我國是一個風(fēng)能資源十分豐富的國家，風(fēng)電是我國第二大可再生能源電力。但由于風(fēng)電裝機量快速擴張，電網(wǎng)配套設(shè)施建設(shè)滯后于風(fēng)電裝機量，從2010年我國開始出現(xiàn)明顯的棄風(fēng)限電現(xiàn)象。為應(yīng)對風(fēng)電場棄風(fēng)限電現(xiàn)象，在完善風(fēng)電規(guī)劃、健全市場運行機制以降低并網(wǎng)難度之外，提出了風(fēng)電制氫的新型儲能技術(shù)，以消納部分地區(qū)的風(fēng)能資源，提高風(fēng)能的利用率。近年來，我國開始關(guān)注和重視風(fēng)電制氫技術(shù)，已經(jīng)在多個地方開展風(fēng)電制氫示范項目。未來隨著風(fēng)電裝機規(guī)模的不斷擴大，以及電解水制氫技術(shù)的突破和成本的大幅下降，風(fēng)電制氫有望實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。
風(fēng)電及風(fēng)電制氫發(fā)展現(xiàn)狀
1.風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
我國從上世紀(jì)50年代起便開始進(jìn)行風(fēng)電的建設(shè)和研究工作，到2006年，發(fā)布實施《可再生能源法》，標(biāo)志著風(fēng)電正式進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用階段。根據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，截止2019年，我國的風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機2574萬千瓦，全國風(fēng)電累計裝機2.1億千瓦，風(fēng)電裝機占全部發(fā)電裝機的10.4%。風(fēng)電有陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電兩種類型，我國的風(fēng)電類型以陸上風(fēng)電為主，占總裝機量的97%，近年來我國正在加快部署海上風(fēng)電。
2016年到2019年風(fēng)力發(fā)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(fēng)電發(fā)電量首次突破4000億千瓦時，達(dá)到4057億千瓦時。當(dāng)前風(fēng)電進(jìn)入高速發(fā)展時期，裝機量、發(fā)電總量及占比不斷攀升，風(fēng)電發(fā)展形勢大好。
但另一方面，風(fēng)電發(fā)展速度過快，許多地區(qū)的電網(wǎng)投資建設(shè)難以跟上風(fēng)電的發(fā)展，導(dǎo)致電力無法并網(wǎng)輸送，出現(xiàn)了棄風(fēng)的現(xiàn)象。2013年，國家能源局下發(fā)《關(guān)于做好2013年風(fēng)電并網(wǎng)和消納相關(guān)工作的通知》提出，把風(fēng)電利用率作為年度安排風(fēng)電開發(fā)規(guī)模和項目布局的重要依據(jù)，風(fēng)電運行情況好的地區(qū)可適當(dāng)加快建設(shè)進(jìn)度，風(fēng)電利用率很低的地區(qū)在解決嚴(yán)重棄風(fēng)問題之前原則上不再擴大風(fēng)電建設(shè)規(guī)模。同時通過提供優(yōu)惠并網(wǎng)條件、加強配套電網(wǎng)建設(shè)、優(yōu)化并網(wǎng)流程、簡化并網(wǎng)手續(xù)、提高服務(wù)效率等措施，有效緩解我國的棄風(fēng)問題。2019年我國的棄風(fēng)電量為168.6億千瓦時，棄風(fēng)率為4%，棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率均大幅下降，棄風(fēng)問題得到較大程度的緩解。
隨著風(fēng)電裝機規(guī)模的擴大，棄風(fēng)問題的緩解，風(fēng)電電價也逐漸變得有競爭性。根據(jù)《國家發(fā)改委發(fā)布關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價政策的通知》，2019年Ⅰ-Ⅳ類資源區(qū)新核準(zhǔn)陸上風(fēng)電指導(dǎo)價分別調(diào)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(dǎo)價分別調(diào)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(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)，國家不再補貼。關(guān)于海上風(fēng)電，2019年海上風(fēng)電指導(dǎo)價分別調(diào)整為每千瓦時0.8元，2020年調(diào)整為0.75元。據(jù)公開電價信息的不完全統(tǒng)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(fēng)電正逐漸進(jìn)入“平價”電價時代。
