《风氢耦合储能系统技术发展现状.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风氢耦合储能系统技术发展现状.doc（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、风氢耦合储能系统技术发展现状摘要：我国风电资源丰富但同时弃风量巨大，风氢耦合储能技术对于我国的弃风消纳、提高风电上网质量，降低能源环境污染，缓解能源危机，构建绿色、环保、可持续的电力系统、促进经济增长方式转变等方面有着重大意义。介绍了国内外对于风氢耦合储能技术的研究现状，并总结出了目前风氢耦合储能研究中的关键技术和尚待解决的难点，最后结合风氢耦合储能技术在国内的发展现状对风氢耦合储能技术在我国的应用与发展提出了展望。化石能源的过度开采已经导致了一系列的能源和环境问题，为了改变传统的能源利用模式，以风电为首的可再生能源在全世界快速发展。我国风能储备丰富，2019年底我国累计风电并网装机容量达到了
2、209GW1，位于世界前列。风电具有良好的经济性和环保性，且技术成熟、商业化程度很高。但目前风电仍存在两大难题：1）风电电能上网品质差，接入电网会带来电压波动、频率波动等问题，会对电网造成较大冲击，造成弃风2；2）目前风电电能难以存储，且存储成本高，使得大多数时候只能弃风3。对于如何让风电更安全、稳定且高效的上网，世界各国学者进行了长期的研究，目前最为可靠的是储能技术4。储能技术与可再生能源的耦合有效解决了再生能源并网难的问题5。风氢耦合储能是目前国际上研究的热点。风氢耦合储能技术可以平滑风电并网导致的功率波动，且整个系统无污染、能量密度高、寿命长，是解决风电随机性、间歇性及无规律性的方案之一
3、6。本文针对风氢耦合储能技术指出了目前研究中的关键技术和尚未解决的难点，并结合风氢耦合能技术在我国的发展和应用提出了展望。1风氢耦合储能系统原理与特点1.1风氢耦合储能过程间歇性和波动性是清洁能源并网发电存在的主要问题7，引入风氢耦合储能技术能很好地解决这一问题。系统将过剩的风电电能输送到电解槽中进行电解水制氢，波动的风电电能被转化为氢气存储起来。存储的氢气可通过燃料电池或者和氧气通过氢氧联合循环进行发电，可解决不稳定风电上网难的问题8。风氢耦合储能过程如图1所示。风电的波动性和随机性等问题，会对电网的效率和安全造成影响，需要平滑风电的输出功率使其安全且稳定的上网9。储能系统可以进行能量的转换
4、及储存，将具有波动性的风能转化为稳定且清洁的氢能从而达到平滑风电。1.2风氢耦合储能系统原理典型风氢耦合储能系统如图2所示。由图2可知，系统主要由风电场、燃料电池（fuelcell，FC）、储氢设备以及电解槽等其他配套设备构成。风电场产生的电能由电解水制氢和上网两部分组成。当用电需求小于风电场发电量时，系统过剩功率将会被输送至电解槽进行电解水制氢，风能被转化为氢能进行存储。当用电需求大于风电场发电量时，燃料电池将存储的氢气用于发电，以满足用电需求。1.3风氢耦合储能系统特点1.3.1燃料电池分类及特点燃料电池主要由电极、电解质隔膜与电解液等组成，主要分为高温燃料电池和低温燃料电池2类10，具体
5、分类如图3所示。这5种燃料电池的特性参数见表13。表1中H2、O2消耗均为标准状况下，下同。目前，碱式燃料电池技术发展进度最快，主要用于航天航空领域。磷酸式燃料电池已经投入了商业化运行，主要用于民用。熔融碳酸盐式燃料电池还处于试验阶段，还未商业化和规模化使用。固体氧化物燃料电池在这几种燃料电池中最具发展潜力，其优点包括燃料适应性广、能量转换效率高等，且不需要贵重金属作为催化剂。质子交换膜式（proton exchange membrane，PEM）燃料电池目前技术也比较成熟，但催化剂为贵重金属，使用起来成本较高。因燃料电池中低温燃料电池相比起高温燃料电池，其更具灵活启停特性和适应间歇性运行特性
