[科普中国]-风氢耦合发电

简介

随着人类社会的快速发展，可再生能源高效、清洁发电技术得到了世界各国的高度重视。风电作为可再生能源的主要利用形式，其快速、规模化发展使得电网消纳风电的困难凸显。为使风力发电得到更为广泛的发展，函待解决两大难题:①由于风资源的随机性、间歇性及无规律性，导致风电电能品质差，且高渗透率对电网冲击较大，很多情况下被迫弃风;②风电电能存储较难，传统的电化学储能、电磁储能及物理储能技术无法满足能量大量存储和未来纯绿色能源发展需求，且运行成本较高。

能量合理存储是解决风电上网难的方案之一曰。抽水蓄能和压缩空气储能是相对成熟的技术方案，但该方案的实施依赖于特定的条件，如大量的水源，合理的地势，一定的化石燃料等;电化学蓄电池是另一途径，但在短期内，无论是铅酸电池、镍氢电池、锉离子电池，还是全钒氧化还原液流电池都将受成本和技术成熟度的限制;其他的储能方式，如飞轮储能等都因为效率太低、容量太小，难以适应规模化应用的挑战。

氢作为一种清洁能源，具有能量密度高、容量大、寿命长、便于储存和传输等特点，因而成为风电模化综合开发利用、储存的优选方案之一。风电通过电解水制氢储能，不仅可以将氢作为清洁和高能的燃料融入现有的燃气供应网络，实现电力到燃气的互补转化，又可以直接高效利用，尤其是在燃料电池等高效清洁技术快速发展的背景下。风电制氢，提供燃料电池汽车清洁的氢燃料，将形成真正意义上的绿色能源汽车2。

本文综述的风氢耦合发电不仅可以提供高品质的电力输出，还能提供清洁、易储存、易传输的氢作为二次能源，进一步进行综合利用。

风氢耦合发电的基本结构美国国家再生能源实验室(nationalrenewable energy laboratory，NREI,)的Wind2H2计划提出的风氢耦合系统结构，代表了典型风氢耦合发电系统的基本结构。 图1中包括清洁的风电、电解水制氢装置、压力储氢设备、燃料电池(fuel cell, FC)或氢燃料内燃机发电(H2 internal combustion engines,HzICE)和氢输送与应用等。通过控制系统调节风电上网与制氢电量比例，最大限度地吸纳风电弃风电量，缓解规模化风电上网“瓶颈”问题，利用弃风电量电解水制氢和副氧，通过压力储氢提高氢的存储密度。氢作为多用途、高密度的清洁能源，既可通过FC或Hz ICE反馈给电网以提高风电上网电能品质，又可作为能源载体通过车载或管道方式进入工业和商业领域，如氢进入燃气管道、冶金、化工等行业。与此同时，风氢耦合系统也将极大地推动纯绿色能源汽车一氢燃料电池汽车产业的快速发展1。

风氢耦合发电的特点1)电解槽分类和特点

水电解制氢电解槽是利用直流电极将水电解成氢和氧的一种设备，三类典型电解槽如图2所示3。

传统电解槽是在稳定电能条件下，定氢生产率运行的，而风氢耦合发电系统中的风电具有间歇性、随机性等特点，因而电解槽应具有不稳定电能条件下安全、可靠和高效制氢的能力。目前世界上的风电制氢系统普遍采用的是碱式和质子交换膜(proton exchange membrane,PME)式电解槽，因为这两种电解槽可在间歇波动性功率、大压力、高电流密度、低电压下稳定运行。

2)储氢方案和特点

氢作为一种能源载体，可替代传统的储能，是一种较具前途的新型储能方式。氢的存储方式有压缩气态、低温液态(如金属氢化物、碳材料等)和固态(如甲醇、氨等)。其中，压缩气体储氢是氢规模化存储的首选方式1。

