再生能源制氢

1、岳建华：利用可再生能源电解水制氢实现大规模储能与氢能综合利用(3)北极星电力网新闻中心来源：电气技术杂志2015/8/10 13:05:19我要投稿所属频道：关键词：储能系统电解水制氢微电网一、可再生能源发展现状、存在的问题及对策发展现状及“十三五”目标我国目前电力和可再生能源发展现状2014年底，全国电力总装机13.6亿千瓦，其中火电9.16亿千瓦，水电3.02亿千瓦， 核电1988万千瓦。2014年底，全国风电累计并网装机9637万千瓦，占全国电力总装机7%。上网电量 1534亿千瓦时，占全国总发电量的2.78%;全国弃风电量133.39亿千瓦时，平均弃风率8%。2014年底，全国光伏发电

2、累计装机2805万千瓦，年发电量约250亿千瓦时。“十三五”发展目标国家能源战略行动计划(2014-2020年)提出到2020年，全国风电装机达到2亿千瓦， 光伏装机达到1亿千瓦左右，常规水电装机达到3.5亿千瓦，地热能利用规模达到5000万 吨标煤。按照输出与就地消纳利用并重、集中式与分布式发展并举的原则，到2020年非化 石能源占一次能源消费比重15%的发展目标(截至2014年底为11.1%)。提高可再生能源利 用水平，切实解决弃风、弃光、弃水问题。可再生能源从补充能源，变为规模替代化石能源，到2030年可再生能源比重将达到 20%。中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究(2015

3、年4月)指出：2050年的一 次能源供应量为34亿吨标准煤，可再生能源占比达到62%。其中在终端电力供应中，非化 石能源发电量占比91%。发展瓶颈与问题发电成本高、需要补贴支持随着可再生能源的建设规模不断的扩大，国家已无法承受高额的补贴，“十三五”期间 国家补贴将会逐步降低，可再生能源发展的机会与挑战并存。国家能源战略行动计划 （2014-2020年）提出到2020年，风电销售电价与平均上网电价相当;光伏电价与电网的平均 销售电价相当。可再生能源技术的进步、产业规模的扩大，产品造价和运行成本的降低，是可大幅度 减少可再生能源补贴的有效途径，也是降低可再生能源成本的必由之路。2）自然属性导致并网

4、困难由于可再生能源的间歇性、不稳定性、不可调控的自然属性，导致其并网与消纳困难。3）整体消纳和利用率低2014年底，全国风电上网电量1534亿千瓦时，平均年利用小时数为1893小时。2014 年全国弃风电量133.39亿千瓦时，平均弃风率8%（2012年弃风200亿度、2013年弃风162 亿度）。河北、内蒙古、新疆、甘肃、吉林、黑龙江地区弃风率远大于我国平均弃风率。由于资源分布（风、光）不均和负荷需求不平衡，输送通道的制约，影响可再生能源的消 纳和利用率。措施与对策1）大力推进先进、高效、低成本的可再生能源发电技术C7太阳能光伏发电技术：内蒙古呼和浩特市赛罕区2MW示范项目2015年已投产;

5、武 川县50MW示范项目预计2015年上半年投产。新闻联播及每日经济新闻都对中环 公司的C7聚焦光伏系统进行了报道。其中重点提到C7系统换效率达到22%以上，上网电 价成本有望降到0.40元/度以下”。垂直轴风力发电技术：某大型垂直轴风力发电机，通过在气动性能、传动方式、结构 设计、材料选择和制动模式方面的研发和改进，使得该系统的发电成本最低可降至0.30元/ 度。联讯光热发电技术：目前中国科技开发院光热发电解决方案中提出，未来能实现将发 电成本降低至0.30-0.50元/度。1.5MW的先进压缩空气储能系统:2013年7月25日，1.5MW的先进压缩空气储能系 统通过了中科院验收会、2014

