風能棄電的利用與電解制氫能量轉化分析

＊方雨豪 劉書杰 李珂 張靜 徐江 王竹青*

（1.物產中大新能源發展（浙江）有限公司 浙江 310000 2.杭州三花微通道換熱器有限公司 浙江 310000）

近年來，由于煤炭、石油等化石能源不斷耗竭，溫室效應逐漸加劇，給人類造成了嚴重的區域生態惡化和環境災害。隨著化石能源的不斷耗竭和產生的一系列問題，人們對風能、太陽能等可再生能源的開發利用越來越重視。風能是一種清潔、無污染且儲量巨大的可再生能源，其開發利用途徑得到世界各國的廣泛關注。根據國家中長期發展計劃，預計到2050年底，風電總裝機容量將超過1000GW[1]。但是隨著風電裝機總容量的不斷增加，越來越多的問題也隨之出現，例如大量棄風棄電現象的存在，在很大程度上影響發電企業的投資效益，還限制了風電行業持續穩健的發展態勢。因而，風能棄電的資源化利用愈發重要。周可等[2]利用戈壁灘上的棄風棄電為抽水機供電進行儲水，支持區域的綠化灌溉；劉景霞等[3]提出合理利用棄風電量進行移動固體電蓄能采暖的風電供暖方案，緩解“三北”地區冬季用暖問題；于蓬等[4]開發了一種基于棄風棄電制氫的熱電聯供裝置，該實用新型將可再生能源發電裝置產生的多余電能轉換為氫氣儲存再利用，提高了可再生能源利用率。風能棄電的資源化利用途徑形式多樣，但大多缺乏對利用過程的能量轉化進行分析描述，本文通過對棄風能源電解制氫路線的能量轉化進行了分析，為棄風能源用于電解制氫利用效率提供理論參考；同時對風力發電存在的問題進行淺析，并對風能棄電的解決辦法進行了探索，為推動棄風能源的再利用提供思路。

1.風電新能源的發展現狀

風力發電是一種具有可再生的綠色發電方式。風力發電具有清潔零污染、分布區域廣泛、能源儲備量巨大、有良好的發展前景等優勢，世界各國對風力發電的研究非常廣泛。我國地域廣闊，地形多樣，從整體來看風能儲量巨大、分布廣泛，這就為風電新能源的應用創造了有利條件，國家對風電產業的發展也給予大力支持，推行了諸多利好政策，使得風電新能源技術利用得到了迅猛發展。中國風電累計裝機容量在全球所占比重呈現出逐年上升的趨勢，國家能源局發布的數據顯示，2020年，我國新增風力發電并網裝機容量7167萬千瓦，其中陸上風力發電新增裝機容量6861萬千瓦，海上風力發電新增裝機容量306萬千瓦。截止2020年底，全國可再生能源發電裝機總容量為9.3億千瓦，占總裝機容量的42.4%，開發利用規模穩居世界第一，其中風電裝機2.8億千瓦，連續11年穩居全球首位[5]。

2.風能棄電對電解水制氫能量轉化分析

（1）風電場風能棄電的實際情況。以新疆達坂城風電場為例，新疆達坂城風電場是我國大型風能利用基地之一，由于地處南北疆氣流的通道上，有著豐富的風力資源，而且風力條件整體情況較好，一年12個月都可以正常開機發電，風電場的年風能蘊藏量為250億千瓦每小時，可利用總電能為75億千瓦每小時，可裝機容量為2500MW。根據全國新能源消納監測預警中心，2020年新疆地區的平均棄風率為11.2%，則該風電場年可用于制氫的棄電量為4051萬千瓦時，如合理利用這部分棄電量用于轉化為氫能源，將為經濟社會的發展增添光彩。

（2）制氫所需能量分析。由電解水的化學反應過程可知每產生1mol的氫氣和0.5mol的氧氣需要轉移2mole-，而每摩爾的電子電量為96500C，在標準狀態下，1mol的氫氣體積為22.43×10-3m3。可以算出，在標準狀態下，制備單位體積的氫氣理論上消耗的電荷量為：

理論上，制備氫氣所消耗的電能與電解池兩端的電壓，消耗的電量成正比，電解兩端的電壓為水的理論分解電壓1.23V，因此就可以得到理論消耗電能：

但是在實際情況下，電解池兩端的電壓要大于水的理論分解電壓，一般為理論電壓的1.5～2倍[6]，原因是電解池本身存在電阻和極化電動勢，因此電流流過時就會產生分壓，導致實際電解電壓大于理論電壓，所以在標準情況下，制備氫氣的實際電能消耗為4.41～5.88kWh/m3。

堿性電解槽的轉化效率通常為70%，如果按照每立方氫氣耗電5kWh來計算，則新疆達坂城風電場的年氫氣生產量為567.1萬立方米。根據全國新能源消納監測預警中心，我國2020年全國風電棄風電量為166.1億千瓦時，如果使用這些電量全部用于生產氫氣，可以產生約23.25億立方米，折合氫氣的質量為2.09億千克。

（3）氫能與傳統能源使用對比。常見家用燃油小轎車平均每百公里油耗為8L，1L汽油中含碳量約為657.72g，在汽車中燃燒會產生2.4kg的二氧化碳，新型氫燃料電池汽車的平均每百公里氫耗約為1kg[7]，由此可見使用氫能源1kg相當于減少排放19.2kg的二氧化碳，全國每年的棄風電量全部收集起來制備氫氣用作氫能源汽車燃料的話，相當于每年減少排放40.1億千克的二氧化碳，這會極大地降低對環境的壓力。不過當前氫氣的市場價值約為60元/千克，而92#汽油的價格為7.4元/升，百公里汽油費消耗為59.2元，兩者燃料使用成本上價格相當，但氫能源的使用不會對環境造成任何污染，因而在解決棄風棄電問題上，風電制氫系統帶來的經濟效益和社會效益是非常可觀的，氫能源才是未來發展的方向。

