碳中和|國內(nèi)外風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)展

本文對(duì)風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，以及國內(nèi)外風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)及其政策進(jìn)行了深入探討;針對(duì)我國發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)存在的問題及面臨的挑戰(zhàn)，提出了進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)方向和政策措施。

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(jī)容量將分別超過200GW和1000GW。隨著風(fēng)電裝機(jī)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(duì)電網(wǎng)安全性帶來的挑戰(zhàn);大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)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(diǎn)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(jī)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(jī)組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)場(chǎng)的35kV或220kV電網(wǎng)側(cè)取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)消納和儲(chǔ)能。離網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將單臺(tái)風(fēng)機(jī)或多臺(tái)風(fēng)機(jī)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(jìn)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(chǔ)能方式，更多地將被應(yīng)用于平抑大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的不均衡性，提高風(fēng)場(chǎng)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(yùn)兩大關(guān)鍵技術(shù)，整個(gè)技術(shù)模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)、電解水制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和氫氣輸運(yùn)系統(tǒng)。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電的拓?fù)浣Y(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(jìn)行電解水制氫，所制的氫氣先儲(chǔ)存在中壓儲(chǔ)氫罐中，然后，通過20MPa氫氣壓縮機(jī)充灌到氫氣管束車，根據(jù)用氫需求進(jìn)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(jìn)行輸送。

二、國際發(fā)展現(xiàn)狀

(一)歐洲

針對(duì)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?cè)缭谖?、六年前就開始了相關(guān)的研究，重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)電結(jié)合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)和成本可行性分析，隨后啟動(dòng)了一些示范項(xiàng)目。

在歐盟委員會(huì)歐洲研究和創(chuàng)新第七框架計(jì)劃推動(dòng)下，啟動(dòng)一項(xiàng)名為INGRID的氫儲(chǔ)能項(xiàng)目，該項(xiàng)目總計(jì)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(jī)構(gòu)組成的財(cái)團(tuán)，包括意大利的ICT技術(shù)公司、Engineering Ingegneria Informatica、Agenzia per la tecnologia e l'Innovazione (ARTI)，意大利公用事業(yè)部門Enel Distribuzione，比利時(shí)氫發(fā)電機(jī)供應(yīng)商Hydrogenics，法國的固態(tài)氫存儲(chǔ)開發(fā)商McPhy Energy，以及意大利研究機(jī)構(gòu)Ricerca sul Sistema和西班牙研究中心Energetico TECNALIA等自籌1010萬歐元。該項(xiàng)目的目的是通過氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在提升可再生能源系統(tǒng)的利用效率的同時(shí)，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(xiàng)目建設(shè)地為意大利的普利亞地區(qū)，項(xiàng)目總儲(chǔ)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(chǔ)氫容量超過1噸的固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)和一套1.2MW的氫發(fā)電機(jī)組成。

德國制定了宏偉的“Power to gas”發(fā)展計(jì)劃，并逐步實(shí)施。Power to gas項(xiàng)目的背景源于德國可再生能源導(dǎo)入量的擴(kuò)大，德國打算2022年之前全面廢除核電，擴(kuò)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(dá)到了22%，2020年計(jì)劃將其提高到35%，2030年進(jìn)一步提高到50%。基本路線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(chǔ)存起來，然后加入至現(xiàn)有的燃?xì)夤艿谰W(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(gè)涉及氫氣儲(chǔ)能和利用的項(xiàng)目。該項(xiàng)目風(fēng)電裝機(jī)容量為6MW，電解槽裝機(jī)容量約0.6MW。隨后，德國又啟動(dòng)了兩項(xiàng)氫氣儲(chǔ)能和利用項(xiàng)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(jì)劃，該計(jì)劃是由美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)中心(NREL)與Xcel能源公司于2004年合作的計(jì)劃，并交由NREL的國家風(fēng)能技術(shù)中心主持。此計(jì)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?jī)?chǔ)能技術(shù)(以儲(chǔ)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(yùn)行策略);不同運(yùn)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(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(duì)風(fēng)氫系統(tǒng)的影響;推行系統(tǒng)整合、擴(kuò)大研究規(guī)模和領(lǐng)域。現(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(gè)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(jìn)行儲(chǔ)能，目的使其在技術(shù)和成本上具有優(yōu)勢(shì)。

三、我國的發(fā)展現(xiàn)狀與問題

我國對(duì)于發(fā)展風(fēng)電制氫技術(shù)也很重視，2014年，李克強(qiáng)總理考察德國氫能混合發(fā)電項(xiàng)目，指示國內(nèi)相關(guān)部門組織實(shí)施氫能利用示范項(xiàng)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(chǔ)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(xiàng)提出要積極開拓適應(yīng)風(fēng)能資源特點(diǎn)的風(fēng)電消納市場(chǎng)。為提高本地電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力，促進(jìn)風(fēng)電的就地利用，河北、吉林省要加快推進(jìn)風(fēng)電制氫的示范工作，進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。

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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)目建設(shè)。河北、吉林省要加快推進(jìn)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(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》，也將“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”作為15項(xiàng)重點(diǎn)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(dòng)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(jìn)展較為緩慢。目前尚無成熟商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)電制氫儲(chǔ)能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)模風(fēng)電制氫儲(chǔ)能的示范工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)、效率提升和經(jīng)濟(jì)性方面未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)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(jī)性、不穩(wěn)定性、波動(dòng)性較大，而水電解制氫設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高，頻繁的電力波動(dòng)會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行壽命及氫氣的純度質(zhì)量造成影響。如何進(jìn)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(chǔ)存和運(yùn)輸成本較高，包括氫氣儲(chǔ)運(yùn)的安全性等都是制約氫能行業(yè)發(fā)展的瓶頸，儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)需進(jìn)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(yùn)輸和儲(chǔ)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(chǎng)用戶多，但用量較小，行業(yè)發(fā)展?jié)摿Σ淮?。近年來燃料電池汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展頗受關(guān)注，燃料電池汽車行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展將會(huì)帶動(dòng)氫能規(guī)模化利用。

參照德國power to gas計(jì)劃，將氫氣按一定比例加注到天燃?xì)夤艿乐屑右岳?，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(jìn)我國風(fēng)電制氫技術(shù)發(fā)展的對(duì)策建議

(一)關(guān)注解決氫能利用途徑

制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策，探索將氫氣注入到天然氣管道中加以利用;促進(jìn)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(dòng)氫能的清潔利用，進(jìn)而推動(dòng)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(biāo)號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而推動(dòng)油品加氫技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大氫能的利用途徑。

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

(三)開展氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)

由于氫氣易于儲(chǔ)存，因此有利于提高波動(dòng)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(yùn)行效率。因此，如何設(shè)計(jì)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)，使之與電網(wǎng)調(diào)峰和運(yùn)行模式相匹配，是該技術(shù)能夠走向市場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(四)注重大規(guī)模風(fēng)電制氫運(yùn)行模式以及經(jīng)濟(jì)性

一種技術(shù)的推廣應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)性固然重要，但對(duì)于影響面較大的技術(shù)而言，單純考慮經(jīng)濟(jì)性是不夠的，特別是對(duì)社會(huì)和環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生影響的技術(shù)，應(yīng)該對(duì)其綜合效益進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，包括社會(huì)效益、環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益等。因此，需要在經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(fù)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(biāo)，吸收利用更多清潔電能。出臺(tái)直供電售電政策，電網(wǎng)公司收取相應(yīng)過網(wǎng)費(fèi)后，風(fēng)電場(chǎng)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。

文/張麗 陳碩翼，科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心，《科技中國》