★贝加莱工业自动化（中国）有限公司宋华振

Power to X是一个在全球能源领域重要的方向，它充分利用氢能的潜力，将可再生能源通过“绿氢”这一中间转换环节，生成绿色的燃料、化工合成原料等。作为一个实现零碳的路径，本文对其进行了概览性的分析，并从自动化系统的视角阐述如何构建其所需的系统，以及从底层到顶层的探索。

Power to X是什么？

Power to X被称为“点亮未来的净零排放之路”的理念，参考WEF（世界经济论坛）定义，Power to X被翻译为“电转X”。Power to X（或P2X）是将富余的清洁能源（这里特指清洁能源）通过“氢”转化为各种化工方向的新方案。在这里，电可以通过化学合成方法，转化为用于化工产品、燃料、电力等各个领域的再应用。当然，在实际的Power to X生产链中，它通常被更为具体的指转为绿氨、绿色甲醇、绿色甲烷、绿色合成燃料这几个重要的方向。

图1 Power to X的概念定义

如图1所示，Power to X还存在一个富余可再生能源的消纳问题，即，它主要是指将光伏、风电这类“可再生能源”进行转换到电的一个聚焦点。并且它构成了一个走向“零碳”的链条。同时，为了区分碳排放以及碳收集等处理的制氢过程，采用化石燃料如天然气、煤炭等制氢被称为“灰氢”。而在“灰氢”基础上经由碳收集降低碳排放被称为“蓝氢”，采用核电作为制氢则被称为“粉氢”，采用风电、光伏、潮汐发电等不产生CO₂排放的能源制氢的氢能则被定义为“绿氢”。

考虑到最近几年大规模扩张的新能源投资所造成的“弃电”问题，“富余再生能源消纳”与过度投资有关，但也与光伏、风电本身作为一种“不稳定”的能源有关。近些年，在各个地方都存在“弃电”的问题，这部分能源需要被有效消纳而不是停止机组的运行。而另一方面，这些电可用于制氢转为“氢燃料电池”车的动力源，但就目前而言，氢燃料电池这个方向的成熟度尚不足。尽管如此，我们不可否认氢能本身在化工领域还是有比较大的潜力。

图2 Power to X的“X”指向四个主要的方向

制氢是首要任务，在Power to X中，作为核心，制氢将成为未来发展的一个重点，而电解槽制氢则是已经相对比较成熟的。电解制氢主要有碱性电解制氢（AIK）、质子交换膜制氢（PEM）和固体氧化物制氢（SOEC）几种方式，其对比如表1所示。

表1 各电解方法的特点比较^[3]

由表1可以看到，电解制氢中比较成熟的是AIC这种方式，而另一种PEM的质子交换膜则处于商业化初期，从关键指标，即，电流密度来看，PEM还是更胜一筹，且其制氢纯度、电耗、体积、环保性相对均有优势。随着技术的成熟和逐渐大规模采用，它的前景也会更好一些。

图3 PEM电解槽（IRENA Green Hydrogen Cost 2020）

如图3所示，我们可以看到一个PEM电解槽的结构（参考IRENA绿氢成本2020报告），包括了输入端的原料进入、电解工艺控制、逻辑。这些需要考虑防爆的要求。另外，在控制系统上，它更为专注于温度、压力闭环、液位、流量这样的连续变量控制。

电转X的几个具体方向

在电解制氢后，这些氢将被用于以下几个具体的方向，分别是：

（1）电转氨，就是将氢气与氨气在哈伯合成氨的技术，这个相对比较成熟——采用铁基催化剂。

（2）电转汽油也是一条道路，氢通过与一氧化碳菲托合成为汽油，汽油的主要成为为辛烷，C₈H₁₈的结构，相对来说，这个道路对于装备的投资要求是比较大的。

（3）电转甲烷：通过与CO₂的催化反应，通常采用铁、镍、钌这三种金属催化剂下的反应生成甲烷，甲烷可以用于生产乙炔、一氯甲烷、二氯甲烷、四氯甲烷等产品。

（4）电转甲醇：相对比较成熟的甲醇制备方法就是CO₂与氢合成，其反应式为：

CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O

根据清华大学针对Power to X的一份在2017年的经济性研究报告^[2]显示，Power to X的这几个方向里，针对经济性方面来说，目前似乎对成本还是比较有挑战的。

表2 Power to X的综合对比

如表2所示，电转甲烷、电转汽油的能效相对较高，而转甲醇能效最低。但考虑到合成氨、甲醇的反应压力要求高，合成流程中电耗较大，因此，综合能效较低。在综合电价目前的情况下，电转化工技术经济性还是比较难。如果富余电价格到0.245元/kWh的话，电转油、转氨基本具有经济性，而甲烷、甲醇技术路线则需要进一步降低政策电价或自身能效水平再提高，才可盈利。

该研究基于2018年的技术与电价评价，到0.245元以下才能具有经济性，如果考虑到现在的国内大规模的风电、光伏的投资，使得目前的国内均量化度电成本LCOE已经做到0.2-0.3元/kWh的水平，相对于欧洲，中国在Power to X方面反倒更具竞争力。

