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        風電制氫發展現狀及趨勢

        氫能與可再生能源發布時間:2020-08-27 10:03:26  作者:黎妍

          我國是一個風能資源十分豐富的國家,風電是我國第二大可再生能源電力。但由于風電裝機量快速擴張,電網配套設施建設滯后于風電裝機量,從2010年我國開始出現明顯的棄風限電現象。為應對風電場棄風限電現象,在完善風電規劃、健全市場運行機制以降低并網難度之外,提出了風電制氫的新型儲能技術,以消納部分地區的風能資源,提高風能的利用率。近年來,我國開始關注和重視風電制氫技術,已經在多個地方開展風電制氫示范項目。未來隨著風電裝機規模的不斷擴大,以及電解水制氫技術的突破和成本的大幅下降,風電制氫有望實現大規模商業化。

          風電及風電制氫發展現狀

          1.風電發展現狀

          我國從上世紀50年代起便開始進行風電的建設和研究工作,到2006年,發布實施《可再生能源法》,標志著風電正式進入大規模開發應用階段。根據國家能源局發布數據顯示,截止2019年,我國的風電新增并網裝機2574萬千瓦,全國風電累計裝機2.1億千瓦,風電裝機占全部發電裝機的10.4%。風電有陸上風電和海上風電兩種類型,我國的風電類型以陸上風電為主,占總裝機量的97%,近年來我國正在加快部署海上風電。

        圖1 2019年全國風電并網運行情況(萬千瓦)

          2016年到2019年風力發電量增加了將近70%,占比從4%上升到5.5%,成為除了火電和水電以外的第三大電力來源;裝機量也增加了42%。2019年我國風電發電量首次突破4000億千瓦時,達到4057億千瓦時。當前風電進入高速發展時期,裝機量、發電總量及占比不斷攀升,風電發展形勢大好。

        圖2 我國風電發電量及占比情況(2016-2019年)

          但另一方面,風電發展速度過快,許多地區的電網投資建設難以跟上風電的發展,導致電力無法并網輸送,出現了棄風的現象。2013年,國家能源局下發《關于做好2013年風電并網和消納相關工作的通知》提出,把風電利用率作為年度安排風電開發規模和項目布局的重要依據,風電運行情況好的地區可適當加快建設進度,風電利用率很低的地區在解決嚴重棄風問題之前原則上不再擴大風電建設規模。同時通過提供優惠并網條件、加強配套電網建設、優化并網流程、簡化并網手續、提高服務效率等措施,有效緩解我國的棄風問題。2019年我國的棄風電量為168.6億千瓦時,棄風率為4%,棄風電量和棄風率均大幅下降,棄風問題得到較大程度的緩解。

        圖3 我國風電棄風情況(億千瓦時,2016-2019年)

          隨著風電裝機規模的擴大,棄風問題的緩解,風電電價也逐漸變得有競爭性。根據《國家發改委發布關于完善風電上網電價政策的通知》,2019年Ⅰ-Ⅳ類資源區新核準陸上風電指導價分別調整為每千瓦時0.34元、0.39元、0.43元、0.52元(含稅、下同);2020年指導價分別調整為每千瓦時0.29元、0.34元、0.38元、0.47元,自2021年1月1日開始,新核準的陸上風電項目全面實現平價上網,國家不再補貼。關于海上風電,2019年海上風電指導價分別調整為每千瓦時0.8元,2020年調整為0.75元。據公開電價信息的不完全統計,全國居民生活用電平均電價約為0.5133元/千瓦時。相比之下,風電正逐漸進入“平價”電價時代。

          表1 我國各地區風能資源區劃分情況

          從風能資源區劃分可以看到,我國風能資源主要集中在西北、東北地區,遠離東部的用電大省,不利于風能的應用開發,部分地區風能存在并網困難的情況,需要提高風能的就地消納能力以提高利用率。此外,雖然棄風問題有了較大幅度的緩解,但是局部地區如內蒙古(7.1%)、甘肅(7.6%)和新疆(14.0%)的棄風現象仍然嚴重,卻難以完全解決。

          2.風電制氫發展現狀

          風電制氫技術是一種將風力發電產生的電能通過簡單的處理直接應用到電解水制氫的一種制氫技術。產生的氫氣經過存儲運輸,主要應用于氫燃料電池汽車或作為工業原料等。作為一種新型的儲能方式,風電制氫有望能緩解風電的棄風難題和提高就地消納,目前許多地區開始探索利用風電制氫的技術,以提高當地風能的利用率。