6、11，所以在目前的风氢耦合储能系统中被广泛应用，同时还具备燃料电池发电效率高、环境污染小以及易于建设等优点12。但是，目前的燃料电池响应时间仍不能很好地满足风电功率的瞬时波动，当负荷和风电功率发生瞬时变化时，燃料电池来不及响应。目前的解决办法是和电池储能或超级电容器等配合应用，以达到较高的电能质量3。1.3.2电解槽分类及特点目前制氢的方式主要为煤制氢、电解水制氢、甲醇裂解制氢以及天然气制氢13。其中，天然气制氢占全球制氢量的75%，是全球应用最多的制氢方式。国内应用最多的制氢方式是煤制氢，制氢量占全国总制氢量的40%14。如今化石能源被过度消耗，继续使用天然气或煤制氢无疑会加大化石能源的消耗
7、，而水是地球上分布最广泛且易得的资源，使用电解水制氢既环保又能缓解能源危机。电解水制氢工艺的电解槽分类如图4所示。根据电解质的不同，主要可分为碱性（ALK）电解槽、质子交换膜（PEM）电解槽、固体氧化物（SOEC）电解槽3大类15。各种电解槽特性参数见表216。碱性电解槽技术最为成熟且成本低廉，是目前应用最广泛的电解槽，适用于大规模风电制氢系统。固体氧化物电解槽技术目前并不发达，尚未广泛商业化。PEM电解槽因其电流密度、电池效率、氢气纯度和工作压力高、操作灵活，成为目前最受欢迎的水电解制氢技术。但PEM电解槽成本过高，同时风电波动会导致电解槽寿命降低，且目前针对膜的使用寿命问题还未找到明确的解
8、决途径，牵制了PEM电解槽的商业应用16。1.3.3储氢设备分类及特点目前，储氢技术也是限制氢储能发展的因素之一17。储氢方式分类如图5所示，技术对比见表3。高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢以及有机液态储氢是目前主要使用的4种储氢技术。其中，高压气态储氢主要形式为储气罐储氢，因具有成本低、技术成熟、运输方便等特点成为目前应用最广泛的储氢方式。由表3可见，高压气态储氢方式下的成本相对较低、操作简单、运输方便、技术成熟，目前在国内应用最多，但安全性较差。低温液态储氢方式成本相比之下最高，操作难度较大，安全性较差，技术也不成熟，但运输较方便，目前主要应用于航天航空领域。固态储氢方式操作简单、安全
9、性高、运输方便、技术较成熟，但目前成本高，且仍存在技术难题，是未来储氢方式的重要发展方向，正处于商业化探索阶段。有机液态储氢方式成本高、操作难、技术不成熟，但安全性高，可利用传统石油设备进行运输和加注，正处于商业化探索阶段18-19。2风氢耦合储能系统研究现状2.1国外研究现状目前，世界上许多国家都非常重视可再生能源耦合制氢技术的发展。其中，较为著名的是美国Wind2H2计划。2004年美国能源部NREL与Xcel能源公司合作提出了Wind2H2计划，此计划的目的在于探究并解决可再生能源与电解槽耦合制氢的关键技术20。英国在2010年成功示范了Hydrogen Office项目21。德国的En
