風氫耦合發電技術的發展

0儲能存儲綜合高效低碳經濟技術方案全域隨著人類社會的快速發展，高效、清潔的能源發電技術得到了世界各國的高度重視。風電作為可再生能源的主要利用形式,其快速、規模化發展使得電網消納風電的困難凸顯。為使風力發電得到更為廣泛的發展,亟待解決兩大難題:(1)由于風資源的隨機性、間歇性及無規律性,導致風電電能品質差,且高滲透率對電網沖擊較大,很多情況下被迫棄風;(2)風電電能存儲較難,傳統的電化學儲能、電磁儲能及物理儲能技術無法滿足能量大量存儲和未來純綠色能源發展需求,且運行成本較高。能量合理存儲是解決風電上網難的方案之一。抽水蓄能和壓縮空氣儲能是相對成熟的技術方案,但該方案的實施依賴于特定的條件,如大量的水源,合理的地勢,一定的化石燃料等;電化學蓄電池是另一途徑,但在短期內,無論是鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池,還是全釩氧化還原液流電池都將受成本和技術成熟度的限制;其他的儲能方式,如飛輪儲能等都因為效率太低、容量太小,難以適應規模化應用的挑戰。氫作為一種清潔能源,具有能量密度高、容量大、壽命長、便于儲存和傳輸等特點,因而成為風電規模化綜合開發利用、儲存的優選方案之一。風電通過電解水制氫儲能,不僅可以將氫作為清潔和高能的燃料融入現有的燃氣供應網絡,實現電力到燃氣的互補轉化,又可以直接高效利用,尤其是在燃料電池等高效清潔技術快速發展的背景下。風電制氫,提供燃料電池汽車清潔的氫燃料,將形成真正意義上的綠色能源汽車。本文綜述的風氫耦合發電不僅可以提供高品質的電力輸出,還能提供清潔、易儲存、易傳輸的氫作為二次能源,進一步進行綜合利用。1風氫耦合產生的結構特征1.1風力發電系統圖1是美國國家再生能源實驗室(nationalrenewableenergylaboratory,NREL)的Wind2H2計劃提出的風氫耦合系統結構,代表了典型風氫耦合發電系統的基本結構。圖1中包括清潔的風電、電解水制氫裝置、壓力儲氫設備、燃料電池(fuelcell,FC)或氫燃料內燃機發電(H2internalcombustionengines,H2ICE)和氫輸送與應用等。通過控制系統調節風電上網與制氫電量比例,最大限度地吸納風電棄風電量,緩解規模化風電上網“瓶頸”問題,利用棄風電量電解水制氫和副氧,通過壓力儲氫提高氫的存儲密度。氫作為多用途、高密度的清潔能源,既可通過FC或H2ICE反饋給電網以提高風電上網電能品質,又可作為能源載體通過車載或管道方式進入工業和商業領域,如氫進入燃氣管道、冶金、化工等行業。與此同時,風氫耦合系統也將極大地推動純綠色能源汽車—氫燃料電池汽車產業的快速發展。1.2風、氫結合能源的特點1風氫耦合發電系統電解槽的設計原則不同種類電解槽的數據參數如表1所示,考慮壓力存儲設備情況下,其效率將降低5%。傳統電解槽是在穩定電能條件下,定氫生產率運行的,而風氫耦合發電系統中的風電具有間歇性、隨機性等特點,因而電解槽應具有不穩定電能條件下安全、可靠和高效制氫的能力。目前世界上的風電制氫系統普遍采用的是堿式和質子交換膜(protonexchangemembrane,PME)式電解槽,因為這兩種電解槽可在間歇波動性功率、大壓力、高電流密度、低電壓下穩定運行。2壓縮氫氣儲氫方式的選擇氫作為一種能源載體,可替代傳統的儲能,是一種較具前途的新型儲能方式。氫的存儲方式有壓縮氣態、低溫液態(如金屬氫化物、碳材料等)和固態(如甲醇、氨等)。其中,壓縮氣體儲氫是氫規模化存儲的首選方式。氫存儲方法及相應的泄露特性如表2所示。由表2可見,壓縮氣態儲氫方式下的能量損失相對較少,且具有較高的轉換效率;活性炭在低溫條件下也具有較高的效率。由于風氫耦合發電系統中風電制氫的時間較長,因而具有較低能量損失、較高效率的壓縮氣態儲氫較適用于風氫耦合發電系統。儲氫系統在啟動時存在時滯,如果其時滯超過燃料電池的啟動時間,將增加電池儲能的容量,減小氫存儲系統的動態響應時間,對整個系統的經濟運行具有重要的意義。