利用风电场弃风实现制氢及氢能综合利用技术方案研究  

利用风电场弃风实现制氢及氢能综合利用技术方案研究  

 ,郭明杰

1  四川省能源投资集团有限责任公司  四川 成都 610000  2四川能投氢能产业投资有限公司

摘要：风能属于一类具有再生性的清洁能源，随着近些年人们对环保、能源消耗等方面的日渐关注，风能在我国的发展获得了广阔的空间，结合相关数据资料来看，我国风电装机容量每年也正在以十分快的速度增长。但是随着风电发展脚步的持续加快，一些地区在此背景下却开始出现风电消纳障碍，限电弃风的情况逐渐增多。处于对这一情况的考虑，本篇文章主要分析风电制氢以及氢能再发电的相关情况，希望能够探索出风电消纳的创新型方式，以便于改善绿色能源利用效率，为后续普及应用提供启发性的帮助。

关键词：风电场；氢能；再发电技术

现如今，弃风消纳问题已经引起了国内以及国外众多研究学者的关注，他们就此问题也展开了一系列的分析研究，现如今，借助于弃风蓄热抽水蓄能等形式所创建的试点项目也正在逐步推进中。氢气属于清洁二次能源，其不但具有较高的能量密度，在储存以及运输方面也表现出良好的便捷性，借助风电场弃风制氢的方式，可以促使氢能达到长时间存储的目的。国外相关研究人员针对于风氢耦合系统控制策略展开了相应的探究，并且基于制氢的方面入手，重点分析了风电如何能够达到制氢要求以及获取的氢气怎样利用等问题，这和我国的研究角度等有着一定的不同。现如今，我国在研究领域主要关注的是风电制氢项目的可行性分析、经济性分析以及如何推进等，但是关于风电场应配置的制氢系统容量方面的研究比较稀缺，对此，需要在后续研究中多加考虑。

一、风电场发展情况简析

基于我国电网系统发展的背景下，对当前的电网体系展开深入分析。风电是电网电源的重要动力源头，受到我国五位一体战略布局的影响，环保问题日渐得到关注。从环保、节能的角度展开分析，应用风电能源可以促使电力生产环节降低能耗，并且可以促使电力生产过程中产生的毒害物质减少，对环境造成的伤害程度会持续性地减弱。随着我国社会建设发展步伐的不断加快，风电并网将会产生重要价值。

对于我国而言，在以往很长一段时期内，我们生产电力的主要来源都是煤炭发电，风力发电是近些年在发电方面产生的一种新型方式。风电机组技术在中国的应用以及普及时间还比较短，对于一些地区而言，其开展的风电场项目虽然已经能够实现电源供给以及产能维持这两方面的功能，但是其尚不能使得高效率产业在产能需求方面获得满足。对于风电场而言，其在正式开始运行前，必然需要完成基础的建设性任务，这一阶段将会产生较多的资金投入。开展风电场建设工作期间，必须要兼顾到主客观因素对建设工作带来的一系列影响。例如自然灾害的出现会致使风电场工作开展期间遭受阻碍，或者在施工阶段产生重大突发事故，也会致使风电场的建设进度以及实际运行遭受不良影响，进而难以按照预期目标完成建设任务，甚至还会产生建设质量不过关等诸多问题。

二、制氢方案研究

针对于风电制氢、氢能利用等方面，在风电场的支持下，电网若是处在发电高峰但是用电低谷的情况下，则借助于风场过剩风力“弃电”或者谷电，基于电解水技术的帮助下完成氢气的制备工作。对于制备而来的氢气而言，其通常需要借助于两种途径完成氢能利用的目的：首先第一条途径是在风电场配置燃料电池发电系统，当遇到电力需求高峰时段时，借助于这一发电系统，可以促使氢气中存在的化学能通过相应的转化进而变为具有稳定性的电能，同时将产生的电能输送至电网。采用这种途径，不仅可以实现对氢气的合理利用，而且还可以保障电能可以通过稳定、灵活的形式进行输出，有利于消纳负荷，对于改善电能质量具有十分不错的效果，可以充分保障可再生能源的高效运用；第二条途径是利用风电场产生以及存储的氢气，将之利用压缩机进行压缩处理后，再将其运输至加氢站，在这里进行多级高压压缩，以便于完成高密度存储的目的。氢气的存储依靠于加氢站加注系统，可以为氢燃料电池汽车供应稳定可靠的燃料。这种方式可以将弃风制备的氢能源运用于交通方面，从而促使风电消纳途径得到深度拓展，以便于打通绿色能源利用链路。

三、风电制氢及氢能综合利用方案研究

氢气的制备工作开展期间所用到的装置主要涉及到电解槽和其附属装置。在明确电解槽电耗量的基础上，电解槽制氢效率可以表述如下：

式中，△E代表的是在标准气压的条件下制备单位体积的氢气换算至电能后的数值。g代表的是制氢电耗量。

（一）弃风电力的统计模型

以某风电场为例，分析年弃风状况并结合例数数据勾勒出对应的弃风电力持续曲线，将和目标相似的3~5年历史弃风电力持续曲线作为研究对象，借助区间拟合法开展预估工作。拟合模型如下式：

式中，Fu(tj)代表的是待拟合的区间上限曲线函数；Fd(tj)代表的是待拟合的区间下限曲线函数；Fi(ti)代表的是i历史年在tj时段的弃风电力；A代表的是历史年集合；Ta代表的是历史年弃风时段数集合。