表1 我國各地區(qū)風(fēng)能資源區(qū)劃分情況
從風(fēng)能資源區(qū)劃分可以看到，我國風(fēng)能資源主要集中在西北、東北地區(qū)，遠(yuǎn)離東部的用電大省，不利于風(fēng)能的應(yīng)用開發(fā)，部分地區(qū)風(fēng)能存在并網(wǎng)困難的情況，需要提高風(fēng)能的就地消納能力以提高利用率。此外，雖然棄風(fēng)問題有了較大幅度的緩解，但是局部地區(qū)如內(nèi)蒙古(7.1%)、甘肅(7.6%)和新疆(14.0%)的棄風(fēng)現(xiàn)象仍然嚴(yán)重，卻難以完全解決。
2.風(fēng)電制氫發(fā)展現(xiàn)狀
風(fēng)電制氫技術(shù)是一種將風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能通過簡單的處理直接應(yīng)用到電解水制氫的一種制氫技術(shù)。產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過存儲運輸，主要應(yīng)用于氫燃料電池汽車或作為工業(yè)原料等。作為一種新型的儲能方式，風(fēng)電制氫有望能緩解風(fēng)電的棄風(fēng)難題和提高就地消納，目前許多地區(qū)開始探索利用風(fēng)電制氫的技術(shù)，以提高當(dāng)?shù)仫L(fēng)能的利用率。
我國的風(fēng)電制氫起步相對較晚。從2009年開始，國家電網(wǎng)率先開展風(fēng)光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究和氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用研究。從2014年至今，中節(jié)能、河北建投、國家電投和國家能源相繼啟動了風(fēng)電制氫項目。2018年10月，國家發(fā)改委、能源局印發(fā)《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(zhuǎn)化為熱能、冷能、氫能，實現(xiàn)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(fā)布，風(fēng)電制氫發(fā)展也逐漸得到重視，但由于受制于國內(nèi)制氫場地需建設(shè)在化工園區(qū)以及發(fā)電過網(wǎng)等因素，風(fēng)電制氫的審批政策以及經(jīng)濟性均面臨較大挑戰(zhàn)，總體發(fā)展較為緩慢，目前尚無成熟商業(yè)運行的風(fēng)電制氫系統(tǒng)。
表2 部分風(fēng)電制氫研究及項目
其中，河北建投投資建設(shè)的沽源風(fēng)電制氫示范項目是我國首個風(fēng)電制氫工業(yè)應(yīng)用項目，總投資20.3億元，引進(jìn)德國風(fēng)電制氫先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備，在沽源縣建設(shè)200兆瓦容量風(fēng)電場、10兆瓦電解水制氫系統(tǒng)以及氫氣綜合利用系統(tǒng)三部分。項目建成后，可形成4MW制氫生產(chǎn)能力，對提升壩上地區(qū)風(fēng)電消納能力具有重要意義。
風(fēng)電制氫及技術(shù)要求
風(fēng)電制氫系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組、電解水裝置、儲氫裝置、燃料電池、電網(wǎng)等組成。如圖4為風(fēng)電制氫系統(tǒng)吸納風(fēng)電棄風(fēng)量示意圖，上半部分為棄風(fēng)制氫部分，下半部分為風(fēng)電并網(wǎng)部分。在風(fēng)電并網(wǎng)部分，風(fēng)電經(jīng)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(fēng)電的諧波濾去，產(chǎn)生達(dá)到并網(wǎng)需求的高質(zhì)量電能，經(jīng)由升壓變壓器為電網(wǎng)供電;在棄風(fēng)制氫部分，風(fēng)電被濾波后經(jīng)過AD-DC整流變換單元，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過直流支撐電路接入DC-DC電路，將直流電進(jìn)行降壓或升壓處理，使直流電變換為可以制氫的電能，進(jìn)而制氫。風(fēng)電并網(wǎng)側(cè)與制氫側(cè)應(yīng)進(jìn)行合理的功率分配，在風(fēng)電滿足電網(wǎng)需求的前提下，剩余的風(fēng)能進(jìn)行制氫，做到能源的最大利用。
1.風(fēng)電制氫技術(shù)類型
(1)離/并網(wǎng)型風(fēng)電制氫
根據(jù)風(fēng)電來源的不同，風(fēng)電制氫技術(shù)分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫。
——并網(wǎng)型風(fēng)電制氫，是指將風(fēng)電機組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)場的 35kV或220kV電網(wǎng)側(cè)取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場的棄風(fēng)消納和儲能。由于與電網(wǎng)相連，單機容量較大。
