風(fēng)電制氫技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及對策建議

風(fēng)電制氫技術(shù)是提高風(fēng)能的利用率和緩解棄風(fēng)問題的有效手段。我國風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”地區(qū)、東南沿海等，隨著國家大力推廣氫能，風(fēng)電資源豐富卻發(fā)電受限的地區(qū)看到了契機。氫能作為二次能源，它的獲取離不開一次能源;氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)遵循市場規(guī)律，由市場主體決定走什么樣的技術(shù)路線，在市場機制的引導(dǎo)下逐步邁向成熟，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，風(fēng)電在我國得到了迅猛發(fā)展，我國已成為風(fēng)電增長最快的國家。根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年底和2050年底，風(fēng)電總裝機容量將分別超過200GW和1000GW。隨著風(fēng)電裝機容量的猛增，越來越多的問題正逐漸顯現(xiàn)，如，大規(guī)模不可控低品質(zhì)風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全性帶來的挑戰(zhàn);大規(guī)模風(fēng)電場的聚集給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸送帶來的極大壓力，造成大量棄風(fēng)現(xiàn)象;大量并網(wǎng)風(fēng)電給電網(wǎng)調(diào)度中心造成越來越大的困難，而且造成電網(wǎng)平衡成本逐漸增大。為解決這些問題，積極探索能源轉(zhuǎn)換方式，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫能源加以利用成為當(dāng)前研究的重點方向。

一、關(guān)于風(fēng)電制氫技術(shù)

風(fēng)電制氫技術(shù)是將風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)化成電能，電能通過電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)化成氫氣，通過將氫氣輸送至氫氣應(yīng)用終端，完成從風(fēng)能到氫能的轉(zhuǎn)化。根據(jù)風(fēng)電來源的不同，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)場的35kV或220kV電網(wǎng)側(cè)取電，進行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場的棄風(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)過電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進行制氫，主要應(yīng)用于分布式制氫或局部應(yīng)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(yīng)用于平抑大規(guī)模風(fēng)電場發(fā)電的不均衡性，提高風(fēng)場風(fēng)電的利用率。

風(fēng)電制氫技術(shù)主要涉及電氫轉(zhuǎn)換和氫氣輸運兩大關(guān)鍵技術(shù)，圖1是大規(guī)模風(fēng)電場風(fēng)電制氫技術(shù)原理圖，整個技術(shù)模塊包括風(fēng)力發(fā)電機及電網(wǎng)、電解水制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)和氫氣輸運系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)場風(fēng)電的拓撲結(jié)構(gòu)，按照控制需求可以從35kV或220kV電網(wǎng)處取電，經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)化后，進行電解水制氫，所制的氫氣先儲存在中壓儲氫罐中，然后，通過20MPa氫氣壓縮機充灌到氫氣管束車，根據(jù)用氫需求進行派送，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行輸送。

圖1 風(fēng)電制氫技術(shù)原理圖

二、國際發(fā)展現(xiàn)狀

(一)歐洲

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

在歐盟委員會歐洲研究和創(chuàng)新第七框架計劃推動下，啟動一項名為INGRID的氫儲能項目，該項目總計劃投資2390萬歐元，其中歐盟資助1380萬歐元，由幾家企業(yè)和研究機構(gòu)組成的財團，包括意大利的ICT技術(shù)公司、Engineering IngegneriaIn for matica、Agenzia per latecnologia e l'Innovazione(ARTI)，意大利公用事業(yè)部門Enel Distribuzione，比利時氫發(fā)電機供應(yīng)商Hydrogenics，法國的固態(tài)氫存儲開發(fā)商McPhy Energy，以及意大利研究機構(gòu)Ricercasul Sistema和西班牙研究中心Energetico TECNALIA等自籌1010萬歐元。該項目的目的是通過氫儲能系統(tǒng)在提升可再生能源系統(tǒng)的利用效率的同時，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(wěn)定性。該項目建設(shè)地為意大利的普利亞地區(qū)，項目總儲存能力為39MWh，由3.5GW的太陽能、風(fēng)能和生物能資源組成的發(fā)電系統(tǒng)，儲氫容量超過1噸的固態(tài)儲氫系統(tǒng)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，并逐步實施。Power to gas項目的背景源于德國可再生能源導(dǎo)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年進一步提高到50%?；韭肪€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，然后加入至現(xiàn)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(nèi)容如下：研究儲能技術(shù)(以儲氫技術(shù)為主)，再生能源輸出及系統(tǒng)成本效益分析;掌握風(fēng)/氫系統(tǒng)輸出最佳容量配比技術(shù)(風(fēng)電、太陽能和氫能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行策略);不同運行狀態(tài)分析研究(調(diào)節(jié)再生能源輸出直接上網(wǎng)和電解水所需電量的比例，并進行技術(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(tǒng)的影響;推行系統(tǒng)整合、擴大研究規(guī)模和領(lǐng)域?，F(xiàn)階段已完成新能源制氫設(shè)備的工業(yè)規(guī)模及社區(qū)或個人使用規(guī)模設(shè)備系統(tǒng)的商業(yè)化，并且可直接利用風(fēng)能進行儲能，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(xiàn)狀與問題

