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应用氢储能技术:解决弃风弃光问题的新思路
来源:kok平台 | 作者:kok平台买球赛hiveyan | 发布时间: 2021-07-14 00:08:06 | 18 次浏览 | 分享到:

  规模最大的国家,并网风电、光伏发电装机容量已突破1.5亿千瓦。然而,弃风、弃光问题依然是制约我国新能源发展的主要瓶颈。造成弃风弃光问题的主要原因在于,我国新能源供应和需求呈逆向分布,80%以上的风能资源分布在“三北”地区,而能源需求集中在东部、中部地区,这就必然会导致新能源消纳矛盾。

  长远看,随着我国可再生能源占比快速增加,可再生能源的大规模存储和消纳显得尤其重要。为寻求解决之道,业界学界纷纷将目光投向储能技术,其中,氢储能技术作为一项前瞻性储能技术正广受关注。

  2014年年初,李克强总理考察德国氢能混合发电项目,指示国内相关部门组织实施氢能利用示范项目。国家能源局指示河北、吉林省加快可再生能源制氢示范工作,将氢储能作为解决弃风、弃光问题的新思路。2015年年初,国家能源局连续印发《国家能源局关于做好2015年度风电并网消纳有关工作的通知》《国家能源局关于在京开展可再生能源清洁供热示范有关要求的通知》《国家能源局综合司关于进一步做好可再生能源发展“十三五”规划编制工作的指导意见》),可再生能源消纳工作迫在眉睫。

  国家电网公司从能源可持续发展和环境保护的角度出发,大力接纳新能源发电,推进能源战略转型。由于新能源发电具有随机性、间歇性等特点,会带来电压波动、频率波动等电能质量问题,必须配合储能系统改善新能源发电的运行特性。

  作为一种清洁、高效、可持续的无碳能源,氢储能是化学储能的延伸,受到了世界各国的关注。它的原料来源取之不尽,电解制氢过程环保且具备可持续性,适合大规模、长时间存储,占地面积小、无污染、与环境兼容性好。同时,氢储能的技术功率、能量可分开优化,储电和发电过程无需分时操作,是一种理想的绿色储能技术。

  如果将氢储能技术用于储能领域,理论上能存储多少氢气/合成气/合成油就能储存多大规模的能量,是仅有的能储存千万千瓦时以上且可维持几周供电的能量储备技术,具有广阔的发展潜力和应用前景。

  此外,氢储能系统的相对独立性和非地域限制等特征,还可应用于分布式发电和微电网、变电所备用电源、工矿企业、商业中心等大型负荷中心应急电源,以及无电地区和通讯基站供电等场合。可以说,氢储能技术是智能电网和可再生能源发电规模化发展的重要支撑,并逐渐成为多个国家能源科技创新和产业支持的焦点。

  目前,欧盟的可再生能源发电发展较快。根据计划,到2020年、2030年、2040年、2050年,欧盟可再生能源发电占总电力的比例将分别达35%、50%、65%、80%,并在2060年最终实现不依赖化石能源的可持续发展。2014年10月,欧盟制定了2030环境与能源框架,提出2030年将比1990年减少40%的温室气体排放,可再生能源供电比例不少于27%,并计划将能源转换效率提高30%。2015年2月,欧洲能源联盟制定了远景气候变化政策,同年9月又制定了一份目标明确的实施计划,主要调研的可利用能源包括工业尾气、氢气及燃料电池等。目前,以德国为首的5个国家都制定了加氢站规划,其中德国计划2018年建设100座加氢站,2020年达400座。预计2020年后欧洲将建成约570座加氢站,为燃料电池汽车配套。

  根据德国的氢能与燃料电池计划,德国目前的发展进度已经大幅提前,原定2020年开始的计划现在已经提上日程。在德国中部和北部,旋转的风机几乎到处可见,北部则建成了世界上最大的风力发电场。在德国南部地区,许多房顶都安装了太阳能发电板。目前,德国的新型储能技术商业化应用已经开始,一些大的能源电力公司都在积极实施各种项目,以期最终实现利用风能等可再生能源大规模制氢,这将是今后大规模利用风能最有前景的技术路线之一。

  日本计划构建一个氢能社会,从家用热电联产到国民用电,最终目标是充分利用氢燃料的热和电。日本制定了氢能的发展路线方面逐步实现氢能社会。首先是家用燃料电池系统和燃料电池车。日本已于2009年实现了家用燃料电池系统的量产,运行寿命超过6万小时,热电联产综合效率达到95%,并可以和电网联网工作。未来5年,日本将致力降低燃料电池成本,降低催化剂使用量,预计2020年燃料电池汽车的价格将不高于混合动力车,燃料电池汽车的补贴将不低于混合动力车。