——離網(wǎng)型風(fēng)電制氫，是指將單臺或多臺風(fēng)機所發(fā)的電能，不經(jīng)過電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫，主要應(yīng)用于分布式制氫或局部應(yīng)用于燃料電池發(fā)電供能。由于獨立于電網(wǎng)運行，單機容量較小。
(2)堿性/質(zhì)子交換膜/固體氧化物電解水制氫
根據(jù)電解水制氫技術(shù)的不同，風(fēng)電制氫技術(shù)分為：堿性(ALK)電解水制氫、質(zhì)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(zhì)，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(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫，是指應(yīng)用質(zhì)子交換膜(PEM)替代隔膜，傳導(dǎo)質(zhì)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(zhì)材料，在700-1000℃的高溫下，對兩側(cè)施加直流電，陽極產(chǎn)生O2，陰極產(chǎn)生H2。
目前，目前ALK技術(shù)已實現(xiàn)工業(yè)化;PEM技術(shù)尚處于從研發(fā)走向工業(yè)化，商業(yè)化水平低;SOE技術(shù)正處于實驗室研發(fā)階段，各制氫技術(shù)有如下特點。
表3 三類電解水制氫技術(shù)參數(shù)
2.風(fēng)電制氫技術(shù)要求
從技術(shù)角度來看，因為風(fēng)電具有隨機性、不穩(wěn)定性、波動性較大的特點，風(fēng)力發(fā)電機、電解水制氫設(shè)備、風(fēng)電場能量控制系統(tǒng)都有著較高的要求。
(1)風(fēng)力發(fā)電機
風(fēng)力發(fā)電機不僅需要將電能通過變流裝置輸送到電網(wǎng)，同時也要將棄風(fēng)發(fā)電為電解裝置供電。因此風(fēng)力發(fā)電機需要很強的扛風(fēng)波動能力，即高適應(yīng)性。
(2)電解水制氫系統(tǒng)
由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的間歇性、隨機性的特點，電解水制氫系統(tǒng)需要具備在不穩(wěn)定電能下能夠安全、可靠和高效制氫的能力，即高適應(yīng)性。此外，電解水制氫技術(shù)的高效性、環(huán)保性、成本和技術(shù)成熟度也很重要。當(dāng)前三種制氫技術(shù)在這些性能上表現(xiàn)各異。
從高適應(yīng)性來看，PEM技術(shù)和風(fēng)電的耦合性較好，適合風(fēng)電制氫系統(tǒng)。SOE技術(shù)尚需要進(jìn)一步研究探索其與風(fēng)電制氫的適應(yīng)性。
從高效性來看，目前ALK技術(shù)的制氫能力更強，但是能耗效率相對最低。PEM技術(shù)和SOE技術(shù)能耗效率相對較高，但目前PEM技術(shù)的單堆制氫能力主要為幾十標(biāo)方每小時，而SOE技術(shù)制氫能力最小，尚在探索階段。
從環(huán)保性來看，ALK技術(shù)使用腐蝕性的堿液作為電解質(zhì)，會對環(huán)境造成污染。PEM技術(shù)和SOC技術(shù)相對較為綠色環(huán)保。
從成本和技術(shù)成熟度的來看，ALK技術(shù)成熟、成本較低，適用大規(guī)模的風(fēng)電制氫系統(tǒng)。
表4 三類電解水制氫技術(shù)要求
目前，由于ALK技術(shù)與PEM技術(shù)的動態(tài)響應(yīng)時間較短，動態(tài)響應(yīng)能力較好，適用于風(fēng)電制氫系統(tǒng)。相比之下，SOE技術(shù)的動態(tài)響應(yīng)時間比較長，目前并不適合大規(guī)模風(fēng)電制氫。再從制氫能力、成本和技術(shù)成熟度來看，目前ALK技術(shù)的總體優(yōu)勢大于PEM技術(shù)，因此我國當(dāng)前的風(fēng)電制氫主要采用ALK電解水制氫技術(shù)。
(3)風(fēng)電場能量控制系統(tǒng)
風(fēng)電場能量控制系統(tǒng)主要包括：1)風(fēng)電場能量的控制，可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度和制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的需求進(jìn)行風(fēng)電場發(fā)電控制，實現(xiàn)功率的發(fā)電及負(fù)荷平衡;2)風(fēng)電場電壓控制，可以依據(jù)風(fēng)電場的運行模式，利用協(xié)調(diào)無功補償設(shè)備、風(fēng)電機組等實現(xiàn)風(fēng)電場輸出電壓的穩(wěn)定;3)風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)站的控制，可以根據(jù)電網(wǎng)需求、風(fēng)能等情況控制制氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電裝置等的啟動、停止及功率控制等。