设定某风电场3年历史弃风电力数据为样本，联合公式（2）（3）预估年弃风电力持续曲线的变化区间，如图1所示。

图1 有效时段内弃风电力持续曲线的变化区间

（二）风电制氢

在风能发电方面，基于AC/AD转化技术的支持下进行整流变压，在此之后将产生的电能转变为电解槽可以直接使用的电能，电解槽需要利用到碱性电解水技术。分析一示例，某个50MW风电场每年发电时间大概为2600个小时，其弃风比通常在3%至6%之间，配置制氢功率可以按照5%来加以分析，（在此需要注意，以往风电场建设期间因为受到我国政策方面的影响，所以其规模通常不大于50MW，受到这一情况的影响，后续风电场的建设容量通常都是这一容量的整数倍；据调查，在2019年期间，我国平均弃风率能够达到4%左右的水平，而经分析，弃风率在该水平左右的地区，发电时间通常不低于2400小时且不高于2800小时，将这一条件作为示例，和平均值水平较为接近，并且也比较容易统计超过50MW容量的风电场的相关投资数据）。制氢系统选用的设备为500Nm3/h，通过制备流程生产出氢气后，这部分氢气还需要历经汽水分离、提纯等环节，此时其纯度能够达到99.99%的水平，从燃料电池的应用需求的角度分析，这一纯度完全合格，另外，这些氢气的存储需要利用到低压储罐。

若是风电场以及燃料电池均出现电力供应不足的问题，则在这种情况下，需要借助于电网进行取电，从而确保制氢流程能够顺利推进。风电场在开展制氢工作时，需要利用两台低压储罐来完成氢气的存储工作，其存储压力设定为1.55兆帕，每台储罐的容量设定为5000Nm3。两台储罐分别用在燃料电池发电和氢能车辆方面。

（三）氢能再发电

借助于风电场弃风时生产的氢气，需要先将其置于低压储罐中，若是本地区的电网需要利用风电场进行电力供应时，则可以将用于燃料电池发电的储罐下游调节阀开启，然后向电池系统进行氢气传送，燃料电池选择100kWPEM燃料电池发电模块，氢气需要经过一系列的转化进而变为电能进行输出，模块数量设定为十台，装机总容量设定为1000KW，在燃料电池中存储的电能会在逆变器、变压器等装置的作用下完成转化，从而变为电网可以接受的稳定电能，然后再进行输出，这样便可以完成电能的并网供应。

这种氢能发电法案的应用可以展现出如下优越性：若是风电场的发电功率骤然出现下降的情况，则燃料电池可以即时开启，这样可以为电网预留出一定的时间进行调整，从而确保风电场输出的稳定、连续性。

（四）储氢、运氢、加氢及氢能交通使用方案

对于用于供应氢能汽车的低压储罐而言，其借助于500Nm3/h的中压压缩机可以将压力调整至20兆帕，同时可以酱紫输送至气瓶拖车中。这种拖车的作用主要是输送氢气，计价为每公里五十元左右，每部拖车上都置放了八个高压储气瓶，其直径规格、长度以及工作压力分别为0.6米、11米以及20兆帕。其容重的氢气储备容量约为4500Nm3。将氢气输送到加氢站后，需要借助高压压缩机将之压缩到高压储罐，高压储罐分为两台，每台容量均为2500Nm3。拖车气瓶可以视作低压氢气存储容器，将其置于加氢站。氢能汽车在加氢站加氢期间，以汽车所剩氢气压力为参考标准，合理选择利用气瓶或者高压储罐进行加氢。

四、工程实施

工程实施环节主要可以划分为三个部分：

首先，需要完成工程选址工作，需要于存在弃风情况的风电场中进行合理筛选，测算风电场年弃风情况。

其次，需要分析考虑制氢设备的容量规格以及投入资金问题，借助于技术经济对比的方式明确制氢规模。

再者，进入项目建设阶段，在升压站周围合适的地方建造一座制氢站，然后将35千伏的电缆和升压站的开关柜进行对接，设置这一线路的作用是给制氢站电量进行供电，并且同时也是在氢能再发电时，将产生的电能输送到电网中。另外，对于制氢站而言，其所产生的氢气能够放置在低压储罐中，然后借助于专业的运输工具可以将其放置在加氢站进行售卖。

五、投资研究

本次研究期间，主要针对于50MW容量的风电场弃风量展开分析，与之相对应的整套系统的相关投资情况可以汇总为表1。

总结

本文的主要研究工作是围绕风电场弃风实现制氢及氢能再发电技术所展开的，借助于对本文相关方案的研究分析，可以促使我国现今多区域的弃风限电问题得到妥善解决，能够使得风电消纳途径得到有效拓展，可以更好地达成绿色能源利用链路，以便于确保风电场的电能可以通过平滑连续的形式向电网输送，可以从最大程度上利用好有限的资源，达成利润最大化的目标。接下来，可以从风、光结合的角度展开研究分析，从而切实实现新能源一体化项目的建设任务，为早日达成碳中和开启新征途。

参考文献：

[1]王可岩,王作函.双碳目标下燃料电池汽车发展现状与趋势[J].商用汽车.2021,(8).

[2]秦朝葵,谢依桐.氢能：城市燃气行业的挑战与机遇第一部分氢能发展大观：制氢技术、氢能输送、氢能应用[J].城市燃气.2020,(10).

[3]丁瑶瑶.专访国家燃料电池汽车及动力系统工程技术研究中心副主任马天才最先实现氢燃料电池产业化的一定是中国[J].环境经济.2021,(16).29-33,28.