可再生能源与氢能融合的潜力如何？
发布日期：2018/1/24
2017年前三季度，我国光伏发电量857亿千瓦时，弃光电量51亿千瓦时，风力发电2128亿千瓦时，弃风电量295.5亿千瓦时。如何破解弃风弃光难题依然是能源领域科研人员的研究热点。
面对上述难题，以可再生能源与氢能融合的能源利用新思路顺势而出。中国电科院为探求多种能源融合的发展前景，开展了《利用多能源转换技术推进清洁替代的可行性》项目研究，对可再生能源与氢能在电力系统的有机结合进行了前瞻性研究，对多能融合的诸多疑问进行了解答。
国内外有哪些可再生能源与氢能融合的研究实践？
耦合可再生能源与氢能的多能源系统工程可追溯到2004年建成的位于挪威阿奇若岛的风氢能源示范项目，该系统主要由600千瓦风机、产氢能力为10标准立方米/时的电解制氢装置、储氢容量为2400标准立方米的高压储氢罐、55千瓦氢气内燃机及10千瓦燃料电池组成，最多可满足岛上10户家庭2～3天的用电需求。
德国大力发展氢能燃料电池汽车产业并提出了氢能发展路线图及“Power to Gas”发展战略。2011年德国E.ON和Greenpeace Energy等能源公司在德国建立6兆瓦的风—氢示范项目，在用电需求高峰时段，优先将风电全部并入电网，在电力需求低谷时段，将风电转化为氢气存储起来，然后再通过天然气管网掺氢输送至附近热电厂进行热电联供。此外，Audi公司于2013年在德国建成了6兆瓦的“光伏—氢—甲烷”项目（E—Gas项目），通过光伏发电制取氢气，再与二氧化碳重整制成甲烷，年产甲烷能力达到1000吨。
耦合可再生能源与氢能的多能源转换系统已成为多个国家的战略抉择与目标。作为全球风力发电和光伏发电增幅最大的国家，我国开展以氢能为核心的多能源转换系统意义重大。2015年，我国启动了一项由河北建投集团与德国McRhy、Encon等公司合作的风电制氢工程项目，计划在河北省沽源县建设200兆瓦风电场、10兆瓦电解水制氢系统及氢气综合利用系统，制取的氢气可用于工业生产，并为未来氢能源动力汽车产业进行资源储备，现一期200兆瓦风电场已并网发电。
如何实现可再生能源与氢能的转换？
实现可再生能源与氢能转换是将可再生能源发电产生的电能用于电解水，产生氢气与氧气，这一电—氢能源转换过程的实现离不开一个关键的设备——电解槽。根据电解槽中电解质的不同，可以分为碱性、质子交换膜以及固体氧化物三种电解制氢类型。
碱性电解制氢是目前电解制氢中最成熟和最经济的方式，适用于大规模与高负荷制氢的工况，碱性电解槽是一种低温电解技术，工作温度一般范围为70～90摄氏度，制取的氢气纯度较高；质子交换膜电解制氢采用纯水电解，工作温度约为55～80摄氏度，可更好地适应负载功率波动性，但由于其成本较高，使其目前仅在军工和航天工程上实现商业化应用；固体氧化物电解制氢属于高温电解类型，工作温度高达700～900摄氏度，总体效率非常高，但较高的工作温度也使其在爬坡速率、黑启动和负载变化上的灵活性较低。
碱性电解制氢由于技术成熟度高、寿命和成本均能满足可再生能源发电制氢需要的优势，是目前可再生能源电解制氢方式的首选，但随着质子交换膜电解制氢成本的逐步降低及工作寿命的延长，将会凭借其可灵活适应输入功率波动的性能，具备在可再生能源制氢领域规模化应用的潜力。
可再生能源电解制取的氢气应用场景有哪些？
氢气的应用领域非常广泛，在传统应用方面，用量最大的行业是石油化工业，用于生产合成氨、甲醇以及石油炼制过程中的加氢反应。此外，氢气在电子工业、冶金工业等领域也有应用。除传统应用外，氢气可作为能源加以利用，如氢燃料电池，将成为未来重要的氢气利用发展方向。根据氢能终端应用途径的不同，可以将可再生能源与氢能融合系统的应用模式分为以下五种场景：
