氢能在调节可再生能源发电波动性上的应用

氢能在调节可再生能源发电波动性上的应用

贾文豪 

河北华电石家庄鹿华热电有限公司  河北石家庄  050200

摘要：我国正处于能源转型的关键时期，可再生能源得到了高质量跃升式发展，由于可再生能源发电存在波动性，导致可再生能源得不到充分利用，存在大量弃光、弃风、弃水现象，氢能作为集中式可再生能源大规模长周期储能的最佳能源，不仅可以解决低谷期大规模可再生能源的消纳问题，更重要的是它可以提高电网在能源汇集传输和转换利用的配置枢纽作用，构建新的低碳能源体系。本文通过探索可再生能源与氢能耦合的关键技术，研究氢能在调节可再生能源波动性上的应用与氢能、电能和热能多系统融合的展望。

关键字：可再生能源  储能  氢能 发电波动性

目前，我国正处于能源转型的关键时期，随着碳达峰、碳中和的提出，以化石能源为主的传统经济发展模式正在逐步发生变革。其中大力推广风能、水能及太阳能等低碳或零碳的可再生能源是推动经济社会全面绿色低碳转型重要手段。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》在“十四五”时期氢能产业创新应用示范工程专栏中指出，要在可再生能源丰富地区，开展集中式可再生能源制氢示范工程，探索氢储能与波动性可再生能源发电协同运行的商业化运营模式[1]。

1.我国可再生能源发电的发展形势

面对国际能源形势的压力，以及国内能源形势变革的迫切要求，党中央高瞻远瞩、审时度势，明确提出要深入推动能源革命，为新时代我国能源高质量发展指明了方向、开辟了道路。通过不断深入推进能源革命，我国从能源大国向建设能源强国转变，能源生产和消费方式实现了清洁、低碳、安全、高效的历史性变革，步入高质量发展的新征程[2]。

2021年锚定碳达峰碳中和目标任务，可再生能源得到了高质量跃升式发展，建成了全球最大的清洁煤电供应体系，可再生能源装机容量跃居世界第一，为“十四五”打下良好开局。截止到2021年底我国可再生能源装机规模达到10.63亿千瓦，占总发电装机容量的44.8%。其中水电装机3.91亿千瓦，风电装机3.28亿千瓦，海上风电装机跃居世界第一，风电、光伏发电装机均突破3亿千瓦。

2.可再生能源发电波动性

随着大力发展可再生能源，可再生能源的装机占比逐年提高，由于可再生能源发电存在波动性，导致可再生能源得不到充分利用，2021年弃水电量约281亿千瓦时、弃风电量约202亿千瓦时、弃光电量约65亿千瓦时。

电力系统的灵活性包括：供给侧灵活性、需求侧灵活性、电网调节灵活性及储能灵活性。近几十年来，常规电厂在供给侧灵活性上已取得重要发展，电网可以根据需求侧的用电需求调整电厂的发电量。而风能、水能、太阳能等可再生能源在供给侧的灵活性较差，其电力供给具有很强的波动性，供给侧与需求侧很难达到动态平衡。当需求侧的用电需求较低时，就存在很明显的弃光、弃水与弃风现象；当需求侧的用电需求较高时，其电力供给就显得不足。

可再生能源发电的波动性给电网运营商带来了巨大的挑战，再加上极端天气的影响，对间歇性可再生能源的稳定性输出提出了更高的要求，这要求电网运营商必须不断平衡供需。随着可再生能源占比的不断提升，这个挑战将愈发严峻。如何解决供需不平衡以及提高能源利用率是关键。目前提出了两种方法：一种方法是需求管理，即找到一种方法，使得人们对能源的需求随着能源供应量的增减而增减，目前这种方能仍在探讨中，但以需求来适应供给是很难大范围推广的；另一种方法是储能，即储存需求低迷时过剩的能源，以便在需求高峰期使用，这种方式很好的解决了可再生能源的波动性问题[3]。

3.长期储能方式

储能是通过装置或物理介质将能量储存起来以便在需求高峰期使用的技术。储能技术按照储能方式进行分类，分为物理储能、电气储能、化学储能以及热储能。在可再生能源发电系统中，储能主要应用在电力调峰及调节发电波动性中，低储高发，减少网络损耗，提高经济效益。

长期储能指能够在额定输出下放电10小时及以上的长时间储能系统[5]。在调节可再生能源波动性上，短期小规模储能不能满足其调节需求，随着可再生能源占比不断提升，长期大规模储能调节好可再生能源不稳定性的问题。拥有较长放电时间且规模较大的储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能及氢储能[4]。

3.1抽水蓄能

抽水蓄能是目前装机容量最大的储能技术，放电时间能达到天级。抽水蓄能的基本原理是在电网低谷时利用水力发电剩余电力将水从较低高度的水库输送到较高高度的水库储存起来；在电网峰荷时，将在较高高度的水回流到较低高度的水库，从而将水的势能利用水轮发电机转换为电能。目前，随着抽水蓄能技术的不断升级，其系统储存的能量除了从水力发电中获得，还可以使用风力涡轮或太阳能直接驱动水泵工作，不仅能更好的实现能量的有效利用，发展综合能源；还能很好地解决可再生能源波动性的问题。

