儲能系統(tǒng)中的氫能與燃料電池應(yīng)用

　　概述

　　IRENA的2018年全球能源轉(zhuǎn)型報告指出，按照目前的發(fā)展模式，全球電力需求到2050年相比2012年將會翻倍。目前，發(fā)電導(dǎo)致的碳排放約占能源相關(guān)的碳排放的40%。因此，發(fā)電系統(tǒng)“去碳化”對控制全球變暖在2°C以內(nèi)至關(guān)重要。為了達(dá)到《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)，到2050年，電力行業(yè)的碳排放相比于2012年需要降低至少85%，這就需要可再生能源在發(fā)電中的比例達(dá)到63%。然而，可再生能源發(fā)電功率不穩(wěn)定的特性，使其覆蓋基礎(chǔ)負(fù)荷的能力較差，且需要其他大功率的發(fā)電設(shè)備在可再生能源無法產(chǎn)生電力時予以補(bǔ)充。儲能技術(shù)能夠有效的降低對發(fā)電功率的要求。

　　除了電池儲能，氫儲能技術(shù)，也是另外一種極具競爭力的發(fā)展方向。所謂氫儲能技術(shù)，即：將多余的電力可用于制造可無限期儲存的氫氣，然后在常規(guī)燃?xì)獍l(fā)電廠中燃燒氣體發(fā)電，或用于給家庭供熱。

　　轉(zhuǎn)換成氫氣的好處是，電解制氫效率很高，目前能達(dá)到80%的電能轉(zhuǎn)化率，此外，氫能夠在利用方面提供多種解決方案，且能夠滿足大規(guī)模、長時間儲能的需要。目前，氫儲能技術(shù)如果細(xì)分的話，則可以分為以下兩種：

　　1.電轉(zhuǎn)電技術(shù)（Power-to-power，PtP）：指將電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量儲存起來，需要時再重新轉(zhuǎn)化成電能的過程。

　　2.電轉(zhuǎn)氣技術(shù)（Power-to-gas, PtG）:指將電能轉(zhuǎn)化成燃?xì)獾倪^程。一般轉(zhuǎn)化成氫氣，并注入天然氣管道中，或通過甲烷化轉(zhuǎn)化成甲烷。

　　除此之外，還有電轉(zhuǎn)燃料（Power-to-fuel），電轉(zhuǎn)合成氣（Power-to-syngas）等。相比之下應(yīng)用沒有上述兩者廣泛。

位于丹麥的P2G-BioCat電轉(zhuǎn)氣項(xiàng)目，圖片來源：European Power to Gas

　　氫儲能系統(tǒng)好在哪里？又有哪些不足？

　　通常來說，儲能系統(tǒng)可以依照儲能密度、放電功率及儲存時間來加以分類。這三個參數(shù)最終其決定儲能能力。此外，儲能系統(tǒng)的重要參數(shù)還包括預(yù)期平均循環(huán)次數(shù)，綜合效率，自放電率，利用小時數(shù)等。而各類不同的儲能系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍也不盡相同，下圖顯示了各種儲能技術(shù)的應(yīng)用范圍：

　　從上圖可以看出，無論是從儲能密度還是從儲存時間來說，氫儲能都有著絕對的優(yōu)勢，尤其適用于大規(guī)模儲能中。

　　然而，相比電池儲能來說，氫儲能會經(jīng)歷更多的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。而每一次轉(zhuǎn)化，就意味著一次能量損失和設(shè)備資金投入。因此一般來說，轉(zhuǎn)化次數(shù)越多，總效率越低。下圖展示了上述兩種技術(shù)中各轉(zhuǎn)化過程的大致效率：

　　氫儲能除了電解和利用過程，還經(jīng)歷了壓縮、輸送等過程，而這些過程都會帶來些許損失，當(dāng)然這些損失相比電解和利用過程的損失，可以說是微不足道。氫儲能的痛點(diǎn)在于壓縮和輸送過程的設(shè)備資金投入。根據(jù)研究顯示，目前整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，氫氣的儲存和輸送所需成本幾乎占據(jù)全部成本的半壁江山。此外，在氫氣利用方面，氫轉(zhuǎn)電的單一效率相比電池儲能十分低下，只有依靠熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，才能夠使得氫能利用的效率大大提升。

　　那么，上述兩種技術(shù)區(qū)別在哪？

　　上面提到的兩種技術(shù)的共同點(diǎn)在于，均包含電解，儲存，轉(zhuǎn)化三個環(huán)節(jié)。兩種技術(shù)都是以電解水反應(yīng)為基礎(chǔ)，將電能轉(zhuǎn)化成氫能并進(jìn)行儲存。其區(qū)別在于氫氣的利用設(shè)備和途徑：

　　在電轉(zhuǎn)電技術(shù)中，氫能通過燃料電池等設(shè)備轉(zhuǎn)換成電能。

　　對于PtP技術(shù)來說，氫能系統(tǒng)在跨季節(jié)儲能上有很好的應(yīng)用前景，也是唯一能在價格上接近普通燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的選擇。而相比其他的儲能系統(tǒng)，例如：抽水儲能和壓縮空氣儲能，氫儲能的能量密度很高。而且，利用燃料電池技術(shù)，能夠很好得實(shí)現(xiàn)行業(yè)耦合，將交通行業(yè)、工業(yè)和建筑行業(yè)的供能整合在一起，實(shí)現(xiàn)未來能源系統(tǒng)的一體化和靈活化。