3.風力發電存在的問題及解決辦法

（1）風力發電存在的問題。風能的能量密度較小，想要開發和利用風能，獲取同等的能量，只能加大風力發電機的風輪尺寸，另一方面，風輪機的傳動效率較低，在實際應用的過程中，風力發電機的發電效率與理論發電效率有較大偏差。風能是一種過程性的能源，風的方向和速度都不能被人為控制，其具有一定的多變性和不可控性，另外風力發電機不容易調控出力，所以利用風電新能源所產生的電能也具有波動性[8]。風能發電和其他能源不同，其蓄電的成本十分高昂，甚至超過發電成本，連接風能發電機的電網系統不具備任何蓄電能力，僅僅只能調節收納電量，以此來控制輸出電量。風力發電對電網的調度基本為零，人為因素不能控制風能，所以風力發電調節也就不能根據負荷率的大小而實現，這無疑為電網調度增加了較多的困難。

風電接入電網方式主要有兩種，一種是直接將風電機組與電網連接并網，另一種是建立風電基地，將電能存儲起來再統一輸送出去。在風電接入電網的時候就會產生一系列的問題，總的來說，主要包括以下幾個方面：

①降低電能品質。根據以往的經驗，風電裝機容量較低，風電通常是通過異步發電機的方法，將風電與電網連接，這樣就能把電能輸入到配電網絡中，采用這種方法的原因是它操作簡單，且成本較低，但是由于傳送設備綜合性能較差，很容易被外界因素影響，導致諧波污染等現象的發生，降低了電能的品質。

②當風電場運行時，它會使用一定量的無功功率。并網后，容量的增加會導致無功功率的損失，電壓會發生波動。

③風力發電存在著發電不穩定的特點，受到這一特點的影響，當失去輸出時，會降低電網的頻率，風電所占的比例越高，這種現象更加顯著[9]。

除了并網時會出現問題，對電能更大的浪費是發生在“棄電”現象上，棄風消納存在的問題主要有：

①風電發展速度太快，基礎建設難以跟上進度，大大影響風電的消納能力，在風電發展的規劃初期，沒有考慮過風電消納的問題，結果就是風電項目建成之后，產生的電能無處消耗，導致了產能過剩。

②風電場產地本地消納空間受到限制，跨區域輸送電力的能力不足，在建設風電之前本來就存在火電等的發電裝機，從而導致風電裝機完成后，電力消費能力不足，跨區域輸送電力的能力不足。

③風電發展與電網建設不同步，國家為了促進風電產業的發展，出臺了一些有利的政策，雖然使風電建設突飛猛進，但是風電大規模的集中增加，讓相應的電網配套建設難以跟上進度，造成了大量的風力發電項目建成投產后，所產生的電難以并入國家電網。

④系統面臨的調峰壓力越來越大，不同地區在不同的季節對電量的使用有著不同的要求，例如東北地區冬季的最大供電負荷與夏季相差很大，這就對調峰系統的要求越來越高。

據全國新能源消納監測預警中心統計，2020年我國棄風電量為166.1億千瓦時，棄風率為3.5%，我國的重要風電產區新疆的棄風率更是高達11.2%。所謂棄風現象，意思就是風力條件良好、發電機組設備運行正常的情況下，由于電網的消納能力差、輸電能力不足或者風電出力不穩定等原因，導致風電場上的風機產生的電能不能穩定傳輸到電網之中，為了避免風機做無用功造成設備損耗而停機。棄風現象的發生是不可避免的，但是棄風現象經常發生就會降低風能的利用率，嚴重影響投資企業的利益，給社會經濟造成巨大的損失，因而探究一種高效可行的辦法來解決風能棄電問題迫在眉睫。

（2）風能棄電的解決辦法探索。風能棄電問題的存在造成大量的能源浪費，解決風能棄電問題的根本就是使過剩的電能能夠被有效地消納，傳統的方法有：

①加快建設跨區輸送電設備，使風電跨區往外省輸送，我國的主要風電產區集中在“三北”地區，但是這些地方的電力消納能力不足，所以需要將多余的電力外送來增加風電的消納。

②做好早期發展規劃，在風電項目建設之前做出整體規劃，包括風電項目本身規劃和相關的配套輸變電工程，以及風電項目建成之后的消納渠道和消納能力的預估，避免在項目完成之后面臨嚴重的棄風問題。

③調整風電場地區電力結構，利用大數據統計來做好電網運行方式的安排，提高調峰系統能力，科學設計電網之間的調度方案，優先調度風電，逐漸減少火電的使用。

由于電網的建設周期一般較長，且遠距離輸電的安全隱患較大，于是便出現了利用電蓄熱技術將電能轉化為熱能給城市供暖[3]和利用電解水技術制備氫氣[10]等方式來消納電能，本文通過對風電電解制氫的能量轉化進行分析，為推動棄風能源的再利用提供了思路。

4.結束語

本文對風電新能源的發展現狀和電解制氫相關情況進行了分析，風電制氫技術的發展符合構建無污染、零排放的“綠色”發展要求。該技術一方面可以解決由于風力發電相關建設不夠完善所導致的棄風棄電問題，另一方面還能制備氫氣這種高效清潔的能源，有著巨大的開發使用價值。目前氫能尚未大規模的開發利用，其主要原因是氫能源的終端應用市場還未完全發展起來，氫燃料電池設備成本較高等問題，這導致氫能源的開發使用成本較高。但隨著技術的突破，氫能源及相關設備成本的降低，終端市場終會被打開，氫能源必將迎來爆發期。