10、ertrag公司在2011年利用3台2MW风力发电机在用电低谷时进行制氢并存储起来。2011年加拿大成功示范了风氢柴示范工程。2012年德国成功投运了RH2WKA风氢热电联产示范工程22。2017年，英国乏福郡建成风电容量为750kW的风氢能源办公楼系统。在欧盟委员会第七框架计划中，间歇性可再生能源研发升级，意大利普利亚地区启动了INGRID氢储能项目，储氢量为1000kg，对应储能达39MW，此项目提高了可再生能源的利用率，使可再生能源能够安全且稳定地上网，同时也大大降低了弃风率23。2019年，荷兰成功开展了世界上第1个海上风电制氢试点项目PosHYdon24，该项目将对海上风电用于制氢进
11、行试验，研究其可行性。2020年，EngieEPS在希腊的Agkistro微电网项目REMOTE中推出了以氢能为动力的储能系统25。此外，西门子（Siemens）已经制定了到2030年使其所有涡轮机与100%氢气兼容的目标26，其中一些涡轮机已经能够使用100%的氢气运行。国内外主要风电制氢项目见表4。Apostolou27建立了一个利用风能生产氢气并存储的系统，该系统包括1个碱性电解器和1个储氢罐，对该系统进行分析模拟结果表明，1个8MW额定功率的电解系统能够储存来自1个位于希腊岛屿的10MW风电场最高71%的弃风量，制氢装置的平均效率约为73%。Valverde-Isorna等人28开发了
12、一个安装在苏格兰“氢气办公楼”的风-水电解制氢发电系统模型，该模型基于系统运行期间采集的真实数据进行验证。Kopp等人29分析了德国并网试点项目“Energiepark Mainz”的运行情况，该系统由1个8MW的风电场和1个额定功率为6MW的水电解系统组成。该项目前2个月的运行情况表明，在较高的负载下，电解槽的效率会下降（4MW功率下效率为64%，额定功率下效率为59%）。Mirzaei等人30研究了4个不同案例下风氢系统与需求响应方案的集成，结果表明在随机运行中氢气系统和需求响应策略集成下，运行成本最低，弃风率最低。2.2国内研究现状张虹等31将超级电容器引入了风氢耦合系统以减少并网点电压
13、变化，在电解槽启动优先级高于超级电容的前提下，采用3种运行状态下的系统协同控制策略，验证了风氢耦合系统协同控制策略的有效性，提高了风电的消纳能力。陈冲32构造一种电解槽和燃料电池集结于直流母线的结构，建立了风氢耦合数学模型，基于能量协调控制策略，对系统正常运行及故障工况进行仿真分析，证明了该系统能够很好地提升分散式风电消纳及低电压过渡能力。蔡国伟等33提出了一种加入了超级电容器的风氢耦合储能系统控制策略，验证了在该控制策略下燃料电池及电解槽可以补偿风机出力与负荷需求的功率差额，超级电容器则可以平滑因燃料电池及电解槽响应延迟引起的不平衡功率。我国目前非常重视氢能，出台了一系列政策推动氢能的发展，
14、也有多个氢能项目正式启动。2014年风氢耦合集成系统关键技术已经成为国家高技术研究发展计划（863计划）中的一个重要课题34。该课题主要研究风氢耦合系统的容量配置、经济性分析以及功率协调控制等关键性技术。2015年国内第1个风电制氢项目沽源风电制氢项目正式启动35。该项目建成后将拥有容量为200MW的风电场和10MW电解水制氢系统。该项目主要用于2个方面：1）减少煤气化和天然气制氢量，缓解化石能源的消耗；2）当氢能网络和加氢站条件满足时，氢气用于供应新能源汽车。2019年“大规模风/光互补制氢关键技术研究及示范”项目通过了国家科学技术部高技术研究发展中心的审核并正式立项批复，目前已经进入启动阶
