我國新能源發電制氫儲能技術研究

摘要：我國各種能源分布極不平衡，作為新能源發電來說，尤為如此。需要大規模輸電線路輸電，但是新能源發電屬于不可控電源，間歇性、反調節是其主要特點，需建造常規能源的電站或儲能裝置。

關鍵詞：新能源 發電 制氫 儲能

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0038-02

我國各種能源分布極不平衡，對新能源發電來說，更為如此，風能主要集中在內蒙、甘肅、新疆等地區，光伏發電主要集中在內蒙、甘肅、新疆、青海等地，上述地區距離負荷中心距離遠，需要大規模輸電線路輸電，但是新能源發電屬于不可控電源，間歇性、反調節是其主要特點，遠距離輸送電時為了調控和抑制這種大量電能的波動，還得建造常規能源的電站了以解決風力發電輸出電能不穩定問題，而這些電站需要更多的常規能源來支持，原先想通過利用風能節省大量的常規能源，結果反而加大了常規能源的使用，沒有增加新能源在能源使用中的比例，沒起到節能減排目的。

鑒于此，需要發展大規模的儲能裝置來配套大規模的新能源發電，發展抽水蓄能是條技術成熟，投資較低，可以大規模建設的一種儲能方式，但我國新能源集中地區，如酒泉、內蒙、新疆千萬千瓦級風電基地都處于極度缺水地區，且地勢較為平坦，無法規劃建設大規模抽水蓄能電站。

其他儲能方式如何？如使用蓄電池怎樣呢？鉛酸電池肯定不行，沒有這么大的功率容量，并且價格特別貴，大量的使用還有鉛污染問題；鎳氫電池與鋰離子電池受限于這兩種元素的數量限制（全球的儲量也是不多的）和特別昂貴的價格的限制，也不能夠采用；最近還有全釩氧化還原液流電池在研發中，但是多次還原過程中的離子膜污染問題也一直沒有很好解決，要達到實用的程度還要相當長的時間，商業化的應用究竟會不會影響到環境還是未知數。其他的儲能方式，如壓縮空氣儲能、飛輪儲能、化學儲能等等都因為效率太低、容量太小，費用太高不能大規模使用。

風電由于自身特性及遠距離輸送容量限制，現有風電場實際發電情況不容樂觀，從2012年2月至今，諸如：“東北350億元投資的風力發電機組在曬太陽”；“內蒙古近一半風力發電機“棄風停機”“甘肅酒泉風電場限負荷嚴重”等現象不停見諸報道，隨著風電進一步建設，規模不斷擴大，限電問題將更加突出，風電不能一直“曬太陽和閑置”下去，利用風電進行大規模制氫，走制氫儲能方式，是解決問題根本途徑。有了風電制氫產生的這些氫氣能源，我們就能夠實現大規模的能量儲存（指儲存氫氣和氧氣），既可以解決現在模式的風電并網難題，又能夠直接利用將氫能源利用在其它許多方面，如工業上的煉鎢和煉鉬都需要大量的氫氣，移動的交通工具（汽車、火車、輪船甚至飛機都可以使用氫氣能源，生活中的炊事、取暖等都能夠使用。

經過實驗研究，電解水裝置對風機的不穩定性功率輸出具有很強的適應性，可以隨著輸入功率的波動氫氣氣體流量做相應的基本相同趨勢的波動，證明了風電用于工業電解水的可行性。

按酒泉風電基地目前投產的單個20萬kW風電場計算制氫的實際收益。目前可研年利用小時數大約2200h左右，若不考慮限負荷因素，年理論發電量可以達到4.8億度，目前2012年上半年實際發電量平均為16000萬度，全年預計32000萬度，若使用風電制氫，把剩余無法送出1.6萬度風電用來制氫，按電解水產生1立方米氫氣耗電5度，輔助能耗10%，氫源經過提純、加壓和儲運等工序大致消耗1度，總體按6.5度計算，就可以生產出2460萬m3的氫，按每瓶裝入6m3計算（現在市場的標準氫氣瓶，壓力是150kg/m2，容積是40L氫氣鋼瓶）：可生產410萬瓶氫氣（每瓶裝入6m3氫氣）；電解氫氣每瓶價格為48元：（2010年4月份價格），48元×410萬瓶=19680萬元。制氫時生產的氧氣收入，另外還有氧氣（每產生1立方米氫氣同時產生0.45m3氧氣），即：2460×0.45=1107萬m3氧氣，那么1107萬m3氧氣/6=185萬瓶氧氣，每瓶氧氣賣16元（2010年4月價格），185萬瓶×16元=2960萬元，上述風電制氫、制氧，一年兩項相加總數是19680+2960=22640萬元。經濟效益十分顯著。

投資回報分析：現有風電場只需投入制氫設備、存儲設備、灌裝設備即可，1kW容量大約投入3000元，按5萬容量設備計算，需要設備投入15000萬元，加上人員工資等生產費用5000萬元，一年可收回成本。每年節約1.6億度電，20年的使用時間內減少的二氧化碳相當于14.8萬t×20年=296萬t二氧化碳，這無疑是十分巨大的二氧化碳減排數量。