          我國的風電制氫起步相對較晚。從2009年開始,國家電網率先開展風光電結合海水制氫技術前期研究和氫儲能關鍵技術及其在新能源接入中的應用研究。從2014年至今,中節能、河北建投、國家電投和國家能源相繼啟動了風電制氫項目。2018年10月,國家發改委、能源局印發《清潔能源消納計劃(2018-2020年)》,提出“探索可再生能源富余電力轉化為熱能、冷能、氫能,實現可再生能源多途徑就近高效利用”。隨著可再生能源一系列利好政策的發布,風電制氫發展也逐漸得到重視,但由于受制于國內制氫場地需建設在化工園區以及發電過網等因素,風電制氫的審批政策以及經濟性均面臨較大挑戰,總體發展較為緩慢,目前尚無成熟商業運行的風電制氫系統。

          表2 部分風電制氫研究及項目

          其中,河北建投投資建設的沽源風電制氫示范項目是我國首個風電制氫工業應用項目,總投資20.3億元,引進德國風電制氫先進技術及設備,在沽源縣建設200兆瓦容量風電場、10兆瓦電解水制氫系統以及氫氣綜合利用系統三部分。項目建成后,可形成4MW制氫生產能力,對提升壩上地區風電消納能力具有重要意義。

          風電制氫及技術要求

          風電制氫系統主要由風力發電機組、電解水裝置、儲氫裝置、燃料電池、電網等組成。如圖4為風電制氫系統吸納風電棄風量示意圖,上半部分為棄風制氫部分,下半部分為風電并網部分。在風電并網部分,風電經過低階濾波單元、AD-DC整流變換單元、逆變和高階的濾波單元,將風電的諧波濾去,產生達到并網需求的高質量電能,經由升壓變壓器為電網供電;在棄風制氫部分,風電被濾波后經過AD-DC整流變換單元,將交流電轉換為直流電,再經過直流支撐電路接入DC-DC電路,將直流電進行降壓或升壓處理,使直流電變換為可以制氫的電能,進而制氫。風電并網側與制氫側應進行合理的功率分配,在風電滿足電網需求的前提下,剩余的風能進行制氫,做到能源的最大利用。

        圖4 風電制氫電氣結構

          1.風電制氫技術類型

          (1)離/并網型風電制氫

          根據風電來源的不同,風電制氫技術分為并網型風電制氫和離網型風電制氫。

          ——并網型風電制氫,是指將風電機組接入電網,從電網取電的制氫方式,比如從風場的 35kV或220kV電網側取電,進行電解水制氫,主要應用于大規模風電場的棄風消納和儲能。由于與電網相連,單機容量較大。

          ——離網型風電制氫,是指將單臺或多臺風機所發的電能,不經過電網直接提供給電解水制氫設備進行制氫,主要應用于分布式制氫或局部應用于燃料電池發電供能。由于獨立于電網運行,單機容量較小。

          (2)堿性/質子交換膜/固體氧化物電解水制氫

          根據電解水制氫技術的不同,風電制氫技術分為:堿性(ALK)電解水制氫、質子交換膜(PEM)電解水制氫和固體氧化物(SOE)電解水制氫。

          ——堿性(ALK)電解水制氫,是以KOH、NaOH等堿液為電解質,如采用石棉布等作為隔膜,在直流電的作用下,水電解生成氫氣和氧氣。

          ——質子交換膜(PEM)電解水制氫,是指應用質子交換膜(PEM)替代隔膜,傳導質子,并隔絕電極兩端氣體,在直流電的作用下,水電解生成氫氣和氧氣。

          ——固體氧化物(SOE)電解水制氫,采用固體氧化物作為電解質材料,在700-1000℃的高溫下,對兩側施加直流電,陽極產生O2,陰極產生H2。

          目前,目前ALK技術已實現工業化;PEM技術尚處于從研發走向工業化,商業化水平低;SOE技術正處于實驗室研發階段,各制氫技術有如下特點。

          表3 三類電解水制氫技術參數

          2.風電制氫技術要求

          從技術角度來看,因為風電具有隨機性、不穩定性、波動性較大的特點,風力發電機、電解水制氫設備、風電場能量控制系統都有著較高的要求。

          (1)風力發電機

          風力發電機不僅需要將電能通過變流裝置輸送到電網,同時也要將棄風發電為電解裝置供電。因此風力發電機需要很強的扛風波動能力,即高適應性。

          (2)電解水制氫系統

          由于風力發電系統的間歇性、隨機性的特點,電解水制氫系統需要具備在不穩定電能下能夠安全、可靠和高效制氫的能力,即高適應性。此外,電解水制氫技術的高效性、環保性、成本和技術成熟度也很重要。當前三種制氫技術在這些性能上表現各異。

          從高適應性來看,PEM技術和風電的耦合性較好,適合風電制氫系統。SOE技術尚需要進一步研究探索其與風電制氫的適應性。

          從高效性來看,目前ALK技術的制氫能力更強,但是能耗效率相對最低。PEM技術和SOE技術能耗效率相對較高,但目前PEM技術的單堆制氫能力主要為幾十標方每小時,而SOE技術制氫能力最小,尚在探索階段。

