可再生能源與氫能融合的潛力如何？
2017年前三季度，我國光伏發(fā)電量857億千瓦時(shí)，棄光電量51億千瓦時(shí)，風(fēng)力發(fā)電2128億千瓦時(shí)，棄風(fēng)電量295.5億千瓦時(shí)。如何破解棄風(fēng)棄光難題依...
2017年前三季度，我國光伏發(fā)電量857億千瓦時(shí)，棄光電量51億千瓦時(shí)，風(fēng)力發(fā)電2128億千瓦時(shí)，棄風(fēng)電量295.5億千瓦時(shí)。如何破解棄風(fēng)棄光難題依然是能源領(lǐng)域科研人員的研究熱點(diǎn)。
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(zhuǎn)換技術(shù)推進(jìn)清潔替代的可行性》項(xiàng)目研究，對可再生能源與氫能在電力系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合進(jìn)行了前瞻性研究，對多能融合的諸多疑問進(jìn)行了解答。
國內(nèi)外有哪些可再生能源與氫能融合的研究實(shí)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(fēng)氫能源示范項(xiàng)目，該系統(tǒng)主要由600千瓦風(fēng)機(jī)、產(chǎn)氫能力為10標(biāo)準(zhǔn)立方米/時(shí)的電解制氫裝置、儲(chǔ)氫容量為2400標(biāo)準(zhǔn)立方米的高壓儲(chǔ)氫罐、55千瓦氫氣內(nèi)燃機(jī)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(chǎn)業(yè)并提出了氫能發(fā)展路線圖及“Power to Gas”發(fā)展戰(zhàn)略。2011年德國E.ON和Greenpeace Energy等能源公司在德國建立6兆瓦的風(fēng)—氫示范項(xiàng)目，在用電需求高峰時(shí)段，優(yōu)先將風(fēng)電全部并入電網(wǎng)，在電力需求低谷時(shí)段，將風(fēng)電轉(zhuǎn)化為氫氣存儲(chǔ)起來，然后再通過天然氣管網(wǎng)摻氫輸送至附近熱電廠進(jìn)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(xiàng)目（E—Gas項(xiàng)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(chǎn)甲烷能力達(dá)到1000噸。
耦合可再生能源與氫能的多能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已成為多個(gè)國家的戰(zhàn)略抉擇與目標(biāo)。作為全球風(fēng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)意義重大。2015年，我國啟動(dòng)了一項(xiàng)由河北建投集團(tuán)與德國McRhy、Encon等公司合作的風(fēng)電制氫工程項(xiàng)目，計(jì)劃在河北省沽源縣建設(shè)200兆瓦風(fēng)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(chǎn)，并為未來氫能源動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行資源儲(chǔ)備，現(xiàn)一期200兆瓦風(fēng)電場已并網(wǎng)發(fā)電。
如何實(shí)現(xiàn)可再生能源與氫能的轉(zhuǎn)換？
實(shí)現(xiàn)可再生能源與氫能轉(zhuǎn)換是將可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的電能用于電解水，產(chǎn)生氫氣與氧氣，這一電—氫能源轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)離不開一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)備——電解槽。根據(jù)電解槽中電解質(zhì)的不同，可以分為堿性、質(zhì)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(jīng)濟(jì)的方式，適用于大規(guī)模與高負(fù)荷制氫的工況，堿性電解槽是一種低溫電解技術(shù)，工作溫度一般范圍為70～90攝氏度，制取的氫氣純度較高；質(zhì)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(yīng)負(fù)載功率波動(dòng)性，但由于其成本較高，使其目前僅在軍工和航天工程上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；固體氧化物電解制氫屬于高溫電解類型，工作溫度高達(dá)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(dòng)和負(fù)載變化上的靈活性較低。
堿性電解制氫由于技術(shù)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(zhì)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(huì)憑借其可靈活適應(yīng)輸入功率波動(dòng)的性能，具備在可再生能源制氫領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的潛力。
可再生能源電解制取的氫氣應(yīng)用場景有哪些？
氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在傳統(tǒng)應(yīng)用方面，用量最大的行業(yè)是石油化工業(yè)，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制過程中的加氫反應(yīng)。此外，氫氣在電子工業(yè)、冶金工業(yè)等領(lǐng)域也有應(yīng)用。除傳統(tǒng)應(yīng)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(jù)氫能終端應(yīng)用途徑的不同，可以將可再生能源與氫能融合系統(tǒng)的應(yīng)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(chǎn)生的氫能經(jīng)壓縮儲(chǔ)存后，在用電高峰時(shí)供給燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，回送電量至電網(wǎng)，若將燃料電池的熱能回收再利用，綜合能效可達(dá)60%以上。