3低溫動力電池在發電系統中的應用FC分為高溫和低溫兩類,如圖3所示。各種FC的特性參數如表3所示。風氫耦合發電系統中,低溫燃料電池因具有靈活啟停、適應間歇性運行的特性而受到廣泛應用。但燃料電池普遍具有響應時間不能滿足負荷瞬時變化及風電瞬時功率波動的特性,因而需與超級電容器、飛輪儲能、電池儲能等配合應用,才能達到較高的電能質量。2國內外研究現狀與進展2.1世界風電制氫經驗及發展概況目前國際上已有美國、德國、加拿大、西班牙、英國、挪威、希臘等許多國家支持并計劃利用可再生能源(主要是風電)結合燃料電池離或并網發電研究與示范[21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50]。Wind2H2計劃是由美國能源部NREL與Xcel能源公司于2004年合作的計劃,此計劃旨在協助科研人員掌握可再生能源與電解制氫之間的關鍵技術,其具體內容如下:研究氫儲能技術,可再生能源功率控制及成本效益分析;掌握風/氫系統容量優化配置方案;研究再生能源上網和電解水所需電量的比例,并進行技術經濟分析;研究電解技術(PEM電解槽和堿性電解槽)對風氫系統的影響;推進系統整合、規模化和產業化。世界其他各國示范工程皆與Wind2H2計劃類似,可歸納為以下幾個共同研究方向:根據負荷需求,確定風電是直接并網還是用于制氫;制/儲氫裝置的穩定直流電源控制,即AC/DC變流器控制;制氫與燃料電池的容量配置問題;燃料電池啟停機控制;協調控制再生能源和燃料電池的輸出比例,保證系統穩定高品質的電力輸出[21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50]。歐洲委員會在1998至2002年間結合各領域的發展與研究,提出了第五框架計劃,此計劃擁有兩個主要實驗基地(希臘和西班牙),其目標為:整合再生能源、制氫/儲氫和燃料電池技術,發展純凈的規模化制氫及儲氫技術,提高再生能源對電網的滲透率及利用效率,解決再生能源供給波動性問題等。本世紀初,風電制氫概念和系統設計開始得到世界范圍的重視,相關研究也相繼展開。2000年至2012年間世界各國主要的風/氫示范工程及關鍵技術見附錄A表A1。早期風氫系統示范工程僅關注風電、制氫(電解槽)、儲氫及FC直接簡單功率控制[21,22,23,24,25,26,27,28]。近十年來,風氫系統示范工程發展較快,涉及變功率制氫技術、子系統間協調控制、容量配置、技術經濟分析等[34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50]。2012年以來,隨著科技的發展和工程示范經驗的積累,風氫系統關鍵技術取得明顯突破,系統在線動態優化控制、風氫熱電聯產以及并網風氫系統與電網相互作用機理探究等,將成為今后風氫系統工程示范所面臨的挑戰。國外專家提出了氫協同可再生能源(特別是風能)發電的綠色能源系統這一概念。氫作為新型的儲能方式,與風電結合將改善規模化風電對電網的影響,電解槽作為可控負荷與電網協調控制解決規模化風電接入電網“瓶頸”問題,高效利用風電大發時段棄風電量,提高風電上網電能品質。在偏遠地區(孤島系統或弱電網系統),常規能源難以保證供電質量,且投資較高,而氫作為多用途能源載體,具有熱電氫聯產、氫—加氫站—純綠色能源汽車一體化建設等顯著的優點,可有效解決上述問題。與此同時,利用儲氫緩解風電過剩與電網結構脆弱的矛盾問題,風電制氫增援電網方式比調整電網功率不平衡量更加經濟可行。文獻指出并網風氫耦合發電系統分兩種運行方式:(1)風電棄風量最小化(存儲由于電網約束而無法上網的多余風電電量);(2)波動的風電出力匹配變化的負荷需求(控制策略的目標是實現輸入和輸出功率最小化,需要規模化儲氫系統在低風或無風時段保證負荷需求),較適合于孤島運行系統。文獻指出風氫耦合發電系統能量轉換效率較低(當前技術水平下,電—氫—電轉換效率<40%),但能量管理在技術上是可行的。