氫儲能：解決“棄風(fēng)棄光”問(wèn)題的新思路

氫儲能，是近兩年受德國等歐洲國家氫能綜合利用后提出的新概念。“十二五”以前沒(méi)有立項，支持項目也是以制氫、發(fā)電、儲氫等過(guò)程單獨資助的，但“十三五”期間該概念已經(jīng)列入國家電網(wǎng)公司規劃。氫儲能技術(shù)被認為是智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規?；l(fā)展的重要支撐，并日趨成為多個(gè)國家能源科技創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點(diǎn)。

大力發(fā)展氫儲能技術(shù)，重點(diǎn)突破電氫兩種能量載體之間的高效轉化、低成本大規模存儲和綜合高效利用等關(guān)鍵技術(shù)，解決新能源波動(dòng)性制氫、電網(wǎng)與管網(wǎng)絡(luò )互連互通和協(xié)調控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現能源網(wǎng)絡(luò )化大規模存儲，實(shí)現高效率、低成本的儲能技術(shù)規?；瘧?。為構建配置能力強、安全可靠性高、綠色低碳的全球能源互聯(lián)網(wǎng)提供技術(shù)支撐。

解決“棄風(fēng)”、“棄光”問(wèn)題的新思路

隨著(zhù)我國可再生能源發(fā)電比例的快速增大(據國家發(fā)展改革委能源研究所最新預測：2030年中國電力結構中可再生能源發(fā)電比例將從2015年的24%擴大到53%)，同時(shí)也存在發(fā)電和負荷中心在地理上的布局不均(風(fēng)能陸上資源的80%-90%在“三北”地區,太陽(yáng)能資源好的地方也在西部和北部,而用能中心位于中、東部)，考慮到日益緊迫的環(huán)保壓力和化石能源束縛，這些都迫使我國將目光聚焦到可再生能源的產(chǎn)生、存儲和消納上，2014年初，李克強總理考察了德國氫能混合發(fā)電項目，特別指示國內相關(guān)部門(mén)組織實(shí)施氫能利用示范項目。國家能源局已指示河北、吉林省加快可再生能源制氫示范工作，將氫儲能列為解決“棄風(fēng)”、“棄光”問(wèn)題的新思路。2015年初的兩個(gè)月內，國家能源局再次連續下發(fā)與風(fēng)電的消納有關(guān)通知(《國家能源局關(guān)于做好2015年度風(fēng)電并網(wǎng)消納有關(guān)工作的通知》、《國家能源局關(guān)于在京開(kāi)展可再生能源清潔供熱示范有關(guān)要求的通知》、《國家能源局綜合司關(guān)于進(jìn)一步做好可再生能源發(fā)展“十三五”規劃編制工作的指導意見(jiàn)》)，可再生能源消納工作迫在眉睫。

為此，國家電網(wǎng)公司也已開(kāi)展氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應用前期研究，積極建設氫儲能系統實(shí)驗研究平臺，突破波動(dòng)性新能源電解制氫技術(shù)的適應性問(wèn)題，具備氫儲能系統效率測試能力，為日后大規?？稍偕茉粗茪涞年P(guān)鍵技術(shù)研究及應用提供理論基礎。

氫儲能可看作是一種化學(xué)儲能的延伸，其基本原理就是將水電解得到氫氣和氧氣。以風(fēng)電制氫儲能技術(shù)為例，其核心思想是當風(fēng)電充足但無(wú)法上網(wǎng)、需要棄風(fēng)時(shí),利用風(fēng)電將水電解制成氫氣(和氧氣),將氫氣儲存起來(lái);當需要電能時(shí),將儲存的氫氣通過(guò)不同方式(內燃機、燃料電池或其他方式)轉換為電能輸送上網(wǎng)。