但是也存在制約因素，現有的氫儲存技術成本昂貴、安全穩定性差，耗能大且不適于大規模生產利用。為了解決這個問題，倫敦大學學院魯特福德·艾普頓實驗室和牛津大學的科學家們研究出一種把高密度的氫擠壓進極小水珠的方法，這樣儲存的氫能以液態形狀倒出或泵進油箱，就像普通汽油一樣。解決了氫的儲存問題，氫燃料的全方位普及便邁入了一個新階段。如此形成的小水珠核心為納米結構的氫化物，而外殼則是高分子聚合物構成的氫化物載體，十分易于燃料。

據英國《每日郵報》2011年1月30日報道，這種氫燃料科學家們將其稱為“人造汽油”，并將于2012年對其進行道路測試。如果測試結果令人滿意，未來3～5年內就能看到燒“人造汽油”的汽車了。此項技術一旦成熟推廣使用，對制氫尤其是儲存使用必將帶來非常深刻的影響。由于主要成分為氫氣，燃料燃燒時不會產生有害氣體，對環境毫無影響。研究人員目前正在對“人造汽油”的配方進行改良，使其能直接應用于未經改裝的汽車引擎內，這一點也使得其較電動汽車更為方便。項目牽頭人史蒂芬·本寧頓教授表示：“從某種意義上說，氫氣是完美的燃料。它單位重量的能含量是一般汽油的3倍，但排放卻是零。”

目前正在把這項技術變為現實的塞拉（Cellar）能源公司負責人史蒂芬·沃爾克表示：“我們已經在制造這種取代傳統燃油的微型水珠，這種高容量的儲氫材料適用于燃燒汽油的現有汽車，因此無需對車進行改造。”

這種模式并不需要特別先進的技術，絕大部分是利用了成熟的電解技術和氫能源應用技術的等多項技術的組合，不斷的擴大其規模，逐步的替換傳統的能源（碳能源），通過大規模的使用進一步提高其轉換效率，滿足全社會的能源需求，應該是必由之路。

應用技術層面的分析：

儲氫技術：從2005年起就有很多儲氫技術開發成功，當然也還在不斷的開發中，大致上有物理和化學兩個方面，如：“液化儲氫”；“金屬氫化物儲氫”；“吸附儲氫”；“有機液體儲氫”；“玻璃微球儲氫”“地下巖洞儲氫”；“無機物儲氫”；“鐵磁性材料儲氫”等多種儲氫方式，這些技術都已經研發成功或者是正在推廣的技術，氫能源汽車就解決了儲氫氣問題，可以參考，這些技術保證了氫能源的儲存問題，為“風電制氫”打下了良好的技術基礎，為風電制氫鋪平了道路。

氫內燃機技術，請看下面的報道：氫能源利用突破中國第一臺氫內燃機點火成功。

近日，我國自主研制的第一臺高效低排放氫內燃機在重慶長安汽車集團成功點火。高效低排放氫內燃機是國家“863”計劃惟一立項的氫燃料重點項目，它的成功點火標志著我國氫內燃機研究技術獲得了突破性的進展，為氫內燃機的產業化奠定了基礎。

據悉，氫燃料與汽油特性差異巨大，真正的氫內燃機必須根據氫燃料的特性研究開發，而不是汽油機的簡單改造，因此氫內燃機是一種新型的內燃機。氫燃料內燃機的工作原理是用氫代替汽油，直接在發動機缸體內燃燒，驅動汽車行駛。我國自主研制的高效低排放氫內燃機是一種新型的內燃機，它與傳統的汽油機和柴油機相比，具有高效率、低排放、低成本、適應性好等突出優點，對于減少環境污染，應對能源危機具有十分重要的意義。此前，我國已經在氫燃料電池的研發方面取得巨大突破，由同濟大學研發成功的氫燃料電池汽車主要測試數據均達到世界先進水平。氫燃料電池是我國氫能源利用的另一種方向，與氫燃料內燃機不同，氫燃料電池的工作原理是由氫燃料產生電能，向電池充電，以電力驅動汽車行駛。

氫能源發電技術：這應該是最容易的了，可以采取傳統的燒鍋爐的方式，以氫能源代替煤炭產生蒸汽，再推動蒸汽輪機發電；或者是采用燃氣渦輪機帶動發電機發電，因為是可控、可調的所以并網是沒問題的。

小型的移動電站等盡可以采用“氫內燃機方式”進行發電。氫氣也很容易長途輸送，就像輸送天然氣一樣，可以長距離的輸送到需要的地方進行利用，它與天然氣相比最大的特點就是“取之不盡用之不竭的，可以持續、循環利用的能源。

總之，利用大規模、數量巨大的新能源發電，進行大規模的風電制氫，經濟上是可行的，同時進行氫能源廣泛使用的行動，使氫能源時代早日來臨，是大量減排二氧化碳的根本方法，是從根本上解決制約新能源發電的途徑，也是從根本上走出能源困局的光明大道。

參考文獻

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