★貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司宋華振

Power to X是一個(gè)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(guò)“綠氫”這一中間轉換環(huán)節，生成綠色的燃料、化工合成原料等。作為一個(gè)實(shí)現零碳的路徑，本文對其進(jìn)行了概覽性的分析，并從自動(dòng)化系統的視角闡述如何構建其所需的系統，以及從底層到頂層的探索。

Power to X是什么？

Power to X被稱(chēng)為“點(diǎn)亮未來(lái)的凈零排放之路”的理念，參考WEF（世界經(jīng)濟論壇）定義，Power to X被翻譯為“電轉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(guò)“氫”轉化為各種化工方向的新方案。在這里，電可以通過(guò)化學(xué)合成方法，轉化為用于化工產(chǎn)品、燃料、電力等各個(gè)領(lǐng)域的再應用。當然，在實(shí)際的Power to X生產(chǎn)鏈中，它通常被更為具體的指轉為綠氨、綠色甲醇、綠色甲烷、綠色合成燃料這幾個(gè)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(gè)富余可再生能源的消納問(wèn)題，即，它主要是指將光伏、風(fēng)電這類(lèi)“可再生能源”進(jìn)行轉換到電的一個(gè)聚焦點(diǎn)。并且它構成了一個(gè)走向“零碳”的鏈條。同時(shí)，為了區分碳排放以及碳收集等處理的制氫過(guò)程，采用化石燃料如天然氣、煤炭等制氫被稱(chēng)為“灰氫”。而在“灰氫”基礎上經(jīng)由碳收集降低碳排放被稱(chēng)為“藍氫”，采用核電作為制氫則被稱(chēng)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模擴張的新能源投資所造成的“棄電”問(wèn)題，“富余再生能源消納”與過(guò)度投資有關(guān)，但也與光伏、風(fēng)電本身作為一種“不穩定”的能源有關(guān)。近些年，在各個(gè)地方都存在“棄電”的問(wèn)題，這部分能源需要被有效消納而不是停止機組的運行。而另一方面，這些電可用于制氫轉為“氫燃料電池”車(chē)的動(dòng)力源，但就目前而言，氫燃料電池這個(gè)方向的成熟度尚不足。盡管如此，我們不可否認氫能本身在化工領(lǐng)域還是有比較大的潛力。

圖2 Power to X的“X”指向四個(gè)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(lái)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，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(diǎn)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，即，電流密度來(lái)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(zhù)技術(shù)的成熟和逐漸大規模采用，它的前景也會(huì )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(gè)PEM電解槽的結構（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，在控制系統上，它更為專(zhuān)注于溫度、壓力閉環(huán)、液位、流量這樣的連續變量控制。

電轉X的幾個(gè)具體方向

在電解制氫后，這些氫將被用于以下幾個(gè)具體的方向，分別是：

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

（2）電轉汽油也是一條道路，氫通過(guò)與一氧化碳菲托合成為汽油，汽油的主要成為為辛烷，C₈H₁₈的結構，相對來(lái)說(shuō)，這個(gè)道路對于裝備的投資要求是比較大的。

（3）電轉甲烷：通過(guò)與CO₂的催化反應，通常采用鐵、鎳、釕這三種金屬催化劑下的反應生成甲烷，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，其反應式為：

CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O

根據清華大學(xué)針對Power to X的一份在2017年的經(jīng)濟性研究報告^[2]顯示，Power to X的這幾個(gè)方向里，針對經(jīng)濟性方面來(lái)說(shuō)，目前似乎對成本還是比較有挑戰的。

表2 Power to X的綜合對比

如表2所示，電轉甲烷、電轉汽油的能效相對較高，而轉甲醇能效最低。但考慮到合成氨、甲醇的反應壓力要求高，合成流程中電耗較大，因此，綜合能效較低。在綜合電價(jià)目前的情況下，電轉化工技術(shù)經(jīng)濟性還是比較難。如果富余電價(jià)格到0.245元/kWh的話(huà)，電轉油、轉氨基本具有經(jīng)濟性，而甲烷、甲醇技術(shù)路線(xiàn)則需要進(jìn)一步降低政策電價(jià)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(jià)評價(jià)，到0.245元以下才能具有經(jīng)濟性，如果考慮到現在的國內大規模的風(fēng)電、光伏的投資，使得目前的國內均量化度電成本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(dòng)化的挑戰

