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★貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司宋華振

Power to X是一個在全球能源領(lǐng)域重要的方向，它充分利用氫能的潛力，將可再生能源通過“綠氫”這一中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，生成綠色的燃料、化工合成原料等。作為一個實現(xiàn)零碳的路徑，本文對其進(jìn)行了概覽性的分析，并從自動化系統(tǒng)的視角闡述如何構(gòu)建其所需的系統(tǒng)，以及從底層到頂層的探索。

Power to X是什么？

Power to X被稱為“點亮未來的凈零排放之路”的理念，參考WEF（世界經(jīng)濟(jì)論壇）定義，Power to X被翻譯為“電轉(zhuǎn)X”。Power to X（或P2X）是將富余的清潔能源（這里特指清潔能源）通過“氫”轉(zhuǎn)化為各種化工方向的新方案。在這里，電可以通過化學(xué)合成方法，轉(zhuǎn)化為用于化工產(chǎn)品、燃料、電力等各個領(lǐng)域的再應(yīng)用。當(dāng)然，在實際的Power to X生產(chǎn)鏈中，它通常被更為具體的指轉(zhuǎn)為綠氨、綠色甲醇、綠色甲烷、綠色合成燃料這幾個重要的方向。

圖1 Power to X的概念定義

如圖1所示，Power to X還存在一個富余可再生能源的消納問題，即，它主要是指將光伏、風(fēng)電這類“可再生能源”進(jìn)行轉(zhuǎn)換到電的一個聚焦點。并且它構(gòu)成了一個走向“零碳”的鏈條。同時，為了區(qū)分碳排放以及碳收集等處理的制氫過程，采用化石燃料如天然氣、煤炭等制氫被稱為“灰氫”。而在“灰氫”基礎(chǔ)上經(jīng)由碳收集降低碳排放被稱為“藍(lán)氫”，采用核電作為制氫則被稱為“粉氫”，采用風(fēng)電、光伏、潮汐發(fā)電等不產(chǎn)生CO₂排放的能源制氫的氫能則被定義為“綠氫”。

考慮到最近幾年大規(guī)模擴(kuò)張的新能源投資所造成的“棄電”問題，“富余再生能源消納”與過度投資有關(guān)，但也與光伏、風(fēng)電本身作為一種“不穩(wěn)定”的能源有關(guān)。近些年，在各個地方都存在“棄電”的問題，這部分能源需要被有效消納而不是停止機(jī)組的運行。而另一方面，這些電可用于制氫轉(zhuǎn)為“氫燃料電池”車的動力源，但就目前而言，氫燃料電池這個方向的成熟度尚不足。盡管如此，我們不可否認(rèn)氫能本身在化工領(lǐng)域還是有比較大的潛力。

圖2 Power to X的“X”指向四個主要的方向

制氫是首要任務(wù)，在Power to X中，作為核心，制氫將成為未來發(fā)展的一個重點，而電解槽制氫則是已經(jīng)相對比較成熟的。電解制氫主要有堿性電解制氫（AIK）、質(zhì)子交換膜制氫（PEM）和固體氧化物制氫（SOEC）幾種方式，其對比如表1所示。

表1 各電解方法的特點比較^[3]

由表1可以看到，電解制氫中比較成熟的是AIC這種方式，而另一種PEM的質(zhì)子交換膜則處于商業(yè)化初期，從關(guān)鍵指標(biāo)，即，電流密度來看，PEM還是更勝一籌，且其制氫純度、電耗、體積、環(huán)保性相對均有優(yōu)勢。隨著技術(shù)的成熟和逐漸大規(guī)模采用，它的前景也會更好一些。

圖3 PEM電解槽（IRENA Green Hydrogen Cost 2020）

如圖3所示，我們可以看到一個PEM電解槽的結(jié)構(gòu)（參考IRENA綠氫成本2020報告），包括了輸入端的原料進(jìn)入、電解工藝控制、邏輯。這些需要考慮防爆的要求。另外，在控制系統(tǒng)上，它更為專注于溫度、壓力閉環(huán)、液位、流量這樣的連續(xù)變量控制。

電轉(zhuǎn)X的幾個具體方向

在電解制氫后，這些氫將被用于以下幾個具體的方向，分別是：

（1）電轉(zhuǎn)氨，就是將氫氣與氨氣在哈伯合成氨的技術(shù)，這個相對比較成熟——采用鐵基催化劑。

（2）電轉(zhuǎn)汽油也是一條道路，氫通過與一氧化碳菲托合成為汽油，汽油的主要成為為辛烷，C₈H₁₈的結(jié)構(gòu)，相對來說，這個道路對于裝備的投資要求是比較大的。