6、年3月31日通过鉴定会评审。“建成国际首套1.5MW级超临 界压缩空气储能系统的集成实验系统，并完成800多小时试验运行和性能测试，系统储能效 率达到52.1%”。10MW压缩空气储能系统：2014年5月8日，中科双良储能技术（北京）有限公司成立， 10MW超临界压缩空气储能系统研制启动。2）风光储互补的集群式微电网技术内蒙某地区智能微电网建设设想：规划目标年度为2020年，装机总规模253.5万千瓦， 其中：风电规模182万千瓦，光伏56.5万千瓦，光热15万千瓦，配套储能设施16万千瓦。集群与主网电量交换频次结论：根据建模仿真分析数据结果，对集群与主网电力平衡 分析，进一步研究集群运行与主

7、网运行电力交换情况。规划区域氏除阿巴嘎旗集群外）其他 各集群与主网电量交换比例均控制在25%以内，六区域集群联网运行后向主网电量送电比 例为8.92%，接受电量比例为10.18%。可再生能源电源与用电负荷电力平衡结果较好。集群与主网交换电量结论：据建模仿真分析数据结果，各集群与主网电量交换频次均 能控制在630次以下，六区域联网运行后的交换频次控制在663次。日均出现交换次数为 3.6次以下。每个频次的交换中均持续在20分钟以上。集群与主网交换频次较为合理。以风、光（光伏和光热）、储构成的七个集群式微网系统，设备选型要求技术先进，高效， 价格低廉，五到十年或稍长一点的时间内，即可做到少拿或不拿

8、国家补贴。上网电价接近燃 煤发电机组或更具竞争力。七个风光储互补的集群式智能微电网系统，组成一个大型的风、光、储互补的电站群。 从电网角度来看，由于增加了储能系统和智能微网系统，把一个间歇、不连续、不可调控、 不稳定系统基本变成一个相对稳定可调控的发电系统，可近似看做常规发电系统火力发电 系统）。3）先进电解水制氢及其他相关技术先进的电解水制氢技术特点：采用国际领先的微纳米非晶合金和金属氧化物的催化剂 技术，制备独有的催化电极，大大降低析氢析氧过电位;采用独有的先进隔膜材料和零极距 的结构设计，进一步降低结构欧姆电压。电解槽直流能耗对比:先进的电解水设备的电解槽直流能耗3.84.0千瓦时每标方

9、氢气; 传统电解水制氢设备的电解槽的直流电耗4.44.8千瓦时每标方氢气。先进电解水制氢系统整体能耗4.4度，依据即将实施的电解水制氢系统能效限定值 及能效等级，能效等级为1级，达到的先进水平。二、氢能发展的机遇氢能的特点氢气比空气轻1/14，氢气泄漏于空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。1kg氢气的热值为142.32MJ（1m3氢气的热值为12.666MJ）,每千克氢燃烧后的热量约为 汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氢氧火焰温度高达2800度，高于常规液气。无味无毒，燃烧产物仅为水，不污染环境。氢气是活性气体催化剂，可以与空气混合方式加入催化燃烧所有固体，液体、气体燃 料，加速反

10、应过程，促进完全燃烧，达到提高火焰温度、节能减排之功效。在汽油中加入 4%的氢气，就可使内燃机节油40%。氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。现行制氢工艺电解水制氢：唯一以电为主要原料的制备工艺，可以简便地与各种“一次能源”产生的 电能进行联产;原材料是水，取之不绝用之不尽的“氢矿”产品纯度高，无杂质，能适应下游 不同产业的需求;设备及使用，工业化成熟，操作经验丰富;过程中无污染，无碳排放。其它制氢方式：水煤气法制氢;石油热裂制氢；工业副产氢气;生物质制氢;太阳能制氢。氢能的储运1）氢能的储存氢气作为工业气体使用的历史悠久，目前工业上储存氢气的方法主要有：

