2020年 09月

利用新型可再生能源的绿色氢气生产P2G技术研究

2020年 9月 21日

LEE Sang-lae (System Safety Research Team)

1. 新型可再生能源的兴起

全球范围内的COP 21（Comprence of the Parties 21）之后，随着二氧化碳减排对策成为重要话题，减少温室气体排放的根本方法，对新型可再生能源的投资正在急剧增加。与此同时，在韩国，由于现大韩民国政府“可再生能源3020履行计划”和国民对环境的极大关注，对包括太阳光和风力在内的新型可再生能源相关，正在产生各种各样的关注和投资。

[Worldwide Capacity and Growth Rate of Renewable Energy Power Generation Facilities]

그림2.-전세계-재생에너지-발전-설비-용량과-성장률.png — [全世界可再生能源发电设备容量及成长率]

2. 新型可再生能源的限制

但是，随着天气、风等外部因素的不同，输出变动幅度较大的可再生能源比率明显升高，电力系统的不稳定性也在逐渐增加，现实情况就是需要相应的对策。

例如，从就近济州岛内的情况来看，济州岛内的消费电力由岛内生产的基底电力（45%）和通过1 ~ 2海底电缆传送的陆基电力（40%）、新型可再生能源（15%）构成。但是，在目前电力供应情况下，如果预想到需要超过当初电力消费量的发电量，由于基底电力（火力）就无法停止发展，因此为了栅极稳定性，主要通过风力发电的输出限制来实现。

从2015年3次，2016年6次，2017年14次，2018年15次的风力发电功率限制到2019年的45次，2020年7月为止，共计46次，从去年开始激增，在参考相似岛国案例欧洲爱尔兰情况时，预计风力发电年启动率将达到近20%的输出限制。

与我国相似的经验，在风力发电的发达国家中国、欧洲，几年前就已经经历过，因此出现了不少损失。以2016年为基准，中国因太阳光和风力发电的输出限制而造成的损失为205亿元，韩元为3兆5千亿元。欧洲风力发达国家英国、德国的情况也不例外，因此与中国的损失相似。

为此，以欧洲国家为中心，负责可再生能源的输出变动幅度的变化，确保网格的稳定性，为了对剩余电量的应对和有效能源的储存和利用，将新型可再生能源生产的电储存为氢气形态的P2G（Power to Gas）系统等，正在进行各种各样的研究和尝试。

韩国对于适合固有环境的新型可再生能源和多种混合系统开发需求正在不断增加，利用氢气的混动系统作为代表性的对策。

作为清洁能源的氢气含有高的能源密度和包含发电用/运输用燃料等多种多样的用处，被视为下一代能源，也是最近达成协议的新气候变化体制中最有效应对的清洁能源。

但是到目前为止，与此相关的国内技术水平还没有成熟，因此需要对核心技术开发和商用化进行实证。根据韩国政府政策，随着可再生能源的增加，防止电力的负荷稳定性下降，克服电能的储存容量界限，在需要利用未利用电力技术的现实中，利用未利用的电能转换为氢气，使它热电联产，用于车辆和船舶等的运输燃料，使能源混合电网主要能源发挥作用的P2G（Power to Gas）技术正在备受瞩目。

3. P2G(Power to Gas)系统

从多种氢气生产的全过程角度来看，温室气体完全没有排出。完整的CO2-free氢生殖方式是利用可再生能源发电产生的电能进行水电解，这是唯一的氢气生产方式，将这种生产的氢称为绿色氢。

水电解方式是向水离子中运用的电解质（electrolyzer）提供电力，将水分解为氢气和氧气的技术，根据电解质的种类，分为碱性(Alkaline)、高分子电解质膜（PEM）、固体氧化物（SOEC）水点解方式，其中碱性水电解方式是目前最为商业化利用。

그림6.-수전해-세부-생산기술별-개념-비교.png — [不同水电解方式的详细生产技术概念比较]