圖4 綠氫構成的生態(tài)系統

實(shí)現Power to X為工程集成，它的建造通常是一個(gè)整體工程，如圖4所示，它其實(shí)是一個(gè)“生態(tài)系統”。即，它實(shí)際上包括了設備本身的控制類(lèi)，發(fā)電（風(fēng)、光、水、核能等）、輸配電、制氫、氫能利用設備的發(fā)展，以及下游儲能、加氫站、熱電聯(lián)產(chǎn)、燃料電池汽車(chē)等眾多應用場(chǎng)景。另一個(gè)方面就是電力的輸配、氫能的輸送利用中的網(wǎng)絡(luò )調度。通常，一個(gè)大型的氫能項目，它是由眾多的設備構成的一個(gè)“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(diǎn)工程、能源集團的投資等大型項目的方式進(jìn)行。這是因為它在運營(yíng)上需要整個(gè)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(gè)需要認真規劃、布局的項目，才能構成一個(gè)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(dòng)化視角考慮幾個(gè)問(wèn)題：

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

（2）統一的標準與規范連接：這成為非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節，因為，每個(gè)設備來(lái)自不同的方向，如風(fēng)力發(fā)電設備、光伏電站、變流/逆變、電力輸送系統、制氫設備、燃氣輪機、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、運輸等各個(gè)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)，它們在系統的規范方面還比較欠缺。這種集成因為設備廠(chǎng)商采用的控制系統，比如PLC、DCS和SCADA都會(huì )不同，以及設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(huì )產(chǎn)生差異。

（3）分布式系統之間的協(xié)作問(wèn)題：在整個(gè)Power to X項目中，因為再生能源自身是“不穩定”能源，并且，下游的用戶(hù)，也不是穩定的——比如氫的使用會(huì )產(chǎn)生變化，而制氫的設備卻是連續的，系統之間應該如何協(xié)作，協(xié)作哪些參數，并且對局部工藝的影響是怎樣的。這個(gè)整體的調度與協(xié)調，也需要數據網(wǎng)絡(luò )傳輸的支撐，以及高速動(dòng)態(tài)的響應能力。

（4）如何實(shí)現智能的系統：Power to X天生就是一個(gè)能源不穩定、下游應用不穩定、但又需要相互關(guān)聯(lián)的系統，那么，如何去實(shí)現這樣一個(gè)復雜的協(xié)作系統，如何讓它變得聰明，具有自適應能力...這也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，包括全局視角的參數優(yōu)化、調度效率、設備的工藝優(yōu)化，這些是否能夠不斷采集、學(xué)習、部署，實(shí)現動(dòng)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(gè)方向的技術(shù)，如為電力系統而進(jìn)行的采樣與并網(wǎng)同步模塊、在設計端與MATLAB/Simulink的算法設計能力、通信的規約集成在控制系統中、安全認證UL6200，分別介紹如下：

（1）能源監測與并網(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(shí)測量2個(gè)交流電源網(wǎng)絡(luò )和2個(gè)附加電壓；

?適用于多功能測量任務(wù)；

?智能電力系統同步單元；

?發(fā)電機電壓和電流的當前值；

?根據當前電網(wǎng)指南運行；設備自動(dòng)化。

（2）安全規范UL6200

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

（3）電力數據信息建模IEC61850

IEC61850是為了發(fā)電及配電系統而提供的信息建模的框架，它能夠為電力系統提供高效的數據采集、傳輸、運營(yíng)數據分析、決策等領(lǐng)域的基本支撐。它繼承了層級的模塊化架構，來(lái)為搭建電力系統的整體數字化運營(yíng)提供便利。

在A(yíng)utomation Studio中，可被調用的IEC61850功能可以讓用戶(hù)快速地配置其電力傳輸所需的數據、對象、方法等。

（4）模塊類(lèi)型包MTP

模塊類(lèi)型包Module Type Package是特別適合于分布式系統的自動(dòng)化工程規范。它將所有自動(dòng)化組件（傳感器、執行器、控制器等）作為對象進(jìn)行層級建模，并通過(guò)狀態(tài)來(lái)實(shí)現在任務(wù)間的協(xié)作。在系統需要任務(wù)升級的時(shí)候，用戶(hù)可以通過(guò)支持MTP規范的交互方法來(lái)升級系統應用程序，而無(wú)需關(guān)注底層的自動(dòng)化組件來(lái)自哪個(gè)供應商。

MTP是OPC UA在自動(dòng)化工程方面的應用，它基于OPCUA的數據建模，但它提供了數據的交互模型、HMI呈現等方面的能力。讓自動(dòng)化系統可以更為快速地實(shí)現工程集成。

MTP通常由設備廠(chǎng)商提供MTP相關(guān)的描述文件，例如由Automation Studio導出該文件，下載到第三方或主機系統的軟件中，它即可識別來(lái)自貝加萊的對象?；蛘呦喾?，由貝加萊識別第三方的組件，并對其進(jìn)行相應的操作，例如：配置系統、下發(fā)任務(wù)、獲得數據與狀態(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一性的。

參考文獻：

[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(dòng)化博覽》2024年8月刊