同時研究了依賴電力價格波動的氫最低定價問題,氫的價格由高風電滲透情況下電解槽的年運行小時數決定,風氫耦合發電系統能量管理與技術經濟分析,通過不同運行方式進行分析,得出有效的風氫系統轉換函數。在進行上述理論研究與工程實踐的過程中,世界范圍內逐漸開發了以氫作為儲能的風氫耦合系統評估與仿真軟件工具包,主要包括以下幾種:TRNSYS是由美國Wisconsin-Madison大學SolarEnergy實驗室開發的基于圖形化環境下靈活模擬系統動態行為的軟件平臺,仿真重點是評估電能和熱能系統性能,其標準數據庫中的模型約為150種,其中包含風電制氫系統和燃料電池系統模擬計算;HOMER是由美國NREL發展起來的一個小型的電力系統優化模型軟件,可應用于離網和并網的電力系統評估設計任務中,主要側重于系統優化和敏感性分析,可進行風電制氫與燃料電池系統的經濟性評估及敏感性分析等;GRHYSO是西班牙開發的再生能源并網混合系統優化評估軟件,其中包括風電、制氫、儲氫、燃料電池等模塊,可進行風氫耦合系統的技術經濟評價和能源優化評估等。2.2風電直接制氫新技術目前,國內部分科研院所及高校進行了初步試驗和經濟性分析,但國內尚無商業化運行的風電制氫儲能和燃料電池發電系統,也沒有規模化風電制氫儲能的示范工程設計經驗,國內研究機構和企業還未擁有適用于規模化工業生產的風電制儲氫和燃料電池發電系統相關技術。2014年度國家高技術研究發展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃能源領域備選項目征集指南中,風力發電方向下設風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示范研究項目,項目內容為:開發間歇性風電直接制氫關鍵技術,研究風電、制氫、儲氫及燃料電池匹配、控制和系統集成技術,開展系統應用示范,并進行技術經濟性分析研究。中國風氫耦合發電關鍵技術研究正處于起步階段,在國家的高度重視和大力支持下,必將快速推進技術攻關及工程化應用。3高熱效率提議與精細紡織有關3.1pem電解槽理想情況下,電解槽功率波動耐受度為0~100%額定工作功率,而現存的商業堿性電解槽功率最小運行功率限制在25%~50%額定工作功率。當功率小于最小運行功率限制時,電解槽被迫停機,重新啟動堿性電解槽需要30~60min,風電制氫的效率也將由此大幅降低。隨著技術的進步,堿性電解槽功率最小運行限制在5%~10%額定功率,調節速度達200ms,較適合于規模化高滲透風電制氫系統(兆瓦級)。PEM電解槽具有簡單性、快速啟動性及寬泛的運行范圍(5%~100%額定功率),但受容量(50~250kW)和成本的約束,更適合于小規模的風氫耦合發電系統的運行要求。因此,研究風電功率波動對制氫質量、效率以及電解槽壽命的影響,探索電源電壓及功率大幅波動下,安全、穩定、高效的制氫技術是風氫耦合系統工程推廣應用的關鍵技術之一。3.2風氫耦合系統的儲氫技術氫氣是世界上最輕的物質,其高密度儲存是一個世界性難題。目前氫儲存方法主要有以下幾種:壓縮儲氫是目前廣泛使用的儲存方式,經濟性較好,對環境污染較小;液化儲氫具有很高的能量密度,效率可達93%,但成本較高,主要用于航空航天領域;金屬氫化物儲氫體積密度可高達100kg/m3以上,是所有儲氫方式中最高的,但質量比較大,成本也高于壓縮儲存方式;碳質吸附儲氫還處于初期發展階段。目前適應風氫耦合系統的大容量高密度儲氫技術主要包括壓縮、儲存與供氫一體化設計與集成技術,大容積輕質復合高壓儲氫瓶開發技術,集安防與遠程控制一體化的壓縮機開發技術,在有效提升儲氫密度的同時,降低儲氫瓶生產成本;隨著金屬氧化物儲氫技術的成熟與成本的降低,將逐漸應用于風氫耦合發電系統。3.3回收燃料水產物研究電解制氫產生的副氧與空氣的合理配比,在提高燃料電池電化學性能的同時,不影響傳質過程和水的排出,同時合理設計冷凝系統,對燃料電池的水產物進行回收并補給電解制氫,以減少對外部水資源的依賴,具體結構如圖4所示。