風氫耦合發電

風氫耦合發電己成為一些已開發國家解決風電上網“瓶頸”問題的重要手段。通過控制系統調節風電上網與制氫電量比例，最大限度地吸納風電棄風電量，緩解規模化風電上網“瓶頸”問題，利用棄風電量電解水制氫和副氧，通過壓力儲氫提高氫的存儲密度。氫作為多用途、高密度的清潔能源，反饋給電網以提高風電上網電能品質，又可作為能源載體通過車載或管道方式進入工業和商業領域，如氫進入燃氣管道、冶金、化工等行業。與此同時，風氫耦合系統也將極大地推動純綠色能源汽車一氫燃料電池汽車產業的快速發展。

基本介紹

• 中文名：風氫耦合發電
• 外文名：Wind hydrogen coupling generates electricity
• 類型：發電技術
• 作用：解決風電上網“瓶頸”問題
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

隨著人類社會的快速發展，可再生能源高效、清潔發電技術得到了世界各國的高度重視。風電作為可再生能源的主要利用形式，其快速、規模化發展使得電網消納風電的困難凸顯。為使風力發電得到更為廣泛的發展，函待解決兩大難題:①由於風資源的隨機性、間歇性及無規律性，導致風電電能品質差，且高滲透率對電網衝擊較大，很多情況下被迫棄風;②風電電能存儲較難，傳統的電化學儲能、電磁儲能及物理儲能技術無法滿足能量大量存儲和未來純綠色能源發展需求，且運行成本較高。

能量合理存儲是解決風電上網難的方案之一曰。抽水蓄能和壓縮空氣儲能是相對成熟的技術方案，但該方案的實施依賴於特定的條件，如大量的水源，合理的地勢，一定的化石燃料等;電化學蓄電池是另一途徑，但在短期內，無論是鉛酸電池、鎳氫電池、銼離子電池，還是全釩氧化還原液流電池都將受成本和技術成熟度的限制;其他的儲能方式，如飛輪儲能等都因為效率太低、容量太小，難以適應規模化套用的挑戰。

氫作為一種清潔能源，具有能量密度高、容量大、壽命長、便於儲存和傳輸等特點，因而成為風電模化綜合開發利用、儲存的優選方案之一。風電通過電解水制氫儲能，不僅可以將氫作為清潔和高能的燃料融入現有的燃氣供應網路，實現電力到燃氣的互補轉化，又可以直接高效利用，尤其是在燃料電池等高效清潔技術快速發展的背景下。風電制氫，提供燃料電池汽車清潔的氫燃料，將形成真正意義上的綠色能源汽車。

本文綜述的風氫耦合發電不僅可以提供高品質的電力輸出，還能提供清潔、易儲存、易傳輸的氫作為二次能源，進一步進行綜合利用。

風氫耦合發電的基本結構

美國國家再生能源實驗室(nationalrenewable energy laboratory，NREI,)的Wind2H2計畫提出的風氫耦合系統結構，代表了典型風氫耦合發電系統的基本結構。 圖1中包括清潔的風電、電解水制氫裝置、壓力儲氫設備、燃料電池(fuel cell, FC)或氫燃料內燃機發電(H2 internal combustion engines,HzICE)和氫輸送與套用等。通過控制系統調節風電上網與制氫電量比例，最大限度地吸納風電棄風電量，緩解規模化風電上網“瓶頸”問題，利用棄風電量電解水制氫和副氧，通過壓力儲氫提高氫的存儲密度。氫作為多用途、高密度的清潔能源，既可通過FC或Hz ICE反饋給電網以提高風電上網電能品質，又可作為能源載體通過車載或管道方式進入工業和商業領域，如氫進入燃氣管道、冶金、化工等行業。與此同時，風氫耦合系統也將極大地推動純綠色能源汽車一氫燃料電池汽車產業的快速發展。

風氫耦合發電的特點

1)電解槽分類和特點

水電解制氫電解槽是利用直流電極將水電解成氫和氧的一種設備，三類典型電解槽如圖2所示。

圖2

傳統電解槽是在穩定電能條件下，定氫生產率運行的，而風氫耦合發電系統中的風電具有間歇性、隨機性等特點，因而電解槽應具有不穩定電能條件下安全、可靠和高效制氫的能力。目前世界上的風電制氫系統普遍採用的是鹼式和質子交換膜(proton exchange membrane,PME)式電解槽，因為這兩種電解槽可在間歇波動性功率、大壓力、高電流密度、低電壓下穩定運行。