11、气态高压储存氢气：将氢气加压压缩（通常是在15MPa的压力下），储存于特制耐压的 钢制容器中。深冷液化储存氢气：在-253C低温条件下使氢液化，然后把液态氢储存于保冷的真空 绝热容器中。金属氢化物化学储存氢气：将氢气跟金属或合金进行化学反应，以固体金属氢化物的 形式储存起来。非金属化学储存氢气：是指将氢储存在有较高储氢能力的化合物中。液态有机化合物吸附储氢：新型储氢方法，安全可靠和储存效率高等特点发展迅速。2）氢能的运输压力容器运输：是指将氢气储存于小型压力容器当中（如氢气钢瓶），或是固定在运输工具上的小型压力容器当中（如氢气集束瓶组），再通过传统运输形式进行输送。长距离管道输运：在工业应用中

12、，管道输送主要是在工厂内部输送，或跨厂区短距离 输送。液态有机化合物吸附管道输运：近年来发现起来的新型输氢技术，常温下为液态。全球第一条长距离氢气输送管道是于1938年德国鲁尔工业区中建成的240公里管道钢 管线（氢气压力1-2MPa，管径25-30cm），此管线目前仍然在使用。截至2004年，美国有1450 公里、欧盟有1500公里氢气低压输送管道在运行。国际上氢气管道输运已经有七十多年的 工业运行经验，证明是安全、可行的。法国的AirLiquide，法国，比利时，荷兰的国境附近全长830公里的氢管道，德国的北 莱茵威斯特法伦州全长240公里的氢管道（图6-34）。压力是5 MPa左右，向需

13、求的住家供应 氢。德国的Linde在莱比锡附近拥有140公里的氢管道。美国AirProducts and hemicals，在 路易斯安那州，德克萨斯州，加利福尼亚州拥有氢管道网络，总长560公里。氢能安全与标准1）安全氢的工业使用有超过一百年的历史，在工业使用环境中有着成熟完善的工业标准和应 用范例。氢在空气中的扩散性很强，氢泄漏或燃烧时，可以很快地垂直升到空气中并消失得 无影无踪，氢本身没有毒性及放射性，不会对人体产生伤害，也不会产生温室效应。氢能具有较宽的着火极限、着火温度低、燃烧速度快，作为新的能源形式，其安全性 往往受到普遍关注。从技术方面讲，通过物理和化学的手段，氢的使用是绝对安全

14、的。科学家已经做过大量的氢能安全试验，证明氢是安全的燃料。如在汽车着火试验中， 分别将装有氢气和天然汽油燃料罐点燃，结果氢气作为燃料的汽车着火后，氢气剧烈燃烧， 但火焰总是向上冲，对汽车的损坏比较缓慢，车内人员有较长得时间逃生，而天然燃料的汽 车着火后，由于天然气比空气重，火焰向汽车四周蔓延，很快包围了汽车，伤及车内人员的 安全。现有的压缩氢气储运技术与液氢储运已经比较成熟，能够保证氢气在储运过程中的安 全性。2)我国现有氢能相关标准(略)氢能市场概述我国氢气年使用量2014年已逾2,150亿m3规模，且未来增长迅速，预计到2020年可 达到3550亿m3我国氢能市场消费量中：合成氨用氢占全部

15、市场的78%、石油化工占12.13%、甲醇占 5.04%、苛性钠占1.960%、电子占0.790%、浮法玻璃占0.130%、植物油占0.050%。国内外氢能综合利用情况1). HCNG众多发达国家都很重视氢能利用对可再生能源发展的技术和具体解决方案的发展。以 Powerto Gas项目(P2G)为例，该项目缘于德国可再生能源的发展。美国、加拿大、韩国、欧 盟等国家和地区均获得了国家层面的支持，有大量的研究计划和产业化项目正在实施。日本 政府建立和发展了规模巨大的氢能发展规划，其计划包括大规模发展氢燃料电池汽车，可再 生能源发电制氢、HCNG计划、分布式制氢规划等。美国，加拿大，意大利，印度、挪

