我國是全球風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模最大的國家，并網(wǎng)風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量已突破1.5億千瓦。然而，棄風(fēng)、棄光問題依然是制約我國新能源發(fā)展的主要瓶頸。造成棄風(fēng)棄光問題的主要原因在于，我國新能源供應(yīng)和需求呈逆向分布，80%以上的風(fēng)能資源分布在“三北”地區(qū)，而能源需求集中在東部、中部地區(qū)，這就必然會導(dǎo)致新能源消納矛盾。
長遠(yuǎn)看，隨著我國可再生能源占比快速增加，可再生能源的大規(guī)模存儲和消納顯得尤其重要。為尋求解決之道，業(yè)界學(xué)界紛紛將目光投向儲能技術(shù)，其中，氫儲能技術(shù)作為一項前瞻性儲能技術(shù)正廣受關(guān)注。
氫儲能技術(shù)簡介
2014年年初，李克強總理考察德國氫能混合發(fā)電項目，指示國內(nèi)相關(guān)部門組織實施氫能利用示范項目。國家能源局指示河北、吉林省加快可再生能源制氫示范工作，將氫儲能作為解決棄風(fēng)、棄光問題的新思路。2015年年初，國家能源局連續(xù)印發(fā)《國家能源局關(guān)于做好2015年度風(fēng)電并網(wǎng)消納有關(guān)工作的通知》《國家能源局關(guān)于在京開展可再生能源清潔供熱示范有關(guān)要求的通知》《國家能源局綜合司關(guān)于進(jìn)一步做好可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃編制工作的指導(dǎo)意見》），可再生能源消納工作迫在眉睫。
國家電網(wǎng)公司從能源可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，大力接納新能源發(fā)電，推進(jìn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。由于新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性等特點，會帶來電壓波動、頻率波動等電能質(zhì)量問題，必須配合儲能系統(tǒng)改善新能源發(fā)電的運行特性。
作為一種清潔、高效、可持續(xù)的無碳能源，氫儲能是化學(xué)儲能的延伸，受到了世界各國的關(guān)注。它的原料來源取之不盡，電解制氫過程環(huán)保且具備可持續(xù)性，適合大規(guī)模、長時間存儲，占地面積小、無污染、與環(huán)境兼容性好。同時，氫儲能的技術(shù)功率、能量可分開優(yōu)化，儲電和發(fā)電過程無需分時操作，是一種理想的綠色儲能技術(shù)。
如果將氫儲能技術(shù)用于儲能領(lǐng)域，理論上能存儲多少氫氣/合成氣/合成油就能儲存多大規(guī)模的能量，是僅有的能儲存千萬千瓦時以上且可維持幾周供電的能量儲備技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
此外，氫儲能系統(tǒng)的相對獨立性和非地域限制等特征，還可應(yīng)用于分布式發(fā)電和微電網(wǎng)、變電所備用電源、工礦企業(yè)、商業(yè)中心等大型負(fù)荷中心應(yīng)急電源，以及無電地區(qū)和通訊基站供電等場合?？梢哉f，氫儲能技術(shù)是智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的重要支撐，并逐漸成為多個國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點。
國際發(fā)展現(xiàn)狀
在國際上，歐洲、美國、日本都已制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，并迅速有序地推進(jìn)，目前已取得了積極成果。
歐盟氫能發(fā)展戰(zhàn)略
目前，歐盟的可再生能源發(fā)電發(fā)展較快。根據(jù)計劃，到2020年、2030年、2040年、2050年，歐盟可再生能源發(fā)電占總電力的比例將分別達(dá)35％、50％、65％、80％，并在2060年最終實現(xiàn)不依賴化石能源的可持續(xù)發(fā)展。2014年10月，歐盟制定了2030環(huán)境與能源框架，提出2030年將比1990年減少40%的溫室氣體排放，可再生能源供電比例不少于27%，并計劃將能源轉(zhuǎn)換效率提高30%。2015年2月，歐洲能源聯(lián)盟制定了遠(yuǎn)景氣候變化政策，同年9月又制定了一份目標(biāo)明確的實施計劃，主要調(diào)研的可利用能源包括工業(yè)尾氣、氫氣及燃料電池等。目前，以德國為首的5個國家都制定了加氫站規(guī)劃，其中德國計劃2018年建設(shè)100座加氫站，2020年達(dá)400座。預(yù)計2020年后歐洲將建成約570座加氫站，為燃料電池汽車配套。