通常所指的氫儲能系統是電-氫-電的循環(huán)，且不同于常規的鋰電池、鉛酸電池。其前端的電解水環(huán)節，多以功率(kW)計算容量，代表著(zhù)氫儲能系統的“充電”功率;后端的燃料電池環(huán)節，也以功率(kW)計算容量，代表著(zhù)氫儲能系統的“放電”功率;中間的儲氫環(huán)節，多以氫氣的體積(標準立方米Nm3)計算容量，如換算成電能容量，1Nm3氫氣大約可產(chǎn)生1.25kWh電能，儲氫環(huán)節的容量大小決定了氫儲能系統可持續“充電”或“放電”的時(shí)長(cháng)，所以如果想增加電能的儲存容量，加大儲氫罐的體積或壓力即可。如果將氫儲能技術(shù)用于儲能領(lǐng)域(如圖1)：

理論上能夠存儲多少氫氣/合成氣/合成油就能儲存多大規模的能量，是僅有的能夠儲存百GWh以上且可維持幾周供電的能量?jì)浼夹g(shù)方式，具有廣闊的發(fā)展潛力和應用前景，需從資源開(kāi)發(fā)的角度，加大開(kāi)發(fā)和利用。

歐、美、日都制定了氫能發(fā)展戰略和詳細的計劃

目前歐、美、日等都制定了氫能發(fā)展戰略和詳細的計劃，并在迅速而有步驟地推進(jìn)，已經(jīng)取得了積極成果。歐盟目前的可再生能源發(fā)電發(fā)展較快，歐盟計劃在2020年、2030年、2040年、2050年可再生能源發(fā)電占總電力的比例分別達到35%、50%、65%、80%，并在2060年最終完全實(shí)現不依賴(lài)化石能源的可持續發(fā)展。而實(shí)現不依賴(lài)化石能源的可持續發(fā)展這一目標的其中重要一環(huán)就是實(shí)現Power-to-Gas(P2G)技術(shù)路線(xiàn)，即把可再生能源以氫氣或甲烷等方式大規模儲存起來(lái)并加以應用。根據德國制定的《氫能與燃料電池計劃》中的“氫的生產(chǎn)和配送”部分分析，德國目前的發(fā)展進(jìn)度已經(jīng)大大提前，原定2020年開(kāi)始的計劃現在就已經(jīng)初露端倪。

德國一些大型能源電力公司，如EON和ENERTRAG等都在政府的宏觀(guān)指導和具體支持下積極實(shí)施P2G項目，以期最終實(shí)現利用風(fēng)能等可再生能源的大規模制氫，這將是今后大規模利用風(fēng)能最有前景的技術(shù)路線(xiàn)之一。下一步德國計劃開(kāi)展更大規模的20-50MW風(fēng)力發(fā)電制氫的P2G示范項目，為未來(lái)的氫能源經(jīng)濟培育基礎。

日本可能是世界上最接近氫社會(huì )的國家。這并不單單是因為燃料電池汽車(chē)(FCV)的產(chǎn)業(yè)化，而是因為全世界燃料電池進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)的國家只有日本。2009年，家用燃料電池“ENE-FARM”的上市在全球開(kāi)了先河。這種電池利用煤氣和煤油提取氫氣，注入燃料電池中發(fā)電。發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的廢熱用來(lái)燒水、泡澡和地暖使用，能源效率超過(guò)9成。ENEFARM的主機由松下和東芝制造，通過(guò)東京瓦斯、大阪燃氣、吉坤日礦日石能源等公司銷(xiāo)售。東日本大地震發(fā)生后，受到電力短缺的推動(dòng)，以首都圈為中心，其銷(xiāo)量一路攀升。截至2015年1月底，松下在日本全國已累計出貨約5.2萬(wàn)臺ENE-FARM。

目前國內僅有四所35MPa加氫站

在氫儲能系統示范應用方面，我國剛剛開(kāi)展相關(guān)建設，在氫儲能系統關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節的氫燃料電池和加氫站方面有示范工程建設，主要用于示范新能源汽車(chē)和分布式電源。如目前國內僅有四所35MPa加氫站，分別位于北京、上海、河南鄭州和廣東，而70MPa加氫站正在大連建設當中。

現階段風(fēng)電耦合項目發(fā)展主要有三項：

一是中國節能環(huán)保集團公司于2014年4月啟動(dòng)了國家863項目“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統技術(shù)研究與示范”，該項目在中節能風(fēng)電公司張北分公司建設風(fēng)電場(chǎng)，制氫功率為100kW，燃料電池發(fā)電為30kW;