Power to X生态对自动化的挑战

图4 绿氢构成的生态系统

实现Power to X为工程集成，它的建造通常是一个整体工程，如图4所示，它其实是一个“生态系统”。即，它实际上包括了设备本身的控制类，发电（风、光、水、核能等）、输配电、制氢、氢能利用设备的发展，以及下游储能、加氢站、热电联产、燃料电池汽车等众多应用场景。另一个方面就是电力的输配、氢能的输送利用中的网络调度。通常，一个大型的氢能项目，它是由众多的设备构成的一个“网络”，相互连接，因此，目前全球各国的氢能项目都是由国家的试点工程、能源集团的投资等大型项目的方式进行。这是因为它在运营上需要整个链条上下游的企业参与。

图4中，我们可以看到Power to X，是一个需要认真规划、布局的项目，才能构成一个完整的氢能利用的零碳网络。

那么，Power to X就需要从自动化视角考虑几个问题：

（1）安全性问题：这是首要被考虑的问题，氢作为易燃易爆的原料，它在整个生产、输送、利用的过程中，都需要传感器、通信、控制系统采用防爆型设计，或有处理防爆的能力。

（2）统一的标准与规范连接：这成为非常关键的一个环节，因为，每个设备来自不同的方向，如风力发电设备、光伏电站、变流/逆变、电力输送系统、制氢设备、燃气轮机、合成氨（例如制备合成氨）、氢燃料电池储能，它们分属电力、化工、运输等各个行业，并且，由于像光伏、氢燃料电池储能等行业属于新兴行业，它们在系统的规范方面还比较欠缺。这种集成因为设备厂商采用的控制系统，比如PLC、DCS和SCADA都会不同，以及设备本身又包括流程装备（如电解槽）、离散的装备（如电堆），这使得它们的模型也会产生差异。

（3）分布式系统之间的协作问题：在整个Power to X项目中，因为再生能源自身是“不稳定”能源，并且，下游的用户，也不是稳定的——比如氢的使用会产生变化，而制氢的设备却是连续的，系统之间应该如何协作，协作哪些参数，并且对局部工艺的影响是怎样的。这个整体的调度与协调，也需要数据网络传输的支撑，以及高速动态的响应能力。

（4）如何实现智能的系统：Power to X天生就是一个能源不稳定、下游应用不稳定、但又需要相互关联的系统，那么，如何去实现这样一个复杂的协作系统，如何让它变得聪明，具有自适应能力...这也是一个需要考虑的问题，包括全局视角的参数优化、调度效率、设备的工艺优化，这些是否能够不断采集、学习、部署，实现动态的迭代。

为Power to X的技术储备

贝加莱正在为氢能的利用部署技术，包括多个方向的技术，如为电力系统而进行的采样与并网同步模块、在设计端与MATLAB/Simulink的算法设计能力、通信的规约集成在控制系统中、安全认证UL6200，分别介绍如下：

（1）能源监测与并网同步

X20CM0985电力测量与并网同步模块。

•120~480VAC的电能计量；

•同时测量2个交流电源网络和2个附加电压；

•适用于多功能测量任务；

•智能电力系统同步单元；

•发电机电压和电流的当前值；

•根据当前电网指南运行；设备自动化。

（2）安全规范UL6200

UL6200是能源自动化领域的重要标准，涉及能源分配系统中电子控制设备的要求和安全测试。它规定了配电系统中使用的电子设备的安全要求，包括防电击、火灾和机械损坏。贝加莱为控制器提供的此项认证，不仅为发电机组的控制提供安全保障，同时也为Power to X的方案提供了有力支撑。

（3）电力数据信息建模IEC61850

IEC61850是为了发电及配电系统而提供的信息建模的框架，它能够为电力系统提供高效的数据采集、传输、运营数据分析、决策等领域的基本支撑。它继承了层级的模块化架构，来为搭建电力系统的整体数字化运营提供便利。

在Automation Studio中，可被调用的IEC61850功能可以让用户快速地配置其电力传输所需的数据、对象、方法等。

（4）模块类型包MTP

模块类型包Module Type Package是特别适合于分布式系统的自动化工程规范。它将所有自动化组件（传感器、执行器、控制器等）作为对象进行层级建模，并通过状态来实现在任务间的协作。在系统需要任务升级的时候，用户可以通过支持MTP规范的交互方法来升级系统应用程序，而无需关注底层的自动化组件来自哪个供应商。

MTP是OPC UA在自动化工程方面的应用，它基于OPCUA的数据建模，但它提供了数据的交互模型、HMI呈现等方面的能力。让自动化系统可以更为快速地实现工程集成。

MTP通常由设备厂商提供MTP相关的描述文件，例如由Automation Studio导出该文件，下载到第三方或主机系统的软件中，它即可识别来自贝加莱的对象。或者相反，由贝加莱识别第三方的组件，并对其进行相应的操作，例如：配置系统、下发任务、获得数据与状态等工作。

对于电解槽而言，其属于典型的模块化对象，不管采用AKI、PEM、WEM等哪种形式的电解槽，其所需的控制对象都是具有统一性的。

参考文献：

[1] 俞红梅, 邵志刚, 侯明, 衣宝廉, 段方维, 杨滢璇. 电解水制氢技术研究进展与发展建议. 中国工程科学[J]. 2021 : 23. (2) : 146 -152.

[2] 面向可再生能源消纳的电化工 (P2X) 技术分析及其能耗水平对比[EB/OL].

摘自《自动化博览》2024年8月刊