國內外風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)展

近年來(lái)，風(fēng)電在我國得到了迅猛發(fā)展，我國已成為風(fēng)電增長(cháng)最快的國家。根據國家中長(cháng)期發(fā)展規劃，到2020年底和2050年底，風(fēng)電總裝機容量將分別超過(guò)200GW和1000GW。隨著(zhù)風(fēng)電裝機容量的猛增，越來(lái)越多的問(wèn)題正逐漸顯現，如，大規模不可控低品質(zhì)風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全性帶來(lái)的挑戰;大規模風(fēng)電場(chǎng)的聚集給當地電網(wǎng)輸送帶來(lái)的極大壓力，造成大量棄風(fēng)現象;大量并網(wǎng)風(fēng)電給電網(wǎng)調度中心造成越來(lái)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(wèn)題，積極探索能源轉換方式，將風(fēng)能轉化為氫能源加以利用成為當前研究的重點(diǎn)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(guò)風(fēng)力發(fā)電機轉化成電能，電能通過(guò)電解水制氫設備轉化成氫氣，通過(guò)將氫氣輸送至氫氣應用終端，完成從風(fēng)能到氫能的轉化。

根據風(fēng)電來(lái)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)電機組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)場(chǎng)的35kV或220kV電網(wǎng)側取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應用于大規模風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)消納和儲能。離網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將單臺風(fēng)機或多臺風(fēng)機所發(fā)的電能，不經(jīng)過(guò)電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設備進(jìn)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(fēng)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模風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的不均衡性，提高風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電的利用率。

風(fēng)電制氫技術(shù)主要涉及電氫轉換和氫氣輸運兩大關(guān)鍵技術(shù)，整個(gè)技術(shù)模塊包括風(fēng)力發(fā)電機及電網(wǎng)、電解水制氫系統、儲氫系統和氫氣輸運系統。根據風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電的拓撲結構，按照控制需求可以從35kV或220kV電網(wǎng)處取電，經(jīng)過(guò)AC/DC轉化后，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(guò)20MPa氫氣壓縮機充灌到氫氣管束車(chē)，根據用氫需求進(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)展現狀

(一)歐洲

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

在歐盟委員會(huì )歐洲研究和創(chuàng )新第七框架計劃推動(dòng)下，啟動(dòng)一項名為INGRID的氫儲能項目，該項目總計劃投資2390萬(wàn)歐元，其中歐盟資助1380萬(wàn)歐元，由幾家企業(yè)和研究機構組成的財團，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(mén)Enel Distribuzione，比利時(shí)氫發(fā)電機供應商Hydrogenics，法國的固態(tài)氫存儲開(kāi)發(fā)商McPhy Energy，以及意大利研究機構Ricerca sul Sistema和西班牙研究中心Energetico TECNALIA等自籌1010萬(wàn)歐元。該項目的目的是通過(guò)氫儲能系統在提升可再生能源系統的利用效率的同時(shí)，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)的安全性和穩定性。該項目建設地為意大利的普利亞地區，項目總儲存能力為39MWh，由3.5GW的太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物能資源組成的發(fā)電系統，儲氫容量超過(guò)1噸的固態(tài)儲氫系統和一套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(shí)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(jìn)一步提高到50%?；韭肪€(xiàn)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(lái)，然后加入至現有的燃氣管道網(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(chē)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(gè)涉及氫氣儲能和利用的項目。該項目風(fēng)電裝機容量為6MW，電解槽裝機容量約0.6MW。隨后，德國又啟動(dòng)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(shí)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)，具體內容如下：研究?jì)δ芗夹g(shù)(以?xún)浼夹g(shù)為主)，再生能源輸出及系統成本效益分析;掌握風(fēng)/氫系統輸出**容量配比技術(shù)(風(fēng)電、太陽(yáng)能和氫能系統協(xié)調運行策略);不同運行狀態(tài)分析研究(調節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)氫系統的影響;推行系統整合、擴大研究規模和領(lǐng)域?，F階段已完成新能源制氫設備的工業(yè)規模及社區或個(gè)人使用規模設備系統的商業(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)展現狀與問(wèn)題

我國對于發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)也很重視，2014年，李克強總理考察德國氫能混合發(fā)電項目，指示國內相關(guān)部門(mén)組織實(shí)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(wèn)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(kāi)拓適應風(fēng)能資源特點(diǎn)的風(fēng)電消納市場(chǎng)。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》，總結現有示范項目經(jīng)驗基礎上，開(kāi)展一批新的風(fēng)電制氫、風(fēng)電高載能供電示范項目建設。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(dòng)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(diǎn)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 )新驅動(dòng)發(fā)展戰略綱要》，其中明確提出：“開(kāi)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(wú)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，大規模風(fēng)電制氫儲能的示范工程設計經(jīng)驗不足，在系統的關(guān)鍵性技術(shù)、效率提升和經(jīng)濟性方面未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。面臨的問(wèn)題主要有：

(一)關(guān)鍵技術(shù)難題

從技術(shù)角度來(lái)看，風(fēng)電的隨機性、不穩定性、波動(dòng)性較大，而水電解制氫設備對電能質(zhì)量的穩定性要求較高，頻繁的電力波動(dòng)會(huì )對設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(jìn)一步深入研究。

(二)推廣應用難題

風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展有待于氫氣下游用戶(hù)使用問(wèn)題的解決，當前氫氣的大規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(chǎng)用戶(hù)多，但用量較小，行業(yè)發(fā)展潛力不大。近年來(lái)燃料電池汽車(chē)行業(yè)技術(shù)發(fā)展頗受關(guān)注，燃料電池汽車(chē)行業(yè)的規?；l(fā)展將會(huì )帶動(dòng)氫能規?；?。

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(fēng)電制氫和氫能利用規?；l(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的輸氣管道中，則我國西北部地區的風(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)標準和政策，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(dòng)氫能的清潔利用，進(jìn)而推動(dòng)風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展。提高油品品質(zhì)，提高汽柴油標號標準，進(jìn)而推動(dòng)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(kāi)發(fā)

電解制氫技術(shù)要想在間歇性電源的儲能環(huán)節中獲得廣泛應用，首先必須滿(mǎn)足對間歇性電源功率波動(dòng)的適應性，因此需要深入研究電解制氫裝備的功率波動(dòng)適應性，開(kāi)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(shí)，開(kāi)發(fā)可快速響應功率波動(dòng)的固體聚合物電解水制氫技術(shù)(SPE)。

(三)開(kāi)展氫儲能系統的研發(fā)

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

(四)注重大規模風(fēng)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(huì )和環(huán)境都會(huì )產(chǎn)生影響的技術(shù)，應該對其綜合效益進(jìn)行研究和評價(jià)，包括社會(huì )效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟效益等。因此，需要在經(jīng)濟性分析的基礎上，建立一套多能源轉換利用的綜合效益評價(jià)指標體系和方法，為決策提供支撐。

(五)解決風(fēng)電與電網(wǎng)輸配電的政策問(wèn)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(lèi)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(fēng)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(guò)網(wǎng)費后，風(fēng)電場(chǎng)可直接向制氫站供電，統籌調度風(fēng)電與太陽(yáng)能等新能源發(fā)電資源，確保水電解制氫供電的穩定性。

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