电—氢—燃料电池发电：将可再生能源电解产生的氢能经压缩储存后，在用电高峰时供给燃料电池系统发电，回送电量至电网，若将燃料电池的热能回收再利用，综合能效可达60%以上。
电—氢—混合燃气：此应用模式下制取的氢气经过压缩与高压输运后按照一定比例与天然气混掺，可送至燃气轮机电站进行发电或供其他工业和民用使用。
电—氢—甲烷—燃气：电解产生氢气需再与二氧化碳发生反应转换为甲烷，甲烷经过压缩，运输到燃气轮机电站进行发电或注入天然气管网用于各行各业。
电—氢—移动发电：氢能经储存、输运及加注过程，最后在交通运输领域作为燃料电池类交通工具燃料使用，全环节的能源转换效率约为16%～31%，这种方式最大的意义在于既有利于可再生能源的高比例应用，同时又能推动氢燃料电池交通工具产业化的快速发展。
电—氢—化工原料：制取的氢气直接被用于传统用氢产业，作为反应原料使用，如合成氨、煤气化、煤化工等产业。
可再生能源与氢能融合的潜力如何？
可再生能源制氢系统是构建电—气—冷—热多能互补一体化集成系统的基础及重要环节，为能源消费和供需的协调配合构建了桥梁和纽带。采用可再生能源与氢能融合，一方面，摆脱了传统化石燃料制氢对环境的影响，为氢能的制取开辟了更清洁、更环保的新途径，推进清洁替代的实现，为氢能经济的到来奠定环保绿色的技术基础；另一方面，整合各类能源发展，提升能源系统的资源利用率，为构建多能源互补集成系统夯实基础环节，显著提高社会、资源、经济、环境等方面的综合效益。
为定量评估采用可再生能源电解制氢缓解弃风现象的潜力，以氢气通过管道输送为前提条件，对利用的弃风电量进行估算。我国西气东输年累计输送天然气量约为590亿立方米，其中西一线240亿立方米，西二线350亿立方米，按照氢气以5%的比例混掺到天然气作为计算依据，则西气东输可输送氢气量为29.5亿立方米，由于制取1标准立方米氢气需耗电4.5～5.0千瓦时，按照最大耗电量计算用电量，通过管道输送氢气具备消纳147.5亿千瓦时弃风电量的潜力。我国2016年全年弃风电量497亿千瓦时，可有效利用29.68%的弃风电量。由此可见，可再生能源与氢能的融合可在一定程度上解决弃风电量浪费的问题。
未来可再生能源与氢能融合的发展趋势是什么？
目前，采用风能、太阳能等波动性电源制氢存在的最大挑战是两种技术融合后的经济性和季节匹配性，在未来融合技术的研究中应重点关注以下四个方面：
一是提高系统能源利用率，进一步带动氢气制取成本的降低，目前可再生能源制氢的成本相对其他常规方式仍较高，但差距正在逐步缩小，未来应进一步提高融合技术的成熟度，使可再生能源电解制氢成本具备市场竞争力。
二是开展可再生能源制氢系统耦合电网的控制策略研究，在满足制氢系统并网安全稳定性的前提下，实现制氢系统与电网的最佳匹配容量运行，进一步提升系统弃风、弃光电量的利用率。
三是打通产氢和用氢产业链，对接燃料电池等新兴用氢产业，实现从产—储—输—用一条龙的氢能经济，实用化程度大幅提升。
四是开展氢能、天然气与风电的季节匹配性研究，由于我国天然气利用与风力发电同样存在季节性供需矛盾突出的特点，且两者的供需时间呈现互补特性，统筹天然气和风力发电，是解决能源连续稳定供应的有效手段之一。
合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土。中国电科院适应能源互联网的发展潮流，对可再生能源与氢能融合开展了前期探索，从技术、经济、能效等方面对可行性进行了评估，并依托合作单位在张北建立的风电制氢示范工程，对电解槽特性进行了分析和研究，为后续开展可再生能源与氢能融合的工程实践提供了理论依据，为构建以安全发展、高效发展、清洁发展为目标的现代能源保障体系提供了决策支撑。
来源:国家电网报