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(nèi)相關(guān)部門組織實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拓適應(yīng)風(fēng)能資源特點的風(fēng)電消納市場。為提高本地電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力，促進風(fēng)電的就地利用，河北、吉林省要加快推進風(fēng)電制氫的示范工作，進一步積累經(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(jié)現(xiàn)有示范項目經(jīng)驗基礎(chǔ)上，開展一批新的風(fēng)電制氫、風(fēng)電高載能供電示范項目建設(shè)。河北、吉林省要加快推進風(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(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，其中明確提出：“開發(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，進展較為緩慢。目前尚無成熟商業(yè)運行的風(fēng)電制氫儲能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)模風(fēng)電制氫儲能的示范工程設(shè)計經(jīng)驗不足，在系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)、效率提升和經(jīng)濟性方面未能取得實質(zhì)性的進展。面臨的問題主要有：

(一)關(guān)鍵技術(shù)難題

從技術(shù)角度來看，風(fēng)電的隨機性、不穩(wěn)定性、波動性較大，而水電解制氫設(shè)備對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高，頻繁的電力波動會對設(shè)備的運行壽命及氫氣的純度質(zhì)量造成影響。如何進行有效的電能匹配，提高制氫設(shè)備的可利用率需要研究探討。此外，當(dāng)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)需進一步深入研究。

(二)推廣應(yīng)用難題

風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展有待于氫氣下游用戶使用問題的解決，當(dāng)前氫氣的大規(guī)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。高純氫市場用戶多，但用量較小，行業(yè)發(fā)展?jié)摿Σ淮蟆＝陙砣剂想姵仄囆袠I(yè)技術(shù)發(fā)展頗受關(guān)注，燃料電池汽車行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展將會帶動氫能規(guī)?；?。

參照德國powertogas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(guī)?；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?shù)妮敋夤艿乐?，則我國西北部地區(qū)的風(fēng)電棄風(fēng)難題可有效解決。

四、促進我國風(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)展將帶動氫能的清潔利用，進而推動風(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，進而推動油品加氫技術(shù)的發(fā)展，擴大氫能的利用途徑。

(二)加強電解制氫技術(shù)的開發(fā)

電解制氫技術(shù)要想在間歇性電源的儲能環(huán)節(jié)中獲得廣泛應(yīng)用，首先必須滿足對間歇性電源功率波動的適應(yīng)性，因此需要深入研究電解制氫裝備的功率波動適應(yīng)性，開發(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，開發(fā)可快速響應(yīng)功率波動的固體聚合物電解水制氫技術(shù)(SPE)。

(三)開展氫儲能系統(tǒng)的研發(fā)

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

(四)注重大規(guī)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(yīng)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，特別是對社會和環(huán)境都會產(chǎn)生影響的技術(shù)，應(yīng)該對其綜合效益進行研究和評價，包括社會效益、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(chǔ)上，建立一套多能源轉(zhuǎn)換利用的綜合效益評價指標體系和方法，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(yīng)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(yīng)過網(wǎng)費后，風(fēng)電場可直接向制氫站供電，統(tǒng)籌調(diào)度風(fēng)電與太陽能等新能源發(fā)電資源，確保水電解制氫供電的穩(wěn)定性。

本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。本報告數(shù)據(jù)來自同濟大學(xué)呂洪副教授及中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份有限公司。

本文特約編輯：姜念云(來源：中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院)