（3）電轉(zhuǎn)甲烷：通過與CO₂的催化反應(yīng)，通常采用鐵、鎳、釕這三種金屬催化劑下的反應(yīng)生成甲烷，甲烷可以用于生產(chǎn)乙炔、一氯甲烷、二氯甲烷、四氯甲烷等產(chǎn)品。

（4）電轉(zhuǎn)甲醇：相對比較成熟的甲醇制備方法就是CO₂與氫合成，其反應(yīng)式為：

CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O

根據(jù)清華大學(xué)針對Power to X的一份在2017年的經(jīng)濟(jì)性研究報告^[2]顯示，Power to X的這幾個方向里，針對經(jīng)濟(jì)性方面來說，目前似乎對成本還是比較有挑戰(zhàn)的。

表2 Power to X的綜合對比

如表2所示，電轉(zhuǎn)甲烷、電轉(zhuǎn)汽油的能效相對較高，而轉(zhuǎn)甲醇能效最低。但考慮到合成氨、甲醇的反應(yīng)壓力要求高，合成流程中電耗較大，因此，綜合能效較低。在綜合電價目前的情況下，電轉(zhuǎn)化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)性還是比較難。如果富余電價格到0.245元/kWh的話，電轉(zhuǎn)油、轉(zhuǎn)氨基本具有經(jīng)濟(jì)性，而甲烷、甲醇技術(shù)路線則需要進(jìn)一步降低政策電價或自身能效水平再提高，才可盈利。

該研究基于2018年的技術(shù)與電價評價，到0.245元以下才能具有經(jīng)濟(jì)性，如果考慮到現(xiàn)在的國內(nèi)大規(guī)模的風(fēng)電、光伏的投資，使得目前的國內(nèi)均量化度電成本LCOE已經(jīng)做到0.2-0.3元/kWh的水平，相對于歐洲，中國在Power to X方面反倒更具競爭力。

Power to X生態(tài)對自動化的挑戰(zhàn)

圖4 綠氫構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)

實現(xiàn)Power to X為工程集成，它的建造通常是一個整體工程，如圖4所示，它其實是一個“生態(tài)系統(tǒng)”。即，它實際上包括了設(shè)備本身的控制類，發(fā)電（風(fēng)、光、水、核能等）、輸配電、制氫、氫能利用設(shè)備的發(fā)展，以及下游儲能、加氫站、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料電池汽車等眾多應(yīng)用場景。另一個方面就是電力的輸配、氫能的輸送利用中的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。通常，一個大型的氫能項目，它是由眾多的設(shè)備構(gòu)成的一個“網(wǎng)絡(luò)”，相互連接，因此，目前全球各國的氫能項目都是由國家的試點工程、能源集團(tuán)的投資等大型項目的方式進(jìn)行。這是因為它在運營上需要整個鏈條上下游的企業(yè)參與。

圖4中，我們可以看到Power to X，是一個需要認(rèn)真規(guī)劃、布局的項目，才能構(gòu)成一個完整的氫能利用的零碳網(wǎng)絡(luò)。

那么，Power to X就需要從自動化視角考慮幾個問題：

（1）安全性問題：這是首要被考慮的問題，氫作為易燃易爆的原料，它在整個生產(chǎn)、輸送、利用的過程中，都需要傳感器、通信、控制系統(tǒng)采用防爆型設(shè)計，或有處理防爆的能力。

（2）統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范連接：這成為非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，因為，每個設(shè)備來自不同的方向，如風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、光伏電站、變流/逆變、電力輸送系統(tǒng)、制氫設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、合成氨（例如制備合成氨）、氫燃料電池儲能，它們分屬電力、化工、運輸?shù)雀鱾€行業(yè)，并且，由于像光伏、氫燃料電池儲能等行業(yè)屬于新興行業(yè)，它們在系統(tǒng)的規(guī)范方面還比較欠缺。這種集成因為設(shè)備廠商采用的控制系統(tǒng)，比如PLC、DCS和SCADA都會不同，以及設(shè)備本身又包括流程裝備（如電解槽）、離散的裝備（如電堆），這使得它們的模型也會產(chǎn)生差異。

（3）分布式系統(tǒng)之間的協(xié)作問題：在整個Power to X項目中，因為再生能源自身是“不穩(wěn)定”能源，并且，下游的用戶，也不是穩(wěn)定的——比如氫的使用會產(chǎn)生變化，而制氫的設(shè)備卻是連續(xù)的，系統(tǒng)之間應(yīng)該如何協(xié)作，協(xié)作哪些參數(shù)，并且對局部工藝的影響是怎樣的。這個整體的調(diào)度與協(xié)調(diào)，也需要數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹危约案咚賱討B(tài)的響應(yīng)能力。