二是中德合作的示范項目，由河北建投新能源有限公司投資，聯(lián)合德國McPhy、Encon等公司，在河北沽源投建10MW電解水制氫系統，配合200MW風(fēng)電場(chǎng)制氫，該項目已于2015年4月開(kāi)工建設，項目建成后，可形成年制氫1752萬(wàn)標準立方米的生產(chǎn)能力，成為我國目前最大的風(fēng)電制氫示范項目;

三是金風(fēng)科技在吉林獲批的風(fēng)電裝機100MW，氫儲能容量10MW的項目。

國家電網(wǎng)公司也開(kāi)展了相關(guān)項目的立項和研究，如國網(wǎng)上海市電力公司于2009年承擔了“風(fēng)光電結合海水制氫技術(shù)前期研究”項目，對風(fēng)電、光電制氫提出了多種應用方案，并以東海風(fēng)電場(chǎng)為例，開(kāi)展了風(fēng)、光電制氫的綜合效益評價(jià);國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院也于2014年10月啟動(dòng)了“氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應用研究”，初步具備氫儲能系統試驗能力。

解決能源資源危機和環(huán)境危機的最佳途徑

隨著(zhù)可再生能源的飛速發(fā)展，開(kāi)拓消納市場(chǎng)已趨緊迫，如不斷增長(cháng)的裝機容量已給風(fēng)電消納帶來(lái)持續壓力，從中電聯(lián)獲悉，截至2015年2月底，并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量首次突破1億千瓦，達到10004萬(wàn)千瓦，繼續穩居我國第三大發(fā)電類(lèi)型和世界風(fēng)電裝機首位。全國31個(gè)省份均有并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)，其中內蒙古、甘肅并網(wǎng)風(fēng)電裝機容量分別達到2125萬(wàn)千瓦和1053萬(wàn)千瓦，河北、新疆、山東和遼寧超過(guò)500萬(wàn)千瓦。對國網(wǎng)遼寧省電力公司、國網(wǎng)甘肅省電力公司而言，有待采用高效的SPE電解路線(xiàn)，瞄準規?；茪浞较?，積極開(kāi)拓風(fēng)電消納市場(chǎng)，將富余的風(fēng)電、光伏等波動(dòng)性新能源通過(guò)高效電解制氫的方式轉換成氫氣存儲起來(lái)，直接通過(guò)燃料電池發(fā)電為負荷供電，或將氫氣輸送至附近的化工企業(yè)，進(jìn)入氫產(chǎn)業(yè)鏈，或生成合成燃料，均可有效解決波動(dòng)性新能源的消納問(wèn)題。

偏遠地區或海島的自然資源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等一般較為豐富，但電力供應不足。通過(guò)高效清潔的SPE電解制氫技術(shù)制取高純氫氣，并存儲起來(lái);在可再生能源發(fā)電不足時(shí)，通過(guò)氫燃料電池發(fā)電為負載供電，形成一套微電網(wǎng)系統，實(shí)現偏遠地區的獨立供電。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)將形成以清潔能源為主導、以電為中心的格局，能源轉化和利用將面向高效化、低碳化發(fā)展。氫能是一種柔性的“綠色”能源載體，可以一次性獲得并可以長(cháng)期儲存，可以通過(guò)氫能燃料電池的技術(shù)整合成為電、熱、氣網(wǎng)一體化的結合點(diǎn)，是大規模消納新能源，實(shí)現電網(wǎng)和氣網(wǎng)互聯(lián)互通的重要手段，被認為是同時(shí)解決能源資源危機和環(huán)境危機的最佳途徑。與之相關(guān)的氫儲能技術(shù)將成為國內外大型能源公司重點(diǎn)發(fā)展的戰略性?xún)浼夹g(shù)，逐步實(shí)現規?；瘧?。預計在2020年全球氫總儲量達到1億m3，功率總量達100MW，2030年全球氫總儲量達到400億m3，功率總量達10萬(wàn)MW，2050年時(shí)全球氫能實(shí)現真正普及。

基于氫儲能技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)本身的角色可依靠氫能的節點(diǎn)作用實(shí)現從電能供應商到全球能源供應商的轉變與提升，主要管理能源接口。