根據(jù)德國的氫能與燃料電池計劃，德國目前的發(fā)展進(jìn)度已經(jīng)大幅提前，原定2020年開始的計劃現(xiàn)在已經(jīng)提上日程。在德國中部和北部，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)幾乎到處可見，北部則建成了世界上最大的風(fēng)力發(fā)電場。在德國南部地區(qū)，許多房頂都安裝了太陽能發(fā)電板。目前，德國的新型儲能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)開始，一些大的能源電力公司都在積極實施各種項目，以期最終實現(xiàn)利用風(fēng)能等可再生能源大規(guī)模制氫，這將是今后大規(guī)模利用風(fēng)能最有前景的技術(shù)路線之一。
日本氫社會建設(shè)
日本計劃構(gòu)建一個氫能社會，從家用熱電聯(lián)產(chǎn)到國民用電，最終目標(biāo)是充分利用氫燃料的熱和電。日本制定了氫能的發(fā)展路線圖，計劃從3方面逐步實現(xiàn)氫能社會。首先是家用燃料電池系統(tǒng)和燃料電池車。日本已于2009年實現(xiàn)了家用燃料電池系統(tǒng)的量產(chǎn)，運行壽命超過6萬小時，熱電聯(lián)產(chǎn)綜合效率達(dá)到95%，并可以和電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工作。未來5年，日本將致力降低燃料電池成本，降低催化劑使用量，預(yù)計2020年燃料電池汽車的價格將不高于混合動力車，燃料電池汽車的補貼將不低于混合動力車。
第二是氫儲能系統(tǒng)和氫產(chǎn)業(yè)鏈。日本政府加快氫儲能的研究開發(fā)及示范，近期工業(yè)燃?xì)饩揞^巖谷產(chǎn)業(yè)降低燃料電池車燃料氫氣的價格，推動日本的供氫產(chǎn)業(yè)鏈，保障氫氣的供應(yīng)。2030年，日本計劃輸送氫氣至海外，形成一整套氫能產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)氫儲能系統(tǒng)的商業(yè)化運營。
第三是二氧化碳的減排和利用。日本計劃2040年實現(xiàn)完全由可再生能源供電的無二氧化碳的氫氣供應(yīng)及二氧化碳的綜合利用。針對燃料電池汽車，日本同步開展燃料電池汽車和加氫站推廣，目前已完成81個加氫站的建設(shè)工作。針對氫存儲系統(tǒng)，目標(biāo)是研發(fā)低成本、高可靠性的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，主要的技術(shù)路線包括制氫及合成氫化物、氫化物的運輸、儲存及脫氫等過程。
美國能源部相關(guān)研究現(xiàn)狀
近年來，美國氫能和燃料電池的專項撥款不斷增加，美國能源部對氫能和燃料電池的研發(fā)投入呈增長態(tài)勢。與2006年相比，目前美國燃料電池的效率可達(dá)50%，鉑金用量減少了5倍，循環(huán)壽命提高2倍，電解槽效率達(dá)80%。在燃料電池電動車示范方面，美國已生產(chǎn)超過215輛，建設(shè)30座加氫站，建成世界首座熱電冷聯(lián)產(chǎn)氫能源站，目前燃料電池已廣泛應(yīng)用于機(jī)場貨物拖車、公交大巴、移動照明等場景。
美國能源局現(xiàn)階段的主要研究重點是燃料電池系統(tǒng)、加氫站及氫氣儲存。其中燃料電池系統(tǒng)關(guān)注低鉑或無鉑催化劑、堿性膜等方面，加氫站關(guān)注先進(jìn)的加壓替代方法，氫氣的儲存關(guān)注低成本的碳纖維，長壽命材料的技術(shù)路線等。
綜上可見，歐洲在氫儲能技術(shù)發(fā)展方面?zhèn)戎貙嶋H應(yīng)用，其相關(guān)政策和交易平臺靈活健全，有力支撐技術(shù)市場化運營。日本全面打造氫能社會發(fā)展理念，以大力發(fā)展氫終端用戶為突破口，構(gòu)建完整、成熟的氫供應(yīng)鏈，逐步實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈布局。美國在關(guān)鍵技術(shù)和市場應(yīng)用兩塊都比較重視，燃料電池市場已日漸壯大并開始產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。氫儲能技術(shù)發(fā)展的國際大環(huán)境也將帶動國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，刺激技術(shù)需求和進(jìn)步。在電力行業(yè)內(nèi)，有可能率先引發(fā)電氫轉(zhuǎn)化、分布式供能及儲能等方面的變革。