電—氫—混合燃?xì)猓捍藨?yīng)用模式下制取的氫氣經(jīng)過壓縮與高壓輸運(yùn)后按照一定比例與天然氣混摻，可送至燃?xì)廨啓C(jī)電站進(jìn)行發(fā)電或供其他工業(yè)和民用使用。
電—氫—甲烷—燃?xì)猓弘娊猱a(chǎn)生氫氣需再與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)換為甲烷，甲烷經(jīng)過壓縮，運(yùn)輸?shù)饺細(xì)廨啓C(jī)電站進(jìn)行發(fā)電或注入天然氣管網(wǎng)用于各行各業(yè)。
電—氫—移動(dòng)發(fā)電：氫能經(jīng)儲(chǔ)存、輸運(yùn)及加注過程，最后在交通運(yùn)輸領(lǐng)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(zhuǎn)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(yīng)用，同時(shí)又能推動(dòng)氫燃料電池交通工具產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，作為反應(yīng)原料使用，如合成氨、煤氣化、煤化工等產(chǎn)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(gòu)建電—氣—冷—熱多能互補(bǔ)一體化集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)及重要環(huán)節(jié)，為能源消費(fèi)和供需的協(xié)調(diào)配合構(gòu)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(jìn)清潔替代的實(shí)現(xiàn)，為氫能經(jīng)濟(jì)的到來奠定環(huán)保綠色的技術(shù)基礎(chǔ)；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(gòu)建多能源互補(bǔ)集成系統(tǒng)夯實(shí)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，顯著提高社會(huì)、資源、經(jīng)濟(jì)、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(fēng)現(xiàn)象的潛力，以氫氣通過管道輸送為前提條件，對利用的棄風(fēng)電量進(jìn)行估算。我國西氣東輸年累計(jì)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(jì)算依據(jù)，則西氣東輸可輸送氫氣量為29.5億立方米，由于制取1標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣需耗電4.5～5.0千瓦時(shí)，按照最大耗電量計(jì)算用電量，通過管道輸送氫氣具備消納147.5億千瓦時(shí)棄風(fēng)電量的潛力。我國2016年全年棄風(fēng)電量497億千瓦時(shí)，可有效利用29.68%的棄風(fēng)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(fēng)電量浪費(fèi)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(fēng)能、太陽能等波動(dòng)性電源制氫存在的最大挑戰(zhàn)是兩種技術(shù)融合后的經(jīng)濟(jì)性和季節(jié)匹配性，在未來融合技術(shù)的研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下四個(gè)方面：
一是提高系統(tǒng)能源利用率，進(jìn)一步帶動(dòng)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(yīng)進(jìn)一步提高融合技術(shù)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(wǎng)的控制策略研究，在滿足制氫系統(tǒng)并網(wǎng)安全穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)制氫系統(tǒng)與電網(wǎng)的最佳匹配容量運(yùn)行，進(jìn)一步提升系統(tǒng)棄風(fēng)、棄光電量的利用率。
三是打通產(chǎn)氫和用氫產(chǎn)業(yè)鏈，對接燃料電池等新興用氫產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)—儲(chǔ)—輸—用一條龍的氫能經(jīng)濟(jì)，實(shí)用化程度大幅提升。
四是開展氫能、天然氣與風(fēng)電的季節(jié)匹配性研究，由于我國天然氣利用與風(fēng)力發(fā)電同樣存在季節(jié)性供需矛盾突出的特點(diǎn)，且兩者的供需時(shí)間呈現(xiàn)互補(bǔ)特性，統(tǒng)籌天然氣和風(fēng)力發(fā)電，是解決能源連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的有效手段之一。
合抱之木，生于毫末；九層之臺(tái)，起于累土。中國電科院適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)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(shù)、經(jīng)濟(jì)、能效等方面對可行性進(jìn)行了評估，并依托合作單位在張北建立的風(fēng)電制氫示范工程，對電解槽特性進(jìn)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(shí)踐提供了理論依據(jù)，為構(gòu)建以安全發(fā)展、高效發(fā)展、清潔發(fā)展為目標(biāo)的現(xiàn)代能源保障體系提供了決策支撐。
原標(biāo)題:可再生能源與氫能的融合
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