2)儲氫方案和特點

氫作為一種能源載體，可替代傳統的儲能，是一種較具前途的新型儲能方式。氫的存儲方式有壓縮氣態、低溫液態(如金屬氫化物、碳材料等)和固態(如甲醇、氨等)。其中，壓縮氣體儲氫是氫規模化存儲的首選方式。

壓縮氣態儲氫方式下的能量損失相對較少，且具有較高的轉換效率;活性炭在低溫條件下也具有較高的效率。由於風氫耦合發電系統中風電制氫的時間較長，因而具有較低能量損失、較高效率的壓縮氣態儲氫較適用於風氫耦合發電系統。儲氫系統在啟動時存在時滯，如果其時滯超過燃料電池的啟動時間，將增加電池儲能的容量，減小氫存儲系統的動態回響時間，對整個系統的經濟運行具2國內外研究概況與進展

國外研究現狀

目前國際上己有美國、德國、加拿大、西班牙、英國、挪威、希臘等許多國家支持並計畫利用可再生能源(主要是風電)結合燃料電池離或併網發電研究與示範口Wind2H2計畫是由美國能源部NREI,與Xcel能源公司於2004年合作的計畫，此計畫旨在協助科研人員掌握可再生能源與電解制氫之間的關鍵技術，其具體內容如下:研究氫儲能技術，可再生能源功率控制及成本效益分析;掌握風/氫系統容量最佳化配置方案;研究再生能源上網和電解水所需電量的比例，並進行技術經濟分析;研究電解技術(PEM電解槽和鹼性電解槽)對風氫系統的影響;推進系統整合、規模化和產業化。世界其他各國示範工程皆與Wind2H2計畫類似，可歸納為以下幾個共同研究方向:根據負荷需求，確定風電是直接併網還是用於制氫;制/儲氫裝置的穩定直流電源控制，即AC' / DC'變流器控制;制氫與燃料電池的容量配置問題;燃料電池啟停機控制;協調控制再生能源和燃料電池的輸出比例，保證系統穩定高品質的電力輸出。歐洲委員會在1998至2002年間結合各領域的發展與研究，提出了第五框架計畫，此計畫擁有兩個主要實驗基地(希臘和西班牙)，其目標為:整合再生能源、制氫/儲氫和燃料電池技術，發展純淨的規模化制氫及儲氫技術，提高再生能源對電網的滲透率及利用效率，解決再生能源供給波動性問題等.忍習。本世紀初，風電制氫概念和系統設計開始得到世界範圍的重視，相關研究也相繼展開。2000年至2012年間世界各國主要的風/氫示範工程及關鍵技術見附錄A表A1。早期風氫系統示範工程僅關注風電、制氫(電解槽)、儲氫及FC'直接簡單功率控制}zl za7。近十年來，風氫系統示範工程發展較快，涉及變功率制氫技術、子系統間協調控制、容量配置、技術經濟分析等}3d o0}年以來，隨著科技的發展和工程示範經驗的積累，風氫系統關鍵技術取得明顯突破，系統線上動態最佳化控制、風氫熱電聯產以及併網風氫系統與電網相互作用機理探究等，將成為今後風氫系統工程示範所而臨的挑戰。

國外專家提出了氫協同可再生能源(特別是風能)發電的綠色能源系統這一概念。氫作為新型的儲能方式，與風電結合將改善規模化風電對電網的影響比忍，電解槽作為可控負荷與電網協調控制解決規模化風電接入電網“瓶頸”問題，高效利用風電大發時段棄風電量，提高風電上網電能品質.門。在偏遠地區(孤島系統〕或弱電網系統陽〕)，常規能源難以保證供電質量，且投資較高，而氫作為多用途能源載體，具有熱電氫聯產、氫一加氫站一純綠色能源汽車一體化建設等顯著的優點，可有效解決上述問題[與此同時，利用儲氫緩解風電過剩與電網結構脆弱的矛盾問題，風電制氫增援電網方式比調整電網功率不平衡量更加經濟可行。