压缩气态储氢方式下的能量损失相对较少，且具有较高的转换效率;活性炭在低温条件下也具有较高的效率。由于风氢耦合发电系统中风电制氢的时间较长，因而具有较低能量损失、较高效率的压缩气态储氢较适用于风氢耦合发电系统。储氢系统在启动时存在时滞，如果其时滞超过燃料电池的启动时间，将增加电池储能的容量，减小氢存储系统的动态响应时间，对整个系统的经济运行具2国内外研究概况与进展

国外研究现状目前国际上己有美国、德国、加拿大、西班牙、英国、挪威、希腊等许多国家支持并计划利用可再生能源(主要是风电)结合燃料电池离或并网发电研究与示范口Wind2H2计划是由美国能源部NREI,与Xcel能源公司于2004年合作的计划，此计划旨在协助科研人员掌握可再生能源与电解制氢之间的关键技术，其具体内容如下:研究氢储能技术，可再生能源功率控制及成本效益分析;掌握风/氢系统容量优化配置方案;研究再生能源上网和电解水所需电量的比例，并进行技术经济分析;研究电解技术(PEM电解槽和碱性电解槽)对风氢系统的影响;推进系统整合、规模化和产业化。世界其他各国示范工程皆与Wind2H2计划类似，可归纳为以下几个共同研究方向:根据负荷需求，确定风电是直接并网还是用于制氢;制/储氢装置的稳定直流电源控制，即AC' / DC'变流器控制;制氢与燃料电池的容量配置问题;燃料电池启停机控制;协调控制再生能源和燃料电池的输出比例，保证系统稳定高品质的电力输出。欧洲委员会在1998至2002年间结合各领域的发展与研究，提出了第五框架计划，此计划拥有两个主要实验基地(希腊和西班牙)，其目标为:整合再生能源、制氢/储氢和燃料电池技术，发展纯净的规模化制氢及储氢技术，提高再生能源对电网的渗透率及利用效率，解决再生能源供给波动性问题等.忍习。本世纪初，风电制氢概念和系统设计开始得到世界范围的重视，相关研究也相继展开4。2000年至2012年间世界各国主要的风/氢示范工程及关键技术见附录A表A1。早期风氢系统示范工程仅关注风电、制氢(电解槽)、储氢及FC'直接简单功率控制}zl za7。近十年来，风氢系统示范工程发展较快，涉及变功率制氢技术、子系统间协调控制、容量配置、技术经济分析等}3d o0}年以来，随着科技的发展和工程示范经验的积累，风氢系统关键技术取得明显突破，系统在线动态优化控制、风氢热电联产以及并网风氢系统与电网相互作用机理探究等，将成为今后风氢系统工程示范所而临的挑战。

国外专家提出了氢协同可再生能源(特别是风能)发电的绿色能源系统这一概念。氢作为新型的储能方式，与风电结合将改善规模化风电对电网的影响比忍，电解槽作为可控负荷与电网协调控制解决规模化风电接入电网“瓶颈”问题，高效利用风电大发时段弃风电量，提高风电上网电能品质.门。在偏远地区(孤岛系统〕或弱电网系统阳〕)，常规能源难以保证供电质量，且投资较高，而氢作为多用途能源载体，具有热电氢联产、氢一加氢站一纯绿色能源汽车一体化建设等显著的优点，可有效解决上述问题[与此同时，利用储氢缓解风电过剩与电网结构脆弱的矛盾问题，风电制氢增援电网方式比调整电网功率不平衡量更加经济可行。

并网风氢耦合发电系统分两种运行方式:①风电弃风量最小化(存储由于电网约束而无法上网的多余风电电量);②波动的风电出力匹配变化的负荷需求(控制策略的目标是实现输入和输出功率最小化，需要规模化储氢系统在低风或无风时段保证负荷需求)，较适合于孤岛运行系统。

风氢耦合发电系统能量转换效率较低(当前技术水平下，电一氢一电转换效率