可再生能源與氫能的融合如何實現？

2018-01-23 12:19:09 國家電網報　點擊量：評論 (0)

核心提示：2017年前三季度，我國光伏發(fā)電量857億千瓦時，棄光電量51億千瓦時，風力發(fā)電2128億千瓦時，棄風電量295.5億千瓦時。如何破解棄風...

核心提示：2017年前三季度，我國光伏發(fā)電量857億千瓦時，棄光電量51億千瓦時，風力發(fā)電2128億千瓦時，棄風電量295.5億千瓦時。如何破解棄風棄光難題依然是能源領域科研人員的研究熱點。

面對上述難題，以可再生能源與氫能融合的能源利用新思路順勢而出。中國電科院為探求多種能源融合的發(fā)展前景，開展了《利用多能源轉換技術推進清潔替代的可行性》項目研究，對可再生能源與氫能在電力系統(tǒng)的有機結合進行了前瞻性研究，對多能融合的諸多疑問進行了解答。

國內外有哪些可再生能源與氫能融合的研究實踐？

耦合可再生能源與氫能的多能源系統(tǒng)工程可追溯到2004年建成的位于挪威阿奇若島的風氫能源示范項目，該系統(tǒng)主要由600千瓦風機、產氫能力為10標準立方米/時的電解制氫裝置、儲氫容量為2400標準立方米的高壓儲氫罐、55千瓦氫氣內燃機及10千瓦燃料電池組成，最多可滿足島上10戶家庭2～3天的用電需求。

德國大力發(fā)展氫能燃料電池汽車產業(yè)并提出了氫能發(fā)展路線圖及“PowertoGas”發(fā)展戰(zhàn)略。2011年德國E.ON和GreenpeaceEnergy等能源公司在德國建立6兆瓦的風—氫示范項目，在用電需求高峰時段，優(yōu)先將風電全部并入電網，在電力需求低谷時段，將風電轉化為氫氣存儲起來，然后再通過天然氣管網摻氫輸送至附近熱電廠進行熱電聯(lián)供。此外，Audi公司于2013年在德國建成了6兆瓦的“光伏—氫—甲烷”項目（E—Gas項目），通過光伏發(fā)電制取氫氣，再與二氧化碳重整制成甲烷，年產甲烷能力達到1000噸。

耦合可再生能源與氫能的多能源轉換系統(tǒng)已成為多個國家的戰(zhàn)略抉擇與目標。作為全球風力發(fā)電和光伏發(fā)電增幅最大的國家，我國開展以氫能為核心的多能源轉換系統(tǒng)意義重大。2015年，我國啟動了一項由河北建投集團與德國McRhy、Encon等公司合作的風電制氫工程項目，計劃在河北省沽源縣建設200兆瓦風電場、10兆瓦電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)，制取的氫氣可用于工業(yè)生產，并為未來氫能源動力汽車產業(yè)進行資源儲備，現一期200兆瓦風電場已并網發(fā)電。

如何實現可再生能源與氫能的轉換？

實現可再生能源與氫能轉換是將可再生能源發(fā)電產生的電能用于電解水，產生氫氣與氧氣，這一電—氫能源轉換過程的實現離不開一個關鍵的設備——電解槽。根據電解槽中電解質的不同，可以分為堿性、質子交換膜以及固體氧化物三種電解制氫類型。

堿性電解制氫是目前電解制氫中最成熟和最經濟的方式，適用于大規(guī)模與高負荷制氫的工況，堿性電解槽是一種低溫電解技術，工作溫度一般范圍為70～90攝氏度，制取的氫氣純度較高；質子交換膜電解制氫采用純水電解，工作溫度約為55～80攝氏度，可更好地適應負載功率波動性，但由于其成本較高，使其目前僅在軍工和航天工程上實現商業(yè)化應用；固體氧化物電解制氫屬于高溫電解類型，工作溫度高達700～900攝氏度，總體效率非常高，但較高的工作溫度也使其在爬坡速率、黑啟動和負載變化上的靈活性較低。

堿性電解制氫由于技術成熟度高、壽命和成本均能滿足可再生能源發(fā)電制氫需要的優(yōu)勢，是目前可再生能源電解制氫方式的首選，但隨著質子交換膜電解制氫成本的逐步降低及工作壽命的延長，將會憑借其可靈活適應輸入功率波動的性能，具備在可再生能源制氫領域規(guī)模化應用的潛力。

可再生能源電解制取的氫氣應用場景有哪些？

氫氣的應用領域非常廣泛，在傳統(tǒng)應用方面，用量最大的行業(yè)是石油化工業(yè)，用于生產合成氨、甲醇以及石油煉制過程中的加氫反應。此外，氫氣在電子工業(yè)、冶金工業(yè)等領域也有應用。除傳統(tǒng)應用外，氫氣可作為能源加以利用，如氫燃料電池，將成為未來重要的氫氣利用發(fā)展方向。根據氫能終端應用途徑的不同，可以將可再生能源與氫能融合系統(tǒng)的應用模式分為以下五種場景：