16、威、法国、瑞典等国在较早的时间就已经开展了关 于HCNG客车的相研究。目前，HCNG技术已经应用到多国的城市出租车、公交车和重型 卡车上。根据我们对氢能综合利用技术及市场需求的调研分析，在众多氢能综合利用技术中， 在天然气中掺混氢气(HCNG)具有技术成熟、易推广、对环境友好等优点。利用先进电解水制氢技术来制备氢气并掺混到天然气里，特别是在压缩天然气(CNG) 中掺混氢气作为汽车动力用燃气，有着非常好的燃烧特性、非常低的排放指标，具有非常好 的经济性。土掺入20%氢气后，在不带催化器的情况下，排放和燃料消耗率相对于原天然气发动 机，NOx下降51%，NMHC下降60%，CH4下降47%，CO下

17、降36%，BSFC(燃料消 耗率)下降7%。带催化器的情况下，经过优化标定后20%HCNG发动机超过欧（国）V,达到环境友 好型汽车排放标准（EEV，大体与欧W相当）。掺混体积比20%氢气的HCNG,在运输、储存和使用过程中，不需要对现行CNG相 关设备进行任何改造。（国标加氢站技术规范GB50516-2010）HCNG汽车、加气站均与CNG发动机、汽车、加气站兼容。HCNG加气站国家标准 即将颁布。2）HNG德国E.ON和Greenpeace Energy等能源公司利用风力发电的剩余电力电解水生成氢， 然后提供给现有的燃气管道网络。在利用剩余电力的同时，通过在城市燃气中添加氢，削减 硫氧化物

18、（SOx）和氮氧化物（NOx）等有害物质的排放。3）甲烷化氢与CO2反应制备的甲烷，注入现有的天然气网的话，除了可有效利用现有的天然气 和基础设施，也能将被排出的二氧化碳作为资源加以再利用，从而削减CO2排出量，因此 备受期待。特别是德国半数氢甲烷化，注入遍布全国的天然气网项目。4）氢燃料电池氢燃料电池是利用氢和氧，直接经过电化学反应而产生电能的装置，换言之，也就是 电解水槽产生氢和氧的逆反应。70年代以来，日美等国加紧研究各种燃料电池技术，部分技术已进入商业性开发。日 本已建立万千瓦级燃料电池发电站，美国、德、英、法、荷、丹、意等国也有20多家公司 投入了燃料电池的研究。5）氢动力汽车目前氢

19、动力汽车主要有两个发展方向，一是纯氢汽车，即氢内燃机车另一种是氢燃料 电池车。丰田、本田、日产、通用、福特、戴姆勒、宝马、大众、现代等汽车工业巨头均在发 展氢燃料电池汽车，预计美国加利福尼亚州2015至2017年达到5万台，德国在2023年达 到50万辆规模，英国在2030年160万台规模。印度至2020年全国推广10万辆氢能汽车。6）氢能发电利用氢气和氧气燃烧，组成氢氧发电机组。这种机组是火箭型内燃发动机配以发电机， 它不需要复杂的蒸汽锅炉系统，结构简单，维修方便，启动迅速，即开即停。在电网低负荷 时，还可吸收多余的电来进行电解水，生产氢和氧，以备高峰时发电用。7）其它方面的应用（略）8）国

20、内的几个重要示范项目我国对氢能研究的投入近年来不断增加，也取得了一定成果。2006年，福田汽车与清华大学合作，承接了中美面向奥运新能源汽车（DOE）项目的整 车研发与制造工作，并在北京奥运会及贵州六盘水市示范运行。清能华通公司联合清华大学先后研发出4辆HCNG城市公交车，累计运行里程超过 15000km。2012年2月，山西省国新能源发展集团有限公司在山西河津成功建成投产氢气掺混压 缩天然气（HCNG）加气示范站。该加气站是目前世界最大规模的HCNG加气站（设计能力为 日供2万立方米车用HCNG），为全国首个氢能示范项目。河北建投沽源风电制氢综合利用示范项目：河北建投集团、德国勃兰登堡州波茨坦