  第二是氢储能系统和氢产业链。日本政府加快氢储能的研究开发及示范,近期工业燃气巨头岩谷产业降低燃料电池车燃料氢气的价格,推动日本的供氢产业链,保障氢气的供应。2030年,日本计划输送氢气至海外,形成一整套氢能产业链,实现氢储能系统的商业化运营。

  第三是二氧化碳的减排和利用。日本计划2040年实现完全由可再生能源供电的无二氧化碳的氢气供应及二氧化碳的综合利用。针对燃料电池汽车,日本同步开展燃料电池汽车和加氢站推广,目前已完成81个加氢站的建设工作。针对氢存储系统,目标是研发低成本、高可靠性的氢气供应系统,主要的技术路线包括制氢及合成氢化物、氢化物的运输、储存及脱氢等过程。

  近年来,美国氢能和燃料电池的专项拨款不断增加,美国能源部对氢能和燃料电池的研发投入呈增长态势。与2006年相比,目前美国燃料电池的效率可达50%,铂金用量减少了5倍,循环寿命提高2倍,电解槽效率达80%。在燃料电池电动车示范方面,美国已生产超过215辆,建设30座加氢站,建成世界首座热电冷联产氢能源站,目前燃料电池已广泛应用于机场货物拖车、公交大巴、移动照明等场景。

  美国能源局现阶段的主要研究重点是燃料电池系统、加氢站及氢气储存。其中燃料电池系统关注低铂或无铂催化剂、碱性膜等方面,加氢站关注先进的加压替代方法,氢气的储存关注低成本的碳纤维,长寿命材料的技术路线等。

  综上可见,欧洲在氢储能技术发展方面侧重实际应用,其相关政策和交易平台灵活健全,有力支撑技术市场化运营。日本全面打造氢能社会发展理念,以大力发展氢终端用户为突破口,构建完整、成熟的氢供应链,逐步实现全产业链布局。美国在关键技术和市场应用两块都比较重视,燃料电池市场已日渐壮大并开始产生经济效益。氢储能技术发展的国际大环境也将带动国内相关产业发展,刺激技术需求和进步。在电力行业内,有可能率先引发电氢转化、分布式供能及储能等方面的变革。

  我国是世界第一大氢气生产国,自2009年达到1000万吨以来,连续7年居世界第一,预计2016年氢气需求量将达2802万吨。目前我国氢气的生产和大宗消费用户主要集中在石油化工领域,其高增量的氢气需求主要来自于甲醇、炼油厂氢气需要,崛起的煤制油、煤制气产业也将是氢气需求新的增长点。一边是氢气消费量的持续增长,另一边是日益增加的弃风、弃光消纳需求和峰谷电综合利用压力,这种基于可再生能源大规模消纳的水电解制氢技术路线,有望成为电网和制氢行业的共同选择。

  另外,由于城市电网负荷不断加大,峰谷差增加,使电网必须提供足够的旋转备用用量保障供电。分布式氢储能系统可配置于城市电网配电侧,形成城市多点分布式供能,在夏季高温时段提供数小时的高峰用电,有效减少电网的旋转备用容量,优化电力系统的供需配置。同时,随着峰谷电价差的拉大及相关政策跟进,氢储能可利用自身技术优势及高效综合供能特点,逐渐体现经济性。

  独立式氢储能系统还可作为独立的绿色供电系统,可根据负荷需求灵活配置,解决偏远地区的供电问题,节省电网建设投资;另外也可作为城市电力系统的应急供电电源,为抢险救灾、通信维修、突发事件处理、军事作战演习等需要临时使用电能的场所提供可靠电能,替代污染大、寿命短、维护难的传统移动式供电系统,增强电网灵活性和应急性。

  然而,相比欧美日氢储能技术的战略规划及发展,我国的关键技术和示范应用差距较大。在氢储能系统示范应用方面,国内刚刚展开相关建设,主要用于示范新能源汽车和分布式电源。

  我国目前的年碳排放量居世界第一,对清洁替代的需求远超过其他国家。全球能源互联网将形成以清洁能源为主导、以电为中心的格局,能源转化和利用将向高效低碳发展。作为一种柔性的绿色能源载体,氢能是未来能源的主要载体之一,在电力能源体系中将扮演着重要角色。

  但长远来看,目前需解决3类问题。第一是接纳大规模可再生能源发电,解决高压水电解、高效制氢、低成本储氢等关键技术。第二是推进分布式燃料电池并网发电技术。第三是做好能源转化的技术储备,以电制合成油为终极目标分阶段布局,充分利用国内外技术逐步实现可再生能源规模转化示范。只有通过坚持不懈的技术攻关和应用示范,才能实现含氢能源的网络化、规模化应用,实现电网、气网互联互通,为构建全球能源互联网提供技术支撑。