首先，碱性水电解目前在水电解技术中的商业化层面上取得了最大进展。
主要是利用碱性电解液的水进行电解的技术，基于单位电池的各电极产生的电发生反应。在技术的成熟度方面，长期研究开发的碱性水电解方式进入商用化阶段，国内也出现了相关产品的市场销售。

高分子电解质膜（PEM）水电解是将离子导电性高分子电解质膜（Polymer Electrolyte Membrane:PEM）作为电解质将水进行电解的技术，基于单位电池的各电极产生的电发生反应。据悉，这种高分子电解质膜水电解方式在系统的小型化、维护，保养方面是三种水电解方式中最为优秀的。

高分子电解质膜水电解技术与碱性水电解技术不同，在国内目前还处于实证阶段，但在海外，部分企业已经成功商用化，正在进行产品销售。

固体氧化物水电解（Solid Oxide Electrolyzer Cell:SOEC）或高温水蒸气水电解，利用固体氧化物电解质，将800°C以上的高温水蒸气进行电解生产氢气的技术，在技术中电力使用量最小，但为了维持高温，需要另外加热的系统。

固体氧化物水电解的所有材料都是陶瓷材质，因此在维护和耐久性方面与其他水电解方式相比处于劣势，但在能源效率方面，氢气生产所需的电力或其他能源最少，氢气的制造成本也最低。预计，在未来将成为主流的水电解技术。

4. KR的P2G(Power to Gas)相关研究

KR研究本部正在运营国内机构唯一的风力发电国际认证（KAS:Korea Accreditation System）系统。与此同时，以11个民间发电事业者为对象，根据政府新型可再生能源义务分配发电系统（RPS:Renewable Porfolio Standard）的扩大运营，运营着“中大型风力涡轮KS认证”，我公司被指定为风力发电系统的设计评估机构，作为签发新型可再生能源供应认可证书（REC:Renewable Energy Certificate）的中枢性机构活动。

在这种活动延长中，利用新型可再生能源的P2G相关研究也付出了很多努力。最近，与此相关接受了“为了可再生能源利用最大化，开发2 MW级 Power-to-Gas系统工程技术及商业模型”政府的R&D，与韩国电力、韩国东西发电、韩国中部发电、斗山重工、G-philos、高等技术研究院等一起进行了3年的研究。另外，通过与氢能相关的屈指可数的大企业的合作，正在推进P2G相关的实证研究，预计不久后会有结果。

그림8. 한국전력 주관_그린수소 개발 사업 참여(19년 9월).png — [韩国电力主管_参与绿色氢气开发事业(19年9月)]

以通过多种研究活动积累的技术和经验为基础，KR研究本部建立了绿色氢气认证制度（Certifhy Guarantee of Origin（GO）），从长远来看，将其与氢认证制联合发电用燃料电池REC权重值调整等相联系，预计可以创造附加收益。与此同时，为了减少船舶排放污染物，将推进小型船舶适用氢燃料电池动力系统的“氢燃料电池船舶”等的连接。

5. 结论

新型可再生能源、氢气、船舶…完全不般配的单词组合受到政府“绿色新政”和“氢经济活性化路标”的巨大政策的影响，正在一起行动。这与能源政策方面一起，以现政府革新成长政策的一环尖端产业培育政策为中心，也展现出了氢气经济的经济价值重要性。

与此同时，还可以看出，推进氢气经济履行的正当性不仅具有经济价值，还通过利用氢气来实现能源消费的脱碳化，在减排温室气体和减少微尘等方面也具有一定的环境价值。

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从这种技术趋势的变化和对这一问题的先发制人的应对角度来看，KR研究本部正在继续进行与氢气相关的多种研究，其中之一是将集中于利用新型可再生能源的氢气生产、P2G。预计新型可再生能源生产的氢作为船舶燃料使用的日子不久之后将会到来，为此，对氢气相关规范、技术等事前应对层面上，KR研究本部内的各个领域也在时刻准备着。

그림9. IMO 2020 대응을위한 선박 연료유로써의 수소.png — [为了应对IMO 2020的船舶燃料氢气]

KR Webzine Vol.138