15、段。该项目将填补我国兆瓦级风光氢耦合储能示范工程的空白，成为达到世界领先水平的示范工程36。2020年8月，第二十二届中国科协年会闭幕式上，中国科协发布了10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题以及10个对技术和产业具有关键作用的工程难题37。这其中提到了利用可再生能源进行规模化的电解水制氢，其中“大规模”“低能耗”“高稳定性”三者的统一，是目前国内可再生能源制氢的研究难点和重点，也突出了目前国内对于氢能研究的重视。3风氢耦合储能系统关键技术3.1适应波动性的低成本高效制氢技术因为风电具有随机性、不稳定性、波动性较大的特点，输入功率需要实时跟随新能源发电出力而大幅度频繁变化，这会导致设备的运
16、行寿命减短及氢气的纯度降低。需要将风电功率与电解槽功率进行匹配，以提高制氢设备的利用率。碱式电解槽和PEM电解槽技术比较成熟，目前应用最广泛。碱式电解槽易获得、耐用，并且由于避免使用贵金属、技术相对成熟，使得成本低廉，适合大规模风电制氢系统。但是，碱式电解槽电流密度和工作压力低，会导致系统效率和气体纯度下降。碱式电解槽研究重点在于：增加电流密度和工作压力；满足动态运行的系统设计；与间歇式可再生能源进行耦合。PEM电解槽主要优点是电流密度、电池效率、氢气纯度和工作压力高，且操作灵活。缺点是铂催化剂和氟化膜材料价格昂贵，且由于高压操作和对水纯度的要求，导致系统复杂度高，制氢量少，目前使用寿命比碱式
17、电解槽短，适合小规模风电制氢系统。PEM电解槽当前的研究重点在于：降低系统复杂性，以实现系统规模扩大；采用较便宜的材料和更复杂的制造工艺，降低成本。因此，如何解决因风电功率波动导致的氢气纯度下降、电解槽寿命下降以及制氢效率下降等问题变得十分重要，同时为降低成本也得加强对于电解槽材料的研究。3.2大容量高密度储氢技术目前，常用的几种储氢方式仍存在着大容量存储问题。现有的几种储氢技术尚不能很好地满足氢能发展的要求，需要开发出容量更大、密度更高以及更加安全的储氢技术。其中，固态储氢是未来研究的重点。如基于镁基储氢材料的氢浆运氢技术，其具有安全性高、储氢密度高、常温运输以及成本低的特点，有效弥补了目前
18、气液2种存储方式的不足。储氢材料的研究大多是以电动汽车为主要应用方向开展的，追求质量和体积储氢密度高、放氢速度快。若将氢气用于燃料电池发电，则对储氢技术有着不同的要求，如储氢密度、分解温度等。因此，推动氢储能发展的关键技术之一就是适用于电网的高效、长寿命、低成本、高性能储氢技术。3.3风氢耦合控制与智能运行技术对风氢耦合储能系统的运行控制策略进行优化，可以提高整个系统的利用效率，降低运行成本。风电与燃料电池、电解槽及储氢设备之间功率的不匹配，会导致整个系统的制氢、储氢及发电能力与效率下降，甚至会造成设备损坏导致安全问题。氢能可作为中间负荷，既高效又清洁，还可以平滑风电功率波动，解决弃风消纳的问
19、题。典型风氢耦合储能系统控制拓扑图38如图6所示。图6中：Con.1部分为超级电容器（supercapacitor，SC）变流器，用于平抑风电造成的直流母线电压波动；Con.3部分为网侧变流器，将风电电流进行直流/交流（DC/AC）变换后并入电网。另外，风氢耦合储能系统合理的技术经济评价对于技术的改进和发展有着重要意义。选取关于氢能技术经济评价的敏感性指标，综合各方面的效益（包括社会效益、环境效益及经济效益等）和条件对其进行研究和评价。行之有效的技术经济评价体系对风氢耦合储能系统的发展会大有帮助，可有力推动风氢耦合储能系统大规模商业化运行。4风氢耦合储能技术发展前景氢能因其效率高、环保且可储存
