國內(nèi)外風電制氫技術(shù)進展

近年來，風電在我國得到了迅猛發(fā)展，我國已成為風電增長最快的國家。根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年底和2050年底，風電總裝機容量將分別超過200GW和1000GW。隨著風電裝機容量的猛增，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)風電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全性帶來的挑戰(zhàn);大規(guī)模風電場的聚集給當?shù)仉娋W(wǎng)輸送帶來的極大壓力，造成大量棄風現(xiàn)象;大量并網(wǎng)風電給電網(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，將風能轉(zhuǎn)化為氫能源加以利用成為當前研究的重點方向。

一、關(guān)于風電制氫技術(shù)

風電制氫技術(shù)是將風能通過風力發(fā)電機轉(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用終端，完成從風能到氫能的轉(zhuǎn)化。

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

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

風電制氫技術(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)模塊包括風力發(fā)電機及電網(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)風場風電的拓撲結(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氫氣壓縮機充灌到氫氣管束車，根據(jù)用氫需求進行派送，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行輸送。

二、國際發(fā)展現(xiàn)狀

(一)歐洲

針對風電的不穩(wěn)定性及存在的棄風限電等問題，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)和研究機構(gòu)組成的財團，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)電機供應商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入量的擴大，德國打算2022年之前全面廢除核電，擴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到了22%，2020年計劃將其提高到35%，2030年進一步提高到50%。基本路線是最終使用多余的風能等可再生能源，電解水生成氫，將制得的氫氣儲存起來，然后加入至現(xiàn)有的燃氣管道網(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。該項目風電裝機容量為6MW，電解槽裝機容量約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/氫系統(tǒng)輸出**容量配比技術(shù)(風電、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，并進行技術(shù)經(jīng)濟分析);電解技術(shù)分析(質(zhì)子交換膜電解槽和堿性電解槽)對風氫系統(tǒng)的影響;推行系統(tǒng)整合、擴大研究規(guī)模和領(lǐng)域?，F(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，并且可直接利用風能進行儲能，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)展風電制氫技術(shù)也很重視，2014年，李克強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、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風能資源特點的風電消納市場。為提高本地電網(wǎng)消納風電的能力，促進風電的就地利用，河北、吉林省要加快推進風電制氫的示范工作，進一步積累經(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，開展一批新的風電制氫、風電高載能供電示范項目建設(shè)。河北、吉林省要加快推進風電制氫的示范工作。

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，我國風電制氫技術(shù)研發(fā)起步較晚，進展較為緩慢。目前尚無成熟商業(yè)運行的風電制氫儲能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)模風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)濟性方面未能取得實質(zhì)性的進展。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，風電的隨機性、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)需進一步深入研究。

(二)推廣應用難題

風電制氫技術(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氣管道中加以利用，也是風電制氫和氫能利用規(guī)?；l(fā)展的有效途徑。如果將風電制取的氫氣注入到西氣東輸?shù)妮敋夤艿乐?，則我國西北部地區(qū)的風電棄風難題可有效解決。

四、促進我國風電制氫技術(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)標準和政策，探索將氫氣注入到天然氣管道中加以利用;促進燃料電池技術(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，進而推動風電制氫技術(shù)的發(fā)展。提高油品品質(zhì)，提高汽柴油標號標準，進而推動油品加氫技術(shù)的發(fā)展，擴大氫能的利用途徑。

(二)加強電解制氫技術(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)中獲得廣泛應用，首先必須滿足對間歇性電源功率波動的適應性，因此需要深入研究電解制氫裝備的功率波動適應性，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/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)模風電制氫運行模式以及經(jīng)濟性

一種技術(shù)的推廣應用，其經(jīng)濟性固然重要，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)，應該對其綜合效益進行研究和評價，包括社會效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟效益等。因此，需要在經(jīng)濟性分析的基礎(chǔ)上，建立一套多能源轉(zhuǎn)換利用的綜合效益評價指標體系和方法，為決策提供支撐。

(五)解決風電與電網(wǎng)輸配電的政策問題

參考國家能源局制定的風電供熱政策，制定風電制氫相關(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)，用電負荷的增加有利于電能的消納，電網(wǎng)應增加風電的發(fā)電上網(wǎng)指標，吸收利用更多清潔電能。出臺直供電售電政策，電網(wǎng)公司收取相應過網(wǎng)費后，風電場可直接向制氫站供電，統(tǒng)籌調(diào)度風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。

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