抽水蓄能的优点：

（1）可以大规模集中式进行能量储存，具有日调节能力，从而进行电网的能量管理和调峰；

（2）能量转化效率较高，一般在65%~75%之间，最高达80%~85%；

（3）负荷响应速度快，从全停到满载发电约5分钟，从全停到满载抽水约1分钟。

抽水蓄能的缺点：

（1）需要上池与下池，厂址选择依赖地理条件；

（2）与负荷中心距离较远，需远距离输电。

3.2压缩空气储能

压缩空气储能是以空气作为能量载体的一种储能方式，放电时间能达到天级。它的基本原理是在用电低谷时将空气压缩到大型储藏空间内；在电网峰荷时将压缩空气送入燃气轮机的燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气，然后再进入到燃汽轮机中膨胀做功，将化学能通过燃气轮机转化为电能。

压缩空气储能的优点：

（1）能提高燃气轮机效率，使用该压缩空气，在同等燃料下，燃气轮机能够产生三倍的电能；

（2）负荷响应速度快，能够频繁起停；

（3）适用于大规模风电场，风能产生的机械功能够直接驱动压缩机旋转，减少中间能量转换的环节，提高能量利用率。

压缩空气储能的缺点：

（1）需要大的容器储存压缩空气，地理环境要求高，地点有限；

（2）需要燃气轮机配合，投资大；

（3）储存容器要求高，有热能损耗。

3.3氢储能

氢储能是化学储能中最受关注的一种储能方式，且其放电时间能达到月级。氢气是一种低碳能源，如果将其与可再生能源相结合，氢储能将达到二氧化碳的低排放甚至零排放。氢储能的基本原理是在用电低谷时通过电解水的方式制取氢气，并将其储存起来；在电网峰荷时将氢气通过燃料电池发电的方式转换为电能进行利用。通过可再生能源电解水制取氢气，一方面可以将多余的能源进行消纳利用，并转化为氢能储存起来，实现了能源的储存与转换；另一方面将在制取氢气的过程中实现零碳排放，为助力“碳中和、碳达峰”提供了路径。

氢储能的优点：

（1）氢能能够大容量长时间的进行存储，且固定式规模化的储氢成本较其它储能方式低很多；

（2）储存与运输具有灵活性且成本较低；

氢储能的缺点：

（1）能量转换率较低，制氢效率在70%左右，发电效率在60%左右，两次转换使得能量利用率低下；

（2）燃料电池的成本较高。

氢能被认为是集中式可再生能源大规模长周期储能的最佳途径。氢储能相比于其余两种储能方式，其更适用于大规模、长周期储存，不仅可以解决低谷期大规模可再生能源的消纳问题，更重要的是它可以提高电网在能源汇集传输和转换利用的配置枢纽作用，构建新的低碳能源体系[5]。但我国在氢能的应用上还处于初级探索阶段，氢能利用在能量转换率及成本上还有待提高，可再生能源与氢能的耦合也需要创新与突破。

4可再生能源与氢能耦合的关键技术

在“碳中和、碳达峰”的背景下，可再生能源日益成为能源利用主体，也是推动我国经济绿色高效发展的重要途径，但可再生能源的发展仍面临诸多挑战与问题。可再生能源发电具有间歇性问题，其运行受环境与气候影响较大，发电并网波动性较大，与电网的适应能力较差，导致在低谷时存在弃水、弃风与弃光现象；可再生能源主要集中在我国的中西部地区，而中西部地区电力使用量较低，无法完全消纳可再生能源所发电量，因此如何解决剩余电量的输送消纳问题成为关键。目前主流的储能方式难以满足复杂状态下的调节需求。氢能具有来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染和可规模化发展的优势，通过电转气、气转电的模式，能够实现能源的储存、转换与利用。可再生能源与氢能耦合技术的创新与突破是解决可再生能源发电和氢能综合利用的有效途径。氢能的综合利用如下图4-1所示。

图4-1氢能的综合利用

4.1可再生能源电解水制氢

制氢的方式有很多，目前制氢的技术路线主要分为化石燃料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢与电解水制氢，其中化石燃料制氢、化工原料制氢和工业尾气制氢技术成熟但环保性较差，不符合我国绿色低碳的发展模式。电解水制氢属于无碳制氢方式，但由于技术的限制，其电量消耗过大，使其成本远高于其它制氢方式。