　　在電轉(zhuǎn)氣技術(shù)中，可以將電解得到的氫氣混入天然氣管道中，產(chǎn)生富氫天然氣，或讓氫氣與二氧化碳反應(yīng)，生成的甲烷可以用于發(fā)電或其他各種用途。

　　PtG系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，使用燃?xì)廨啓C(jī)將富氫天然氣重新轉(zhuǎn)化為電力的系統(tǒng)，能夠很好的利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，包括儲存，運(yùn)輸，發(fā)電設(shè)備等。同時，將氫氣混入天然氣管網(wǎng)中意味著燃?xì)廨啓C(jī)可以按照以往的方式正常運(yùn)行，從而避免了更換設(shè)備的投資。

　　然而，即使不計氫氣成本，PtG發(fā)電的成本也達(dá)到了天然氣價格的三倍。因此，除非假設(shè)碳稅價格超過400美元/噸，否則，PtG系統(tǒng)的發(fā)電成本不太可能低于普通燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。但是，如果能夠在天然氣中混入5%的氫氣，PtG系統(tǒng)的發(fā)電成本基本可以與普通燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組一致。如果管網(wǎng)和燃?xì)廨啓C(jī)能夠承受20%的氫氣摻雜，那么其經(jīng)濟(jì)效率則會相比5% 的極限大大增加。

　　PtG系統(tǒng)的在經(jīng)濟(jì)性上依賴于電解制氫價格的降低，同時在技術(shù)上依賴于電力供需的不平衡。從系統(tǒng)的角度來說，如果可能的話，應(yīng)優(yōu)先考慮產(chǎn)生電能這樣高品質(zhì)的能源，即在優(yōu)先考慮利用燃料電池的PtP技術(shù)。因此，在未來，如果電力系統(tǒng)能夠更好的平衡發(fā)電和用電，留給PtG的發(fā)展空間可能會收到限制。

　　兩種技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

　　電轉(zhuǎn)氣的核心概念早在19世紀(jì)就已經(jīng)提出，相比之下，直到2009年，第一個電轉(zhuǎn)電設(shè)備才投入運(yùn)行。截止到目前，兩種技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用規(guī)模都很小。其中，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的應(yīng)用相對較多，且主要集中在德國和其他一些歐洲國家。德國目前投入運(yùn)行的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備有16個，輸入功率從25~6000千瓦不等。其他一些歐洲國家，如奧地利、丹麥、挪威等，也有在運(yùn)行中的電轉(zhuǎn)氣設(shè)備。盡管目前的應(yīng)用不是很廣泛。電轉(zhuǎn)氣技術(shù)仍然被給予厚望。許多專家認(rèn)為，這一技術(shù)將會是完成德國能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

德國目前最大的PtG設(shè)備，位于下薩克森州，圖片來源：參考資料

　　然而氫儲能技術(shù)的成本目前依然居高不下，主要原因有兩個。

　　第一，是電解裝置的價格較為昂貴。因此，只有在利用率較高，即年運(yùn)行時長較長的情況下，才能較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。而新能源發(fā)電設(shè)備的年運(yùn)行時長相較于傳統(tǒng)能源較短，如果僅僅依賴于新能源產(chǎn)生的過剩的電力，很難降低發(fā)電成本。

　　第二，不論哪種技術(shù)都包含多個能量轉(zhuǎn)化過程，而每一步轉(zhuǎn)化都會帶來損失。這使得兩種技術(shù)的總效率都不高。因此，氫儲能技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于降低成本和提高效率。解決氫能在綜合能源應(yīng)用的問題，僅僅專注于解決技術(shù)問題是不夠的。還應(yīng)該開發(fā)更新、更多的應(yīng)用方法，使得新的商業(yè)模式成為可能。

　　我國對于電轉(zhuǎn)氣的研究也高度重視。早在“十二五”期間，就啟動了“基于可再生能源制/儲氫的70MPa加氫站研發(fā)及示范項(xiàng)目”，重點(diǎn)研究電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)在燃料電池汽車加氫站方面的應(yīng)用，部署了“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范”，重點(diǎn)研究風(fēng)電制氫及燃料電池集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。在2016年國家能源局發(fā)布的《關(guān)于政協(xié)十二屆全國委員會第四次會議第1013號（工交郵電類056號）提案答復(fù)的函》中，國家能源局指出，“儲能技術(shù)對于優(yōu)化電力調(diào)峰，解決棄風(fēng)、棄光、棄水等問題具有重要意義。電轉(zhuǎn)氣（P2G）技術(shù)是儲能等領(lǐng)域重要發(fā)展路線之一，具有規(guī)模適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境友好、終端應(yīng)用靈活多樣、可跨季度儲存等優(yōu)點(diǎn)，并可與天然氣管網(wǎng)結(jié)合，是有效解決棄風(fēng)、棄光、棄水等新能源發(fā)展難題的重要途徑。”

　　要點(diǎn)總結(jié)

　　1.氫能在儲能環(huán)節(jié)上主要有，包括電轉(zhuǎn)電和電轉(zhuǎn)氣兩種應(yīng)用形式。

　　2.到2050年以前，兩種技術(shù)的輸出電力的成本都難以低于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的成本。

　　3.目前，兩種技術(shù)都沒有得到大規(guī)模應(yīng)用，大部分項(xiàng)目集中在德國。

　　4.氫儲能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于提高效率和降低成本。（林偉）