21、市、 德国迈克菲能源公司、欧洲安能公司就共同投资建设河北省首个风电制氢示范项目已经开工 （2015年5月）。示范项目位于张家口市沽源县境内。项目包括200MW风力发电部分、10MW 电解水制氢系统以及氢气综合利用系统三个部分。项目建成后电力供电京津唐电网，氢气供 冀北地区工业使用。7.氢能综合利用的商业模式（HCNG）氢能综合利用对节能减排的重要意义弃风制氢+氢能综合利用的节能减排效益：2013年度蒙西网弃风电40亿度，可年产氢 气10亿立方米;2014年全国弃风电量133亿度，可年产氢气33亿立方米;800kV特高压输 送电量500亿度，可年产氢气125亿立方米。假设全部用于HCNG，制备过

22、程不产生任何 废弃物，物理掺混，无碳排放，循环全绿色。氢能综合利用对能源安全的贡献随着清洁能源的大力推广，我国未来天然气对外依存度将维持30%左右、甚至于存在 进一步升高的可能。氢能作为天然气的补充和替代，将能有效缓解天然气的供应状况，为能 源安全做出贡献。仅在2013年，我国天然气消费量1714亿立方米，进口量533亿立方米，对外依存度 达到31.0%。根据是“十二五”规划，到2015年天然气消费量达到2600亿立方米，其中国产 1700亿立方米，进口 900亿立方米，对外依存度达到34.6%;预测到2020年，天然气总消费 量约3600亿立方米，进口 1500亿立方米，对外依存度达到42%

23、。为缓解国内天然气紧缺问题，我国积极从国外进口天然气，但是从能源安全角度考虑， 我们应该立足国内，立足技术上的突破，比如用可再生能源制氢的技术来解决这一问题。国家对氢能发展的政策支持我国2014年公布的能源发展战略行动计划(2014-2020年)中提出了未来我国能源发 展的“节约、清洁、安全”的战略方针，以及通过“节约优先、立足国内、绿色低碳、创新驱 动”四大战略的实施，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，并提出到2020 年，基本形成统一开放竞争有序的现代能源市场体系的目标。“9个重点创新领域之一”：非常规油气及深海油气勘探开发、煤炭清洁高效利用、分布 式能源、智能电网、储能、基

24、础材料等。“20个重点创新方向之一”：页岩气、煤层气、页岩油、深海油气、煤炭深加工、现代 电网、光伏、太阳能热发电、风电、海洋能发电、天然气水合物、大容量储能、氢能与燃料 电池、能源基础材料等。在实际技术应用推广上，国家对于结合可再生能源特性的电解水技术方案和氢能综合 利用方案的重视程度也在不断提高。国家能源局已经连续下发通知，强调要加快推进风电 制氢的示范工作，进一步积累经验”(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)与此同时，习近平在研究我国能源安全战略的中央财经领导小组第六次会议上也提出， 要推动能源生产革命、消费革命、供给革命、技术革命和体制革命三、推进氢能综合利用

25、的总体思路和方案第一阶段：HCNG示范工程第一期：预计2015年示范建设600M3/H弃风电制氢站1个，HCNG加气站1个。第二期：在内蒙古分别建设HCNG站36个。以期形成氢能综合应用示范支点。第三期：在内蒙古和国内相对条件适合的地区复制和推广第1期、第2期成果。扩大 HCNG的使用规模，除在城市公交、出租车，私家车等小型车辆上继续提供高品质的HCNG 以外，积极推进重型卡车方向的HCNG推广，实现弃风电解水制氢及HCNG产业的规模化， 以期推动逐步减少风电的弃风电量，HCNG能源的大规模使用，进一步减少CO2排放，实 现风力发电的可持续健康发展。第二阶段：氢能工业、民用示范工程第三阶段：区域性可再生能源就地消纳利用负荷中心的示范性研究第四阶段：国家级清洁能源输出基地建设展望内蒙光伏发