从技术层面上，电解水技术的主要类型有碱性水电解、固体氧化物电解和质子交换膜电解。碱性水电解技术经过近几十年的发展历程已进入成熟的工业应用阶段，但其电解质隔膜为30%KOH石棉膜存在环保隐患，且制氢过程中需要控制压差，产生的氢气需要脱碱处理。碱性水电解技术目前仅适用于解决近期可再生能源的消纳。固体氧化物电解技术目前仅在实验开发阶段，采用水蒸气电解，工作温度在800℃以上，理论上能效最高，其进展与应用情况取决于相关材料技术的突破情况。质子交换膜水电解技术起步晚但发展迅速，并以制氢效率高、响应速度快、占地面积小、无污染等特点成为制氢领域最有投入实际应用潜力的电解水技术之一，目前容量已发展到兆瓦级。高度动态的质子交换膜技术与发电波动性较大的风能、水能、太阳能等可再生资源具有良好的匹配性，形成动态、高效及清洁的氢气制备工艺，将电能转化为氢能高效储存实现未来全球能源脱碳。通过降低电力成本是降低电解水制氢成本的主要途径。

（1）利用可再生能源，降低发电成本。充分利用可再生能源在用电低谷时的弃水、弃风、弃光导致的弃电。在可再生能源较丰富且电力使用量较低的中西部地区建立制氢装置不仅可提高可再生能源利用率，还可降低电解水制氢成本，符合我国经济绿色低碳发展形势

[6]；在加大可再生能源的利用与推广的同时，通过可再生能源转化技术逐步降低可再生能源的发电成本。目前可再生能源发电已实现平价上网，未来风电与光伏发电等可再生能源发电成本会逐步降低，其电价优势与低碳优势更为明显。

（2）降低催化剂成本，提高催化剂效率。开发高性能且低成本的非贵金属催化剂或过度金属催化剂。利用廉价且储量丰富的过渡金属催化剂代替贵金属催化成为科研重点研究方向。将过渡金属与非金属复合以提高催化剂性能已取得重要突破，并开发了过渡金属硫化物、磷化物、氮化物等一系列典型的过渡金属电催化剂。但其催化性能与贵金属催化剂还有一定的差距，其未来的开发重点主要在优化催化剂结构、调控活性位点等方向上。

4.2氢能的储运

目前，氢能储运技术主要分为高压气氢储运、低温液氢储运、固体材料氢能储运、有机液氢储运以及天然气掺氢管道输送。高压气氢储运运营成本低、能耗相对小、氢气充放响应速度快，适用于短距离、用户分散场合，是目前运用最普遍的储运方式，但对设备承压要求高、单位体积储氢密度低、安全性较低。低温液氢储运储氢能量密度高（密度约为气态氢的845倍）、运输效率高，适用于中远距离输送，主要作为航空运载火箭推进剂燃料，对储氢装置真空绝热、减振抗冲击、防泄漏性能要求高，且深冷液化存在大量耗、成本较高。固氢及有机液氢储运一般较为安全、高效、储氢密度高、可循环性好，但对储氢材料性能要求较高，是未来氢能储运的重要研究方向。天然气掺氢管道输送运输成本低、能耗小，可实现氢能连续性、规模化、长距离输送，是未来氢能大规模利用的必然发展趋势[7]。

未来应逐步构建储运体系，以安全可控为前提，积极推进技术材料工艺创新，支持开展多种储运方式的探索和实践。提高高压气态储运效率，加快降低储运成本，有效提升高压气态储运商业化水平。推动低温液氢储运产业化应用，探索固态及有机液体等储运方式应用。开展掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范。逐步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。

4.3氢能转化为电能

燃料电池是通过电化学反应把燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置的统称。燃料电池内部反应过程的本质是氧化还原反应，燃料通过阳极侧进入，空气或氧气通过阴极侧进入，二者在电解质两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子流经外电路做功，从而产生电能。因为燃料电池的这种能量转换方式不用经过热机过程，不被卡诺循环约束，所以能量转换效率很高（理论效率接近83%）。且无污染、无噪音、适用广等优势，是当今世界发展最快、环境效益最佳的氢能利用途径。

5氢能与可再生能源耦合的展望

发挥氢能调节周期长、储能容量大的优势，开展氢储能在可再生能源消纳、电网调峰等应用场景的示范，探索培育“风光发电+氢储能”一体化应用新模式，逐步形成抽水蓄能、电化学储能、氢储能等多种储能技术相互融合的电力系统储能体系。探索氢能跨能源网络协同优化潜力，促进电能、热能、燃料等异质能源之间的互联互通。推动氢能、电能和热能系统融合，促进形成多元互补融合的现代能源供应体系。

参考文献

[1]佚名. 氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)(摘选)[J]. 电力科技与环保, 2022, 38(2):1.

[2]林冬. 浅谈我国可再生能源发展现状及对策研究[J]. 中国工程咨询, 2022(3):5.

[3]李佳琦. 储能技术发展综述[J]. 电子测试, 2015.

[4]晏春编译. 长期储能技术的发展将促进可再生能源增长[J]. 国际工程与劳务, 2021(11):2.

[5]陈蔼峻. 氢储能技术特点和应用展望[J]. 中国高新科技, 2021(19):2.

[6]郭博文, 罗聃, 周红军. 可再生能源电解制氢技术及催化剂的研究进展[J]. 化工进展, 2021, 40(6):19.

[7]殷卓成, 杨高, 刘怀,等. 氢能储运关键技术研究现状及前景分析[J]. 现代化工, 2021, 41(11):5.