我國應(yīng)用前景
我國是世界第一大氫氣生產(chǎn)國，自2009年達(dá)到1000萬噸以來，連續(xù)7年居世界第一，預(yù)計2016年氫氣需求量將達(dá)2802萬噸。目前我國氫氣的生產(chǎn)和大宗消費用戶主要集中在石油化工領(lǐng)域，其高增量的氫氣需求主要來自于甲醇、煉油廠氫氣需要，崛起的煤制油、煤制氣產(chǎn)業(yè)也將是氫氣需求新的增長點。一邊是氫氣消費量的持續(xù)增長，另一邊是日益增加的棄風(fēng)、棄光消納需求和峰谷電綜合利用壓力，這種基于可再生能源大規(guī)模消納的水電解制氫技術(shù)路線，有望成為電網(wǎng)和制氫行業(yè)的共同選擇。
另外，由于城市電網(wǎng)負(fù)荷不斷加大，峰谷差增加，使電網(wǎng)必須提供足夠的旋轉(zhuǎn)備用用量保障供電。分布式氫儲能系統(tǒng)可配置于城市電網(wǎng)配電側(cè)，形成城市多點分布式供能，在夏季高溫時段提供數(shù)小時的高峰用電，有效減少電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量，優(yōu)化電力系統(tǒng)的供需配置。同時，隨著峰谷電價差的拉大及相關(guān)政策跟進(jìn)，氫儲能可利用自身技術(shù)優(yōu)勢及高效綜合供能特點，逐漸體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。
獨立式氫儲能系統(tǒng)還可作為獨立的綠色供電系統(tǒng)，可根據(jù)負(fù)荷需求靈活配置，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電問題，節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)投資；另外也可作為城市電力系統(tǒng)的應(yīng)急供電電源，為搶險救災(zāi)、通信維修、突發(fā)事件處理、軍事作戰(zhàn)演習(xí)等需要臨時使用電能的場所提供可靠電能，替代污染大、壽命短、維護(hù)難的傳統(tǒng)移動式供電系統(tǒng)，增強電網(wǎng)靈活性和應(yīng)急性。
然而，相比歐美日氫儲能技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃及發(fā)展，我國的關(guān)鍵技術(shù)和示范應(yīng)用差距較大。在氫儲能系統(tǒng)示范應(yīng)用方面，國內(nèi)剛剛展開相關(guān)建設(shè)，主要用于示范新能源汽車和分布式電源。
氫儲能技術(shù)展望
我國目前的年碳排放量居世界第一，對清潔替代的需求遠(yuǎn)超過其他國家。全球能源互聯(lián)網(wǎng)將形成以清潔能源為主導(dǎo)、以電為中心的格局，能源轉(zhuǎn)化和利用將向高效低碳發(fā)展。作為一種柔性的綠色能源載體，氫能是未來能源的主要載體之一，在電力能源體系中將扮演著重要角色。
但長遠(yuǎn)來看，目前需解決3類問題。第一是接納大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電，解決高壓水電解、高效制氫、低成本儲氫等關(guān)鍵技術(shù)。第二是推進(jìn)分布式燃料電池并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)。第三是做好能源轉(zhuǎn)化的技術(shù)儲備，以電制合成油為終極目標(biāo)分階段布局，充分利用國內(nèi)外技術(shù)逐步實現(xiàn)可再生能源規(guī)模轉(zhuǎn)化示范。只有通過堅持不懈的技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用示范，才能實現(xiàn)含氫能源的網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)模化應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)、氣網(wǎng)互聯(lián)互通，為構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)提供技術(shù)支撐。