風(fēng)電制氫發(fā)展挑戰(zhàn)及建議
近年來，風(fēng)電制氫在全球范圍內(nèi)開始得到重視和關(guān)注，而我國也在研究加快風(fēng)電制氫的發(fā)展和部署，但同時越來越多的問題也逐漸顯示，主要體現(xiàn)在技術(shù)、政策和應(yīng)用方面。
1.開發(fā)高適應(yīng)性和可快速響應(yīng)的電解水制氫技術(shù)
由于風(fēng)力的不確定性較強，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電可能會產(chǎn)生大規(guī)模低品質(zhì)的電力，而水電解制氫裝置對電力的穩(wěn)定性要求較高，頻繁的電力波動將對設(shè)備的運行壽命和氫氣純度質(zhì)量造成較大影響。
針對技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行有效的電能匹配，提高制氫設(shè)備的可利用率。提高電解水制氫設(shè)備對間歇性電源功率波動的適應(yīng)性，深入研究制氫裝備的功率波動適應(yīng)性，開發(fā)大功率、低成本的高效率的工業(yè)化堿性電解水制氫技術(shù)，以及開發(fā)可快速響應(yīng)功率波動的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。
2.制定風(fēng)電制氫利好政策消除發(fā)展不利因素
在政策方面。由于氫屬于易燃易爆的危化品，根據(jù)我國相關(guān)政策，危化品生產(chǎn)必須進(jìn)入化工園區(qū)，但通常風(fēng)電場的分布比較廣，對于就地消納風(fēng)電的制氫項目來說不可能全部進(jìn)入化工園區(qū)，極大程度上阻礙了風(fēng)電制氫的發(fā)展。
但隨著可再生能源制氫的發(fā)展，部分地區(qū)的制氫要求有所松動，2019年8月，河北省發(fā)展和改革委員會聯(lián)合安全生產(chǎn)委員會發(fā)布《關(guān)于調(diào)整化工建設(shè)項目備案權(quán)限的通知》，規(guī)定風(fēng)力發(fā)電配套制氫項目可不進(jìn)化工園區(qū)。對可再生能源制氫特別是風(fēng)電制氫起到了積極的影響。未來可以鼓勵更多的地區(qū)在保證安全生產(chǎn)的前提下，制定適合本地具體情況的風(fēng)電制氫政策，解除風(fēng)電制氫必須進(jìn)入化工園區(qū)的限制。
3.“降本擴量”實現(xiàn)風(fēng)電制氫規(guī)模化商業(yè)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(guī)模商業(yè)化運營優(yōu)勢。
針對應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)，主要宗旨是“降本擴量”，即降低成本和規(guī)模化。當(dāng)前電解水制氫的成本明顯高于其他制氫技術(shù)，需要在電價、儲運和加注等環(huán)節(jié)協(xié)同降低成本以刺激需求。同時鼓勵符合條件的地區(qū)推進(jìn)風(fēng)電制氫示范運營，通過示范培育推廣環(huán)境，并鼓勵市場參與進(jìn)來，逐步將政府推動過渡到市場運作為主，不斷擴大風(fēng)電制氫的市場，實現(xiàn)風(fēng)電制氫的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
參考資料：
-國家能源局，風(fēng)電并網(wǎng)運行情況(2016-2019)
-《關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》(發(fā)改價格[2009]1906號)
-張麗,陳碩翼.風(fēng)電制氫技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)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(chǎn)及熱化學(xué)利用》2015. 部分?jǐn)?shù)據(jù)來源國內(nèi)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(guī)模風(fēng)電儲存的新途徑——風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)[C]. .-中國農(nóng)機工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》(2013年第9期).:中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風(fēng)力機械分會,2013:60-65.
-《化工(危險化學(xué)品)企業(yè)保障生產(chǎn)安全十條規(guī)定》，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2013年.
作者：黎妍
評論