併網風氫耦合發電系統分兩種運行方式:①風電棄風量最小化(存儲由於電網約束而無法上網的多餘風電電量);②波動的風電出力匹配變化的負荷需求(控制策略的目標是實現輸入和輸出功率最小化，需要規模化儲氫系統在低風或無風時段保證負荷需求)，較適合於孤島運行系統。

風氫耦合發電系統能量轉換效率較低(當前技術水平下，電一氫一電轉換效率<4000)，但能量管理在技術上是可行的。同時研究了依賴電力價格波動的氫最低定價問題，氫的價格由高風電滲透情況下電解槽的年運行小時數決定，風氫耦合發電系統能量管理與技術經濟分析，通過不同運行方式進行分析，得出有效的風氫系統轉換函式網。

在進行上述理論研究與工程實踐的過程中，世界範圍內逐漸開發了以氫作為儲能的風氫耦合系統評估與仿真軟體工具包，主要包括以下幾種:TRNSYS是由美國Wisconsin-Madison大學Solar Energy實驗室開發的基於圖形化環境下靈活模擬系統動態行為的軟體平台，仿真重點是評估電能和熱能系統性能，其標準資料庫中的模型約為150種，其中包含風電制氫系統和燃料電池系統模擬計算階〕;HOMER是由美國NREI二發展起來的一個小型的電力系統最佳化模型軟體，可套用於離網和併網的電力系統評估設計任務中，主要側重於系統最佳化和敏感性分析，可進行風電制氫與燃料電池系統的經濟性評估及敏感性分析等 ; URHYS是西班牙開發的再生能源併網混合系統最佳化評估軟體，其中包括風電、制氫、儲氫、燃料電池等模組，可進行風氫耦合系統的技術經濟評價和能源最佳化評估等。

國內研究現狀

目前，國內部分科研院所及高校進行了初步試驗和經濟性分析口7門，但國內尚無商業化運行的風電制氫儲能和燃料電池發電系統，也沒有規模化風電制氫儲能的示範工程設計經驗，國內研究機構和企業還未擁有適用於規模化工業生產的風電制儲氫和燃料電池發電系統相關技術。

2014年度國家高技術研究發展計畫(863計畫)、國家科技支撐計畫能源領域備選項目徵集指南中，風力發電方向下設風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示範研究項目，項目內容為:開發間歇性風電直接制氫關鍵技術，研究風電、制氫、儲氫及燃料電池匹配、控制和系統集成技術，開展系統套用示範，並進行技術經濟性分析研究。

中國風氫耦合發電關鍵技術研究正處於起步階段，在國家的高度重視和大力支持下，必將快速推進技術攻關及工程化套用。

間歇性電能制氫技術

理想情況下，電解槽功率波動耐受度為100%額定工作功率，而現存的商業鹼性電解槽功率最小運行功率限制在25~50%額定工作功率。當功率小於最小運行功率限制時，電解槽被迫停機，重新啟動鹼性電解槽需要30~ 60 min，風電制氫的效率也將由此大幅降低。隨著技術的進步，鹼性電解槽功率最小運行限制在50~100%額定功率，調節速度達200 ms，較適合於規模化高滲透風電制氫系統(兆瓦級)。PEM電解槽具有簡單性、快速啟動性及寬泛的運行範圍(50~100%額定功率)，但受容量(50~250 kW)和成本的約束，更適合於小規模的風氫耦合發電系統的運行要求。

因此，研究風電功率波動對制氫質量、效率以及電解槽壽命的影響，探索電源電壓及功率大幅波動下，安全、穩定、高效的制氫技術是風氫耦合系統工程推廣套用的關鍵技術之一。

大容量高密度氫儲供技術

氫氣是世界上最輕的物質，其高密度儲存是一個世界性難題。目前氫儲存方法主要有以下幾種:壓縮儲氫是目前廣泛使用的儲存方式，經濟性較好，對環境污染較小;液化儲氫具有很高的能量密度，效率可達%%，但成本較高，主要用於航空航天領域;金屬氫化物儲氫體積密度可高達100 kg/m以上，是所有儲氫方式中最高的，但質量比較大，成本也高於壓縮儲存方式;碳質吸附儲氫還處於初期發展階段。

