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风光制氢:未来氢能的发展趋势

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风光制氢:未来氢能的发展趋势

2023-10-19 15:19:21 联悦气体 浏览次数:1034



氢气是一种重要的清洁能源,能用于电力、热力、冶炼、冷却、制造、化工和燃料等多种应用场景,可调整能源供应结构。因此,氢被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体,未来在能源结构中将占有一席之地。

传统制氢技术需要消耗大量一次能源或生产原料,并产生二氧化碳等污染,若采用风光等可再生能源制氢将产生巨大的经济和环境效益。今天,请跟随小编一起全面了解风光制氢技术。


风光资源

我国水电、风电、光电装机规模均居世界第一,总装机容量约占全球可再生能源总量的28%。但我国发电与负荷的地理分布不均,远距离外送的技术制约加上可再生能源发电所固有的随机性、季节性和反调峰特性进,这使得风电和光电存在分布不均和发电量不稳定的特点,对其并网带来了一定困难,导致弃风、弃光、弃水情况严重。



2019年,我国弃风、弃水、弃光电力合计约720亿kW·h(相当于佛山全市一年用电量),弃风、弃光电量总和约为215亿kW·h;2020年,我国弃风、弃光现象主要集中在“三北”地区,其中甘肃弃风率最高为13.8%,西藏弃光率最高为25.4%。


而对于具有不均匀性、间断特性的大量弃风、弃光资源,氢能是一种理想的能量储存介质,采用电解水制氢技术回收弃掉的风光电力,既有效解决我国可再生能源消纳及并网稳定性问题,又利用可再生能源替代化石燃料制氢减少碳排放,具有巨大环境和经济效益。


风电制氢

风电制氢即将富余风力资源通过风轮转子转化为机械能,再将机械能转换为电能送入电解水制氢设备实现电—氢转换,经由压缩机压缩存入储氢罐中,经过运输在应用终端,通过氢燃料电池发电或直接应用于化工、医疗等行业。



风力发电制氢系统根据与电网连接情况可以分为并网型风电制氢系统和离网型风电制氢系统,目前我国离网条件下风电耦合制氢技术尚处于起步阶段,大多采用并网型风电耦合制氢系统,整体系统结构如下图所示,包括风力发电机组、储能变流器能量转换及控制系统、电解槽制氢模块、氢气压缩机、高压储氢罐等部分。


风电并网制氢系统结构图


在整个风力发电制氢系统中,风力发电机设备接入电网的同时要接入电解槽。电网电力不足时,风力发电机组为电网供电停止制氢;电网电力有富余时,电解槽从风机获得电力的同时从电网取电,最大程度减少能源浪费,可有效提高风电制氢经济性。根据研究,风电资源用于大规模制氢及提高风电消纳在经济效益上是可行的,且全过程近乎零碳排放、无污染,因此风电制氢技术具有很好的应用前景。


光电制氢

光伏发电制氢即将太阳能面板转化的电能供给电解槽系统电解水制氢,系统整体结构类似风力发电制氢系统。其中,光伏发电技术主要是基于半导体的光电效应,即让不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。


光伏发电制氢系统结构图


首先由光子转化为电子、光能量转化为电能量,最后形成电压。光伏发电的主要核心元件是太阳能电池,其他还包含有蓄电池组、控制器等元件,系统整体结构如上图所示。我国光伏发电相关技术及建设规模已达世界领先水平,光伏发电成本持续下降,因此在我国能源清洁化转型进程中,光伏+氢的组合将在脱碳减排工作中扮演不可或缺的角色。


风光耦合制氢

风光互补耦合发电制氢系统由风力发电系统、太阳能发电系统、电解水制氢装置及氢能储存和利用系统组成,系统总体框架如下图所示。风光互补发电制氢系统工作原理为当区域电网中风光资源富余时,将弃风弃光资源用于电解水制氢,当电网电力不足时,氢能通过燃料电池为电网供电,达到削峰填谷的作用,同时还可极大提升风光资源的利用率及并网稳定性,使得风力、光伏发电优势特性互补。


风光互补耦合发电制氢系统结构图


研究发现,在发电机组容量相同时,风光互补发电制氢储能系统相较于单一风电或光电制氢的系统具有以下优点:

1. 利用风能、太阳能的互补性,可以获得比较稳定的输出,系统有较高的稳定性和可靠性;

2. 在保证同样供电的情况下,可大大减少储能蓄电池的容量;

3. 通过合理地设计与匹配,基本上可以由风光互补发电系统供电,很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等,能够获得较好的社会效益和经济效益。



相关项目

风光与氢能大热的当下,风光制氢项目陆续签约落地,“风光制氢”势不可挡。从发展区域来看,内蒙古、新疆、宁夏等地率先成为风光制氢示范项目主要建设地区。其中,内蒙古凭借累计风光装机全国第一大省优势,在众多发展可再生能源制氢区域中脱颖而出。



截至2023年初,内蒙古累计批复4批风光制氢项目31个,其中并网型27个,离网型4个。配套新能源1315.25万千瓦,其中光伏466.9万千瓦、风电848.35万千瓦,配建储电13.5万千瓦时、储氢21.6万吨,年制氢能力53.189万吨。


总结

在双碳背景下,风光制氢既消纳了弃风弃光资源,又利用氢能助力能源结构转型,实现能源高效利用,是未来能源的发展趋势。目前我国可再生能源制氢技术处于初步发展阶段,由于设备投资、生产成本、转化效率等因素制约,风光制氢尚不具备成本优势,未实现大规模商业化应用。相信随着风电光伏装机规模壮大、可再生能源电力成本持续下降、电解水制氢技术不断进步,风光制氢将呈现快速发展态势。



参考文章:

1. 《“双碳目标”下可再生能源制氢技术综述及前景展望》李建林

2. 《可再生能源制氢技术及应用综述》郝世超

3. 《新能源制氢技术发展现状及前景分析》黄格省

4. 《风光制氢大时代》氢能观察


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