（4）如何實現(xiàn)智能的系統(tǒng)：Power to X天生就是一個能源不穩(wěn)定、下游應(yīng)用不穩(wěn)定、但又需要相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，那么，如何去實現(xiàn)這樣一個復(fù)雜的協(xié)作系統(tǒng)，如何讓它變得聰明，具有自適應(yīng)能力...這也是一個需要考慮的問題，包括全局視角的參數(shù)優(yōu)化、調(diào)度效率、設(shè)備的工藝優(yōu)化，這些是否能夠不斷采集、學(xué)習(xí)、部署，實現(xiàn)動態(tài)的迭代。

為Power to X的技術(shù)儲備

貝加萊正在為氫能的利用部署技術(shù)，包括多個方向的技術(shù)，如為電力系統(tǒng)而進(jìn)行的采樣與并網(wǎng)同步模塊、在設(shè)計端與MATLAB/Simulink的算法設(shè)計能力、通信的規(guī)約集成在控制系統(tǒng)中、安全認(rèn)證UL6200，分別介紹如下：

（1）能源監(jiān)測與并網(wǎng)同步

X20CM0985電力測量與并網(wǎng)同步模塊。

?120~480VAC的電能計量；

?同時測量2個交流電源網(wǎng)絡(luò)和2個附加電壓；

?適用于多功能測量任務(wù)；

?智能電力系統(tǒng)同步單元；

?發(fā)電機(jī)電壓和電流的當(dāng)前值；

?根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)指南運行；設(shè)備自動化。

（2）安全規(guī)范UL6200

UL6200是能源自動化領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)，涉及能源分配系統(tǒng)中電子控制設(shè)備的要求和安全測試。它規(guī)定了配電系統(tǒng)中使用的電子設(shè)備的安全要求，包括防電擊、火災(zāi)和機(jī)械損壞。貝加萊為控制器提供的此項認(rèn)證，不僅為發(fā)電機(jī)組的控制提供安全保障，同時也為Power to X的方案提供了有力支撐。

（3）電力數(shù)據(jù)信息建模IEC61850

IEC61850是為了發(fā)電及配電系統(tǒng)而提供的信息建模的框架，它能夠為電力系統(tǒng)提供高效的數(shù)據(jù)采集、傳輸、運營數(shù)據(jù)分析、決策等領(lǐng)域的基本支撐。它繼承了層級的模塊化架構(gòu)，來為搭建電力系統(tǒng)的整體數(shù)字化運營提供便利。

在Automation Studio中，可被調(diào)用的IEC61850功能可以讓用戶快速地配置其電力傳輸所需的數(shù)據(jù)、對象、方法等。

（4）模塊類型包MTP

模塊類型包Module Type Package是特別適合于分布式系統(tǒng)的自動化工程規(guī)范。它將所有自動化組件（傳感器、執(zhí)行器、控制器等）作為對象進(jìn)行層級建模，并通過狀態(tài)來實現(xiàn)在任務(wù)間的協(xié)作。在系統(tǒng)需要任務(wù)升級的時候，用戶可以通過支持MTP規(guī)范的交互方法來升級系統(tǒng)應(yīng)用程序，而無需關(guān)注底層的自動化組件來自哪個供應(yīng)商。

MTP是OPC UA在自動化工程方面的應(yīng)用，它基于OPCUA的數(shù)據(jù)建模，但它提供了數(shù)據(jù)的交互模型、HMI呈現(xiàn)等方面的能力。讓自動化系統(tǒng)可以更為快速地實現(xiàn)工程集成。

MTP通常由設(shè)備廠商提供MTP相關(guān)的描述文件，例如由Automation Studio導(dǎo)出該文件，下載到第三方或主機(jī)系統(tǒng)的軟件中，它即可識別來自貝加萊的對象。或者相反，由貝加萊識別第三方的組件，并對其進(jìn)行相應(yīng)的操作，例如：配置系統(tǒng)、下發(fā)任務(wù)、獲得數(shù)據(jù)與狀態(tài)等工作。

對于電解槽而言，其屬于典型的模塊化對象，不管采用AKI、PEM、WEM等哪種形式的電解槽，其所需的控制對象都是具有統(tǒng)一性的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞紅梅, 邵志剛, 侯明, 衣寶廉, 段方維, 楊瀅璇. 電解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議. 中國工程科學(xué)[J]. 2021 : 23. (2) : 146 -152.

[2] 面向可再生能源消納的電化工 (P2X) 技術(shù)分析及其能耗水平對比[EB/OL].

摘自《自動化博覽》2024年8月刊