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碳中和|國內(nèi)外風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)展

   2021-06-30 能源情報
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核心提示:本文對風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,以及國內(nèi)外風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)及其政策進(jìn)行了深入探討;針對我國發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)存在的問題及面

本文對風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,以及國內(nèi)外風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)及其政策進(jìn)行了深入探討;針對我國發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)存在的問題及面臨的挑戰(zhàn),提出了進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)方向和政策措施。

近年來,風(fēng)電在我國得到了迅猛發(fā)展,我國已成為風(fēng)電增長最快的國家。根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃,到2020年底和2050年底,風(fēng)電總裝機(jī)容量將分別超過200GW和1000GW。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的猛增,越來越多的問題正逐漸顯現(xiàn),如,大規(guī)模不可控低品質(zhì)風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全性帶來的挑戰(zhàn);大規(guī)模風(fēng)電場的聚集給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸送帶來的極大壓力,造成大量棄風(fēng)現(xiàn)象;大量并網(wǎng)風(fēng)電給電網(wǎng)調(diào)度中心造成越來越大的困難,而且造成電網(wǎng)平衡成本逐漸增大。為解決這些問題,積極探索能源轉(zhuǎn)換方式,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫能源加以利用成為當(dāng)前研究的重點方向。

一、關(guān)于風(fēng)電制氫技術(shù)

風(fēng)電制氫技術(shù)是將風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能,電能通過電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)化成氫氣,通過將氫氣輸送至氫氣應(yīng)用終端,完成從風(fēng)能到氫能的轉(zhuǎn)化。

根據(jù)風(fēng)電來源的不同,可以將風(fēng)電制氫技術(shù)分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫兩種。并網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng),從電網(wǎng)取電的制氫方式,比如從風(fēng)場的35kV或220kV電網(wǎng)側(cè)取電,進(jìn)行電解水制氫,主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場的棄風(fēng)消納和儲能。離網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將單臺風(fēng)機(jī)或多臺風(fēng)機(jī)所發(fā)的電能,不經(jīng)過電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫,主要應(yīng)用于分布式制氫或局部應(yīng)用于燃料電池發(fā)電供能。

風(fēng)電制氫技術(shù)作為一種新型的儲能方式,更多地將被應(yīng)用于平抑大規(guī)模風(fēng)電場發(fā)電的不均衡性,提高風(fēng)場風(fēng)電的利用率。

風(fēng)電制氫技術(shù)主要涉及電氫轉(zhuǎn)換和氫氣輸運兩大關(guān)鍵技術(shù),整個技術(shù)模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)、電解水制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和氫氣輸運系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)場風(fēng)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),按照控制需求可以從35kV或220kV電網(wǎng)處取電,經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)化后,進(jìn)行電解水制氫,所制的氫氣先儲存在中壓儲氫罐中,然后,通過20MPa氫氣壓縮機(jī)充灌到氫氣管束車,根據(jù)用氫需求進(jìn)行派送,或者可以將中壓氫氣以不高于體積比10%的濃度摻入到天然氣管道中進(jìn)行輸送。

二、國際發(fā)展現(xiàn)狀

(一)歐洲

針對風(fēng)電的不穩(wěn)定性及存在的棄風(fēng)限電等問題,歐洲國家(如丹麥、德國、西班牙等國)的專家們早在五、六年前就開始了相關(guān)的研究,重點關(guān)注風(fēng)電結(jié)合氫儲能系統(tǒng)的技術(shù)和成本可行性分析,隨后啟動了一些示范項目。

在歐盟委員會歐洲研究和創(chuàng)新第七框架計劃推動下,啟動一項名為INGRID的氫儲能項目,該項目總計劃投資2390萬歐元,其中歐盟資助1380萬歐元,由幾家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)組成的財團(tuán),包括意大利的ICT技術(shù)公司、Engineering Ingegneria Informatica、Agenzia per la tecnologia e l'Innovazione (ARTI),意大利公用事業(yè)部門Enel Distribuzione,比利時氫發(fā)電機(jī)供應(yīng)商Hydrogenics,法國的固態(tài)氫存儲開發(fā)商McPhy Energy,以及意大利研究機(jī)構(gòu)Ricerca sul Sistema和西班牙研究中心Energetico TECNALIA等自籌1010萬歐元。該項目的目的是通過氫儲能系統(tǒng)在提升可再生能源系統(tǒng)的利用效率的同時,優(yōu)化間歇性再生能源電力的發(fā)電品質(zhì),以保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。該項目建設(shè)地為意大利的普利亞地區(qū),項目總儲存能力為39MWh,由3.5GW的太陽能、風(fēng)能和生物能資源組成的發(fā)電系統(tǒng),儲氫容量超過1噸的固態(tài)儲氫系統(tǒng)和一套1.2MW的氫發(fā)電機(jī)組成。