20、等特点，已经是全球关注的热门话题。其中，可再生能源和氢能耦合也成为各国研究的重点和全球许多国家的发展战略。我国将其列入能源技术革命创新行动计划等重大规划，并写入了国务院政府工作报告39。仅2020年上半年，我国就出台了15份与氢能相关的政策措施和文件，对氢能在我国的发展和利用进行了布局。目前，在我国有40个以上的地方政府出台了发展氢能相关产业的政策和规划。近年来，我国风电装机持续位列全球第1，风电资源丰富，风氢耦合储能在我国有着广阔的发展前景。4.1风电发展我国可利用陆地和海洋上的风能资源十分富足，分别为253GW和750GW39-40。2019年末全国并网风电装机容量为209GW，增长了14
21、.0%41。20172019年我国累计风电并网装机容量以及“弃风”电量情况见表5。电网并网负荷容量有限，且风电存在频率波动，一旦大规模的风电集中并网，过多的风电将无法并入电网，导致大量弃风的出现。由表5可见，2019年全国弃风电量169GWh，全国平均弃风率为4%。目前，国内大部分地区弃风情况有所好转，其中最严重的内蒙古、甘肃以及新疆的弃风率已经分别下降至7.1%、7.6%、14%40。我国弃风现象主要存在于华北、西北以及东北这“三北”地区。2020年虽然全国风电红色预警全面解除，但其他个别地区也存在比较严重的弃风现象，全国弃风总量仍然巨大，如能将其合理利用，可有效缓解我国能源问题。4.2政策
22、支持我国对发展氢能产业十分重视，相继出台了一些政策支持。2019年1月国家出台了柴油货车污染治理攻坚战行动计划42，目的在于解决环境污染和化石能源消耗问题，鼓励和推广新能源货车的应用。其中，燃料电池货车和加氢站建设是发展的重点，该计划还提出了方便新能源货车发展的相关政策。2月鼓励外商产业投资目录（征求意见稿）43提出了氢能与燃料电池全产业链均纳入了鼓励外商投资的范围。3月中国政府工作报告中首次提到了关于氢能基础建设的相关报告和建议。在3月的绿色产业指导目录（2019版）44中对燃料电池制造和氢能相关设施的建设进行了说明，加大了对燃料电池和氢能设施的建设和投资。4月国务院关于落实政府工作报告重点
23、工作部门分工的意见提出，重点扶持新能源汽车，加大对充电和加氢站的建设。5月2019年新能源汽车标准化工作要点、6月鼓励外商投资产业目录（2019年版）均提出了将燃料电池和加氢站作为投资和发展的重点，大力支持新能源汽车的发展，针对新能源汽车的购置提出了优惠政策42。我国氢能产业发展规划如图7所示。4.3环境与经济效益目前，我国生产氢气的方式主要是煤气化制氢，煤气化制氢量占全国总制氢量的40%，这既加大了化石能源的消耗同时也排放了大量的CO2，对自然环境造成了污染。氢能发电具有高效和清洁的特点，发展氢能发电可有效减少CO2排放。风力发电上网不稳定，且每年我国弃风量巨大。2019年，全国弃风电量高达
24、169GWh，相当于约3106t电解水制氢电耗。若将制得的氢气用于工业生产如电力、冶金、化工、国防、氢燃料电池汽车等领域可挽回数亿元的经济损失，给国家带来极大的经济效益；同时，还可减少煤的使用约5107t，减少CO2排放约1.5108t。由此可见，氢能具有良好的环境和经济效益。5结语本文介绍了风氢耦合储能的基本原理、结构、特点、国内外研究现状、风氢耦合储能关键技术以及风氢耦合储能在中国的发展前景，对风氢储能进行了全面的综述。目前，风氢储能技术难题主要集中在制氢、储氢、优化控制策略以及经济性分析4个方面；氢储能的研究重难点则主要集中在燃料电池技术、电解槽技术、储氢材料的研究以及技术经济评价这4个方面。在风氢耦合储能方面，世界各国都进行了深入研究并进行了许多示范性工程。我国近几年也陆续启动了如沽源风电制氢综合利用等示范项目，风氢耦合储能发展前景良好。14