目前適應風氫耦合系統的大容量高密度儲氫技術主要包括壓縮、儲存與供氫一體化設計與集成技術，大容積輕質複合高壓儲氫瓶開發技術，集安防與遠程控制一體化的壓縮機開發技術，在有效提升儲氫密度的同時，降低儲氫瓶生產成本;隨著金屬氧化物儲氫技術的成熟與成本的降低，將逐漸套用於風氫耦合發電系統。

水一氧自循環高效利用技術

研究電解制氫產生的副氧與空氣的合理配比，在提高燃料電池電化學性能的同時，不影響傳質過程和水的排出，同時合理設計冷凝系統，對燃料電池的水產物進行回收並補給電解制氫，以減少對外部水資源的依賴，具體結構如圖4所示。

風氫耦合發電系統中水一氧自循環技術的套用，不僅提高了整個系統的供電質量，而且在風電停運時，保證了電解槽最小技術穩定運行、高效循環利用燃料電池產生的水和電解槽產生的副氧，對風氫耦合發電系統的工程化套用具有積極的推進作用。

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風氫耦合發電在中國的發展前景

目前，中國尚未提出明確的風氫耦合發電形式但風氫耦合發電的特點適應於中國電力發展的需求與方向，在中國有著廣闊的發展前景，具體體現在以下方而。

1)規模化風電的有效利用形式

2000年以來全球風電迅猛發展，截比到2012年底，全球風電累計裝機容量己達283.2 UW，而中國也己達到78.3 UW，中國己成為全球風電增長最J決的國家};3 ;}3}。根據國家的中長期發展規劃，到2020年底和2050年底，風電總裝機容量將分別超過200 UW和1 000 UW，其中大部分集中在“三北”和東部沿海地區卿〕。規模化風電集中併網，導致電網無法接納過多的風電，會出現大量棄風現象。

氫作為規模化儲能，與風電綜合開發利用，可有效解決風電棄風問題，提供高品質的上網電能，同時產生的氫作為二次能源，將進一步進入化工、冶金、航空及新能源汽車領域。

2)具有可觀的社會、環境和經濟效益

由於風力發電具有強烈不穩定性，每年中國現有風力發電容量的約2800 (6 UW)無法被有效利用，直接經濟損失數以億計，世界上95%以上的氫氣生產高度依賴化石能源，僅中國每年就消耗煤炭近3 000萬t用於制氫，由此直接產生的碳排放量達上億噸，造成嚴重的環境污染。

“三北”風資源豐富地區，風電大量棄風現象突顯，冬季供熱期尤為嚴重。據統計，蒙東風電場一年的棄風量就高達3 GW相當於7. 5萬t制氫電耗。如果這部分風能被充分利用，就地消耗電解水制氫，將其廣泛套用於電力、冶金、化工、國防、氫燃料電池汽車等領域，可挽回經濟損失近14億元，節約標煤約100萬t,減少CO2排放量約260萬.由此可見，風氫耦合發電具有巨大的社會、經濟及環境效益。

展望

1)間歇性電能制氫技術方而，常規鹼式電解槽回響速度慢、允許功率波動範圍窄，若能從技術上解決上述問題，將在風氫耦合工程中有廣泛套用前景。

2)大容量高密度儲氫技術方而，目前套用較廣泛的儲氫方式是壓縮存儲，但隨著技術的進步和成本的降低，液化儲氫、金屬氧化物儲氫、碳質吸附儲氫等方式，將逐漸套用於風氫耦合發電系統中。

3)智慧型控制與最佳化運行方而，實現離、併網情況下風電、電解槽、儲氫、燃料電池以及電網需求之間的智慧型協調最佳化控制，可對改善風電的電能品質、提高電力系統風電消納能力起到一定的促進作用，同時也為未來風電健康、有序的發展奠定了良好的基石出。

4)風電制氫與電網作用機理方而，通過分析制氫裝置的運行特性，提出改善風場暫態電壓新措施，設計合理附加阻尼控制策略，將有效增強含風氫耦合場的電力系統機電阻尼，風電藕合氫儲能分散式接入微網，實現多種電源形式的智慧型微電網協調控制與最佳化運行。

通過上述分析可知，風電制氫儲能是解決風電上網“瓶頸”問題的有效形式，風氫耦合發電技術己引起國內外學者和專家的廣泛關注。雖然將其推向實用化還有許多問題尚待解決，但毫無疑問，風氫耦合發電技術在國內的發展潛力是十分巨大的。