          從環保性來看,ALK技術使用腐蝕性的堿液作為電解質,會對環境造成污染。PEM技術和SOC技術相對較為綠色環保。

          從成本和技術成熟度的來看,ALK技術成熟、成本較低,適用大規模的風電制氫系統。

          表4 三類電解水制氫技術要求

          目前,由于ALK技術與PEM技術的動態響應時間較短,動態響應能力較好,適用于風電制氫系統。相比之下,SOE技術的動態響應時間比較長,目前并不適合大規模風電制氫。再從制氫能力、成本和技術成熟度來看,目前ALK技術的總體優勢大于PEM技術,因此我國當前的風電制氫主要采用ALK電解水制氫技術。

          (3)風電場能量控制系統

          風電場能量控制系統主要包括:1)風電場能量的控制,可以根據電網調度和制氫及燃料電池發電系統的需求進行風電場發電控制,實現功率的發電及負荷平衡;2)風電場電壓控制,可以依據風電場的運行模式,利用協調無功補償設備、風電機組等實現風電場輸出電壓的穩定;3)風電直接制氫及燃料電池發電系統站的控制,可以根據電網需求、風能等情況控制制氫系統、燃料電池發電裝置等的啟動、停止及功率控制等。

          風電制氫發展挑戰及建議

          近年來,風電制氫在全球范圍內開始得到重視和關注,而我國也在研究加快風電制氫的發展和部署,但同時越來越多的問題也逐漸顯示,主要體現在技術、政策和應用方面。

          1.開發高適應性和可快速響應的電解水制氫技術

          由于風力的不確定性較強,導致風力發電可能會產生大規模低品質的電力,而水電解制氫裝置對電力的穩定性要求較高,頻繁的電力波動將對設備的運行壽命和氫氣純度質量造成較大影響。

          針對技術方面的挑戰,需要進行有效的電能匹配,提高制氫設備的可利用率。提高電解水制氫設備對間歇性電源功率波動的適應性,深入研究制氫裝備的功率波動適應性,開發大功率、低成本的高效率的工業化堿性電解水制氫技術,以及開發可快速響應功率波動的質子交換膜電解水制氫技術。

          2.制定風電制氫利好政策消除發展不利因素

          在政策方面。由于氫屬于易燃易爆的?;?,根據我國相關政策,?;飞a必須進入化工園區,但通常風電場的分布比較廣,對于就地消納風電的制氫項目來說不可能全部進入化工園區,極大程度上阻礙了風電制氫的發展。

          但隨著可再生能源制氫的發展,部分地區的制氫要求有所松動,2019年8月,河北省發展和改革委員會聯合安全生產委員會發布《關于調整化工建設項目備案權限的通知》,規定風力發電配套制氫項目可不進化工園區。對可再生能源制氫特別是風電制氫起到了積極的影響。未來可以鼓勵更多的地區在保證安全生產的前提下,制定適合本地具體情況的風電制氫政策,解除風電制氫必須進入化工園區的限制。

          3.“降本擴量”實現風電制氫規?;虡I運營

          受限于成本,目前氫氣主要來自煤制氫和天然氣重整制氫等化石原料,可再生能源電解水制氫的成本相對較高,還不具備大規模商業化運營優勢。

          針對應用方面的挑戰,主要宗旨是“降本擴量”,即降低成本和規?;?。當前電解水制氫的成本明顯高于其他制氫技術,需要在電價、儲運和加注等環節協同降低成本以刺激需求。同時鼓勵符合條件的地區推進風電制氫示范運營,通過示范培育推廣環境,并鼓勵市場參與進來,逐步將政府推動過渡到市場運作為主,不斷擴大風電制氫的市場,實現風電制氫的大規模商業化應用。

          參考資料:

          -國家能源局,風電并網運行情況(2016-2019)

          -《關于完善風力發電上網電價政策的通知》(發改價格[2009]1906號)

          -張麗,陳碩翼.風電制氫技術國內外發展現狀及對策建議[J].科技中國,2020(01):13-16.

          -毛宗強、毛志明,《氫氣生產及熱化學利用》2015. 部分數據來源國內主要電解水制氫制造商。

          -Korpås M, Greiner C J. Opportunities for hydrogen production in connection with wind power in weak grids[J]. Renewable Energy, 2008, 33(6):1199-1208.

          -張憲平,潘磊,馮健. 探索解決大規模風電儲存的新途徑——風電直接制氫及燃料電池發電系統[C]. .-中國農機工業協會風能設備分會《風能產業》(2013年第9期).:中國農業機械工業協會風力機械分會,2013:60-65.

          -《化工(危險化學品)企業保障生產安全十條規定》,國家安全生產監督管理總局,2013年.

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