电极，不需要昂贵的催化剂，运行寿命可达15年。碱性电解槽制氢设备具有明显的价格优势，且单台设备出力较大，适用于大规模、稳定电源制氢项目。玉门油田采用的光伏发电制氢，不足电量从电网下电，制氢电源稳定可靠，用氢负载需求稳定，完全适应碱性电解水制氢装置的运行特点。而且，采用碱性电解水制氢装置可以大大降低工程造价，提升项目的经济性。

玉门油田采用气态储氢。由于氢气密度小，氢气储存的主要困难之一是储氢质量密度偏低,，采用常压存储经济性不可行，因此需要采用其他储氢方式。采用高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢等方法可以提高储氢质量密度，降低储氢成本。从成本方面考虑，液态、有机液态和固态储氢相比气态储氢，成本上的优势主要集中在运输过程中，玉门油田的储氢采用气态最合适。

玉门油田采用管道输氢。目前氢气的输送方式主要有管道输送、长管拖车和高压气瓶等方式，相比较高压长管拖车、高压气瓶等常规运氢方式，管道运输的运输成本在所有储运方式中是最低的，适用于大规模、长距离的氢气运输。玉门油田的下游用户距离在7公里以内，管道设施一次投资不高，运行安全、稳定，是最合适的输氢方式。

3.2 24小时连续制氢运行方式

甘肃省电网峰、谷、平时段划分：根据甘肃省发展和改革委员会《关于进一步完善我省分时电价机制的通知》（甘发改价格〔2021〕721号）要求，调整农业生产和工商业用户峰谷时段。调整后，峰段为：7:00-9:00、17:00-23:00；平段为：23:00-第二天7:00；谷段为：9:00-17:00（光伏电站发电时段）。

基于甘肃省电网不同时段的制氢运行策略：谷电时段，利用光伏发电和谷电低电价，保持制氢装置满负荷运行，富余氢气利用储氢罐储存；峰电时段，保持制氢装置30%低负荷运行，避让高峰时段高昂购电电价，利用储氢罐补充外部需氢量；平电时段，根据外部市场需求，保持制氢装置40%以上负荷运行，同时利用储氢罐补充供氢。通过最大限度利用光伏发电和合理时段补充购电，确保项目运行成本最低。

3.3 光伏制氢的危险源分析

氢气本身是易燃易爆性气体，它的危险性主要是氢气和助燃物质混合达到爆炸（爆轰）极限时，容易发生爆炸（爆轰）产生冲击波、火球或热辐射、碎片等，对周围建筑物和人身安全有很大伤害。光伏制氢技术在制氢过程、压缩过程、液化过程、管道运输过程等方面都存在着重大的危险[4]，需要特别关注危险因患的消除，保证制氢技术的安全性。

图3 典型日运行方式曲线图

四、结论

按照国家“双碳”工作部署和中石油集团公司打造“油气热电氢”综合性能源公司的要求，发展绿氢是必然要求。但由于风光电的不稳定特性，电解水制氢技术仍不够成熟等原因，如何实现大规模、低成本的绿氢制取还存在诸多困难。本项目的实施，将有力推动绿氢制取技术的研究和应用，形成一整套建设、运行和维护的技术和规范，为集团公司大规模发展绿氢业务提供经验。

西北地区风光、土地资源丰富，具备发展风光电等新能源业务的良好基础。但受制于当地的用电负荷和电网外送能力，发展速度受到较大限制。利用风光电力开展电解水制氢，可大量消纳绿电，从而带动风光发电的发展。项目的实施，将探索一条风光电和氢能业务融合发展的有效途径，为中石油集团公司提供一套可复制、可推广发展新能源业务的模式。

在玉门油田发展氢能源，符合绿色低碳发展战略，对油田利用区域资源优势实现新能源发展有很好的示范作用，有助于油田能源转型和可持续发展[5]，因此氢能在油田中应用与实施是必要的，对油田发展经济转型有着长久的经济效益。

五、参考文献

[1] 刘江华. 氢能源—未来的绿色能源[J] . 现代化工，2006，(S2).

[2] 戴厚良, 苏义脑, 刘吉臻, 等. 碳中和目标下我国能源发展战略思考[J]. 石油科技论坛, 2022, 41(1): 1-8.

[3] 王培灿，万磊，徐子昂，等.碱性膜电解水制氢技术现状与展望[J] .化工学报，2021，72（12）：6161-6175.

[4] 程玉峰.高压氢气管道氢脆问题明晰[J].油气储运，2023，42（01）：1-8.

[5] 汪红,范旭强,江河,等.中国老油田企业可持续发展政策现状与建议[J]. 世界石油工业, 2021, 28(2): 18-24.

：作者简介：过东凯，1971年3月生、男、工程师、汉族、1992年毕业于华北电力大学热能动力工程专业，现从事新能源市场开发、项目管理工作。