電—氫—燃料電池發(fā)電：將可再生能源電解產生的氫能經壓縮儲存后，在用電高峰時供給燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，回送電量至電網，若將燃料電池的熱能回收再利用，綜合能效可達60%以上。

電—氫—混合燃氣：此應用模式下制取的氫氣經過壓縮與高壓輸運后按照一定比例與天然氣混摻，可送至燃氣輪機電站進行發(fā)電或供其他工業(yè)和民用使用。

電—氫—甲烷—燃氣：電解產生氫氣需再與二氧化碳發(fā)生反應轉換為甲烷，甲烷經過壓縮，運輸到燃氣輪機電站進行發(fā)電或注入天然氣管網用于各行各業(yè)。

電—氫—移動發(fā)電：氫能經儲存、輸運及加注過程，最后在交通運輸領域作為燃料電池類交通工具燃料使用，全環(huán)節(jié)的能源轉換效率約為16%～31%，這種方式最大的意義在于既有利于可再生能源的高比例應用，同時又能推動氫燃料電池交通工具產業(yè)化的快速發(fā)展。

電—氫—化工原料：制取的氫氣直接被用于傳統(tǒng)用氫產業(yè)，作為反應原料使用，如合成氨、煤氣化、煤化工等產業(yè)。

可再生能源與氫能融合的潛力如何？

可再生能源制氫系統(tǒng)是構建電—氣—冷—熱多能互補一體化集成系統(tǒng)的基礎及重要環(huán)節(jié)，為能源消費和供需的協(xié)調配合構建了橋梁和紐帶。采用可再生能源與氫能融合，一方面，擺脫了傳統(tǒng)化石燃料制氫對環(huán)境的影響，為氫能的制取開辟了更清潔、更環(huán)保的新途徑，推進清潔替代的實現，為氫能經濟的到來奠定環(huán)保綠色的技術基礎；另一方面，整合各類能源發(fā)展，提升能源系統(tǒng)的資源利用率，為構建多能源互補集成系統(tǒng)夯實基礎環(huán)節(jié)，顯著提高社會、資源、經濟、環(huán)境等方面的綜合效益。

為定量評估采用可再生能源電解制氫緩解棄風現象的潛力，以氫氣通過管道輸送為前提條件，對利用的棄風電量進行估算。我國西氣東輸年累計輸送天然氣量約為590億立方米，其中西一線240億立方米，西二線350億立方米，按照氫氣以5%的比例混摻到天然氣作為計算依據，則西氣東輸可輸送氫氣量為29.5億立方米，由于制取1標準立方米氫氣需耗電4.5～5.0千瓦時，按照最大耗電量計算用電量，通過管道輸送氫氣具備消納147.5億千瓦時棄風電量的潛力。我國2016年全年棄風電量497億千瓦時，可有效利用29.68%的棄風電量。由此可見，可再生能源與氫能的融合可在一定程度上解決棄風電量浪費的問題。

未來可再生能源與氫能融合的發(fā)展趨勢是什么？

目前，采用風能、太陽能等波動性電源制氫存在的最大挑戰(zhàn)是兩種技術融合后的經濟性和季節(jié)匹配性，在未來融合技術的研究中應重點關注以下四個方面：

一是提高系統(tǒng)能源利用率，進一步帶動氫氣制取成本的降低，目前可再生能源制氫的成本相對其他常規(guī)方式仍較高，但差距正在逐步縮小，未來應進一步提高融合技術的成熟度，使可再生能源電解制氫成本具備市場競爭力。

二是開展可再生能源制氫系統(tǒng)耦合電網的控制策略研究，在滿足制氫系統(tǒng)并網安全穩(wěn)定性的前提下，實現制氫系統(tǒng)與電網的最佳匹配容量運行，進一步提升系統(tǒng)棄風、棄光電量的利用率。

三是打通產氫和用氫產業(yè)鏈，對接燃料電池等新興用氫產業(yè)，實現從產—儲—輸—用一條龍的氫能經濟，實用化程度大幅提升。

四是開展氫能、天然氣與風電的季節(jié)匹配性研究，由于我國天然氣利用與風力發(fā)電同樣存在季節(jié)性供需矛盾突出的特點，且兩者的供需時間呈現互補特性，統(tǒng)籌天然氣和風力發(fā)電，是解決能源連續(xù)穩(wěn)定供應的有效手段之一。

合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土。中國電科院適應能源互聯(lián)網的發(fā)展潮流，對可再生能源與氫能融合開展了前期探索，從技術、經濟、能效等方面對可行性進行了評估，并依托合作單位在張北建立的風電制氫示范工程，對電解槽特性進行了分析和研究，為后續(xù)開展可再生能源與氫能融合的工程實踐提供了理論依據，為構建以安全發(fā)展、高效發(fā)展、清潔發(fā)展為目標的現代能源保障體系提供了決策支撐。

原標題:可再生能源與氫能的融合