風氫耦合發電系統中水—氧自循環技術的應用,不僅提高了整個系統的供電質量,而且在風電停運時,保證了電解槽最小技術穩定運行、高效循環利用燃料電池產生的水和電解槽產生的副氧,對風氫耦合發電系統的工程化應用具有積極的推進作用。3.4風氫功率的設置研究風氫互補發電系統最優容量配置方法及協調控制策略,可實現風電上網功率、制氫功率及棄風功率的合理設置,實現風氫的高效、經濟綜合利用。氫儲能系統抑制風電功率波動,提高微網協同下的風電品質和經濟性,同時制氫作為動態負荷,實時調控風電與負荷之間的不平衡功率。3風氫耦合場運行分析方法規模化風氫耦合場控制策略:風電離網運行時,研究風電出力與制儲氫、運氫能力及燃料電池發電功率的協調控制技術;風電并網運行時,根據電網需求、制儲氫量、運氫能力,研究風電上網功率、電解消耗功率和燃料電池發電功率的協調控制策略;確定合理的風氫耦合場經濟優化運行分析方法。微網風電耦合氫儲能控制策略:結合其他能源(如光伏、燃氣輪機等)與儲能(電池、飛輪、超級電容器等)形式,研究風電、電解槽及燃料電池協同控制方法,確保微網在并網和孤島情況下,均具有較高的可靠性、良好的電能品質和經濟性。3.5電、電、氫、電網的連接機制1風氫耦合場附加阻尼控制策略研究風氫耦合場的故障暫態功率與暫態電壓特性,提出改善風氫耦合場暫態電壓措施,使其滿足低電壓穿越(lowvoltageridethrough,LVRT)和高電壓穿越(highvoltageridethrough,HVRT)要求,在外部電網故障期間不脫網運行,保證電力系統安全穩定運行。設計合理的風氫耦合場附加阻尼控制策略,可有效增強含規模化風氫耦合場的電力系統機電阻尼。通過研究規模化風氫耦合場并網后對于局部振蕩模態的阻尼特性影響,以及互聯電力系統的區間低頻振蕩模式分析,確立含規模化風氫耦合場互聯電網區間振蕩阻尼控制方法。2孤島型微網系統的供電控制策略風電耦合氫儲能分散式接入微網,研究其與純綠色能源汽車加氫站、燃料電池發電以及其他能源形式之間的智能調度,孤島型微網系統中風電結合燃料電池供電與電解槽耗電的微網供電平衡控制策略,微網在不同故障條件下的保護整定方案、故障診斷、動作策略以及網絡重構方案等。3.6風氫耦合系統計算成本的復配方案,確立了“風險—技術經濟評價研究技術經濟評價方法,對風氫耦合系統進行合理、有效的技術經濟分析,選取技術經濟評價敏感性指標,完成一套適合風氫耦合系統的技術經濟評價體系,對風氫耦合系統的工程技術及產業規模推廣具有重要的指導意義。4中國風氫耦合發電發電系統的發展前景目前,中國尚未提出明確的風氫耦合發電形式,但風氫耦合發電的特點適應于中國電力發展的需求與方向,在中國有著廣闊的發展前景,具體體現在以下方面。1全球風電發展現狀2000年以來全球風電迅猛發展,截止到2012年底,全球風電累計裝機容量已達283.2GW,而中國也已達到78.3GW,中國已成為全球風電增長最快的國家。根據國家的中長期發展規劃,到2020年底和2050年底,風電總裝機容量將分別超過200GW和1000GW,其中大部分集中在“三北”和東部沿海地區。規模化風電集中并網,導致電網無法接納過多的風電,會出現大量棄風現象。氫作為規模化儲能,與風電綜合開發利用,可有效解決風電棄風問題,提供高品質的上網電能,同時產生的氫作為二次能源,將進一步進入化工、冶金、航空及新能源汽車領域。2風電大量棄風,形成碳排放量高由于風力發電具有強烈不穩定性,每年中國現有風力發電容量的約28%(6GW)無法被有效利用,直接經濟損失數以億計,世界上95%以上的氫氣生產高度依賴化石能源,僅中國每年就消耗煤炭近3000萬t用于制氫,由此直接產生的碳排放量達上億噸,造成嚴重的環境污染。“三北”風資源豐富地區,風電大量棄風現象突顯,冬季供熱期尤為嚴重。據統計,蒙東風電場一年的棄風量就高達3GW·h,相當于7.5萬t制氫電耗。如果這部分風能被充分利用,就地消耗電解水制氫,