德國制定了宏偉的“Power to gas”發(fā)展計劃,并逐步實施。Power to gas項目的背景源于德國可再生能源導(dǎo)入量的擴(kuò)大,德國打算2022年之前全面廢除核電,擴(kuò)大可再生能源的比例。2012年,可再生能源在德國總發(fā)電量中所占的比例達(dá)到了22%,2020年計劃將其提高到35%,2030年進(jìn)一步提高到50%。基本路線是最終使用多余的風(fēng)能等可再生能源,電解水生成氫,將制得的氫氣儲存起來,然后加入至現(xiàn)有的燃?xì)夤艿谰W(wǎng)絡(luò)。氫氣作為一種能源載體或原料,用于混氫天然氣燃料,或者作為化工原料以及作為氫燃料電池汽車的燃料。

2011年10月,建造于德國柏林普倫茨勞的“風(fēng)氫混合電站”正式建成啟用,它是全球第一個涉及氫氣儲能和利用的項目。該項目風(fēng)電裝機(jī)容量為6MW,電解槽裝機(jī)容量約0.6MW。隨后,德國又啟動了兩項氫氣儲能和利用項目,分別位于德國北部的梅克倫堡-前波美拉尼亞和東北部勃蘭登堡的法爾肯哈根。

(二)美國

美國制定了Wind2H2計劃,該計劃是由美國能源部國家可再生能源實驗中心(NREL)與Xcel能源公司于2004年合作的計劃,并交由NREL的國家風(fēng)能技術(shù)中心主持。此計劃目的是為協(xié)助研究人員掌握可再生能源與電解水制氫之間關(guān)鍵技術(shù),具體內(nèi)容如下:研究儲能技術(shù)(以儲氫技術(shù)為主),再生能源輸出及系統(tǒng)成本效益分析;掌握風(fēng)/氫系統(tǒng)輸出最佳容量配比技術(shù)(風(fēng)電、太陽能和氫能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行策略);不同運行狀態(tài)分析研究(調(diào)節(jié)再生能源輸出直接上網(wǎng)和電解水所需電量的比例,并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析);電解技術(shù)分析(質(zhì)子交換膜電解槽和堿性電解槽)對風(fēng)氫系統(tǒng)的影響;推行系統(tǒng)整合、擴(kuò)大研究規(guī)模和領(lǐng)域。現(xiàn)階段已完成新能源制氫設(shè)備的工業(yè)規(guī)模及社區(qū)或個人使用規(guī)模設(shè)備系統(tǒng)的商業(yè)化,并且可直接利用風(fēng)能進(jìn)行儲能,目的使其在技術(shù)和成本上具有優(yōu)勢。

三、我國的發(fā)展現(xiàn)狀與問題

我國對于發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)也很重視,2014年,李克強(qiáng)總理考察德國氫能混合發(fā)電項目,指示國內(nèi)相關(guān)部門組織實施氫能利用示范項目。國家能源局指示河北、吉林省加快可再生能源制氫示范工作,將氫儲能作為解決棄風(fēng)、棄光問題的新思路。

2015年3月,國家電網(wǎng)發(fā)布《關(guān)于做好2015年度風(fēng)電并網(wǎng)消納有關(guān)工作的通知》,其中,第五項提出要積極開拓適應(yīng)風(fēng)能資源特點的風(fēng)電消納市場。為提高本地電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力,促進(jìn)風(fēng)電的就地利用,河北、吉林省要加快推進(jìn)風(fēng)電制氫的示范工作,進(jìn)一步積累經(jīng)驗。

2016年3月,能源部發(fā)布《關(guān)于做好2016年度風(fēng)電并網(wǎng)消納有關(guān)工作的通知》,總結(jié)現(xiàn)有示范項目經(jīng)驗基礎(chǔ)上,開展一批新的風(fēng)電制氫、風(fēng)電高載能供電示范項目建設(shè)。河北、吉林省要加快推進(jìn)風(fēng)電制氫的示范工作。

2016年4月,國家發(fā)改委、國家能源局下發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》,也將“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”作為15項重點任務(wù)之一。5月19日,中共中央、國務(wù)院聯(lián)合印發(fā)了《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》,其中明確提出:“開發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術(shù)”。

但總體上講,我國風(fēng)電制氫技術(shù)研發(fā)起步較晚,進(jìn)展較為緩慢。目前尚無成熟商業(yè)運行的風(fēng)電制氫儲能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng),大規(guī)模風(fēng)電制氫儲能的示范工程設(shè)計經(jīng)驗不足,在系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)、效率提升和經(jīng)濟(jì)性方面未能取得實質(zhì)性的進(jìn)展。面臨的問題主要有:

(一)關(guān)鍵技術(shù)難題

從技術(shù)角度來看,風(fēng)電的隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、波動性較大,而水電解制氫設(shè)備對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高,頻繁的電力波動會對設(shè)備的運行壽命及氫氣的純度質(zhì)量造成影響。如何進(jìn)行有效的電能匹配,提高制氫設(shè)備的可利用率需要研究探討。此外,當(dāng)前氫氣的儲存和運輸成本較高,包括氫氣儲運的安全性等都是制約氫能行業(yè)發(fā)展的瓶頸,儲運技術(shù)需進(jìn)一步深入研究。

(二)推廣應(yīng)用難題

風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展有待于氫氣下游用戶使用問題的解決,當(dāng)前氫氣的大規(guī)模使用途徑還較為單一,受限于運輸和儲存成本,用量較大石化企業(yè)、合成氨企業(yè)多為自行制備,或采用天然氣重整、甲醇裂解或煤制氫等方式制取。高純氫市場用戶多,但用量較小,行業(yè)發(fā)展?jié)摿Σ淮?。近年來燃料電池汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展頗受關(guān)注,燃料電池汽車行業(yè)的規(guī)?;l(fā)展將會帶動氫能規(guī)?;?。

參照德國power to gas計劃,將氫氣按一定比例加注到天燃?xì)夤艿乐屑右岳?,也是風(fēng)電制氫和氫能利用規(guī)模化發(fā)展的有效途徑。如果將風(fēng)電制取的氫氣注入到西氣東輸?shù)妮敋夤艿乐校瑒t我國西北部地區(qū)的風(fēng)電棄風(fēng)難題可有效解決。

四、促進(jìn)我國風(fēng)電制氫技術(shù)發(fā)展的對策建議

(一)關(guān)注解決氫能利用途徑

制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策,探索將氫氣注入到天然氣管道中加以利用;促進(jìn)燃料電池技術(shù)行業(yè)的發(fā)展,燃料電池技術(shù)發(fā)展將帶動氫能的清潔利用,進(jìn)而推動風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展。提高油品品質(zhì),提高汽柴油標(biāo)號標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)而推動油品加氫技術(shù)的發(fā)展,擴(kuò)大氫能的利用途徑。

(二)加強(qiáng)電解制氫技術(shù)的開發(fā)

電解制氫技術(shù)要想在間歇性電源的儲能環(huán)節(jié)中獲得廣泛應(yīng)用,首先必須滿足對間歇性電源功率波動的適應(yīng)性,因此需要深入研究電解制氫裝備的功率波動適應(yīng)性,開發(fā)大功率、低成本和高效率工業(yè)化堿性電解水制氫技術(shù)。同時,開發(fā)可快速響應(yīng)功率波動的固體聚合物電解水制氫技術(shù)(SPE)。

(三)開展氫儲能系統(tǒng)的研發(fā)

由于氫氣易于儲存,因此有利于提高波動性大的風(fēng)/光發(fā)電品質(zhì),并能夠參與電網(wǎng)調(diào)峰網(wǎng),可以提高電網(wǎng)安全性和運行效率。因此,如何設(shè)計高壓儲氫系統(tǒng),使之與電網(wǎng)調(diào)峰和運行模式相匹配,是該技術(shù)能夠走向市場的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(四)注重大規(guī)模風(fēng)電制氫運行模式以及經(jīng)濟(jì)性

一種技術(shù)的推廣應(yīng)用,其經(jīng)濟(jì)性固然重要,但對于影響面較大的技術(shù)而言,單純考慮經(jīng)濟(jì)性是不夠的,特別是對社會和環(huán)境都會產(chǎn)生影響的技術(shù),應(yīng)該對其綜合效益進(jìn)行研究和評價,包括社會效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益等。因此,需要在經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ)上,建立一套多能源轉(zhuǎn)換利用的綜合效益評價指標(biāo)體系和方法,為決策提供支撐。

(五)解決風(fēng)電與電網(wǎng)輸配電的政策問題

參考國家能源局制定的風(fēng)電供熱政策,制定風(fēng)電制氫相關(guān)政策。水電解制氫站是類似于電解鋁等的高耗能產(chǎn)業(yè),用電負(fù)荷的增加有利于電能的消納,電網(wǎng)應(yīng)增加風(fēng)電的發(fā)電上網(wǎng)指標(biāo),吸收利用更多清潔電能。出臺直供電售電政策,電網(wǎng)公司收取相應(yīng)過網(wǎng)費后,風(fēng)電場可直接向制氫站供電,統(tǒng)籌調(diào)度風(fēng)電與太陽能等新能源發(fā)電資源,確保水電解制氫供電的穩(wěn)定性。

文/張麗 陳碩翼,科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心,《科技中國》



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