氢储能或将成为拯救弃风弃光的关键技术

 

今年初，国家能源局正式公布了首批多能互补集成优化示范工程名单，共安排23个项目。示范工程只是起步，据行业估算，多能互补集成优化市场空间将达万亿以上。多能互补集成优化工程作为能源行业的新业态，国内尚无成熟的建设运营经验，让我们看看国外是如何探索多能互补道路的。

 

德国创新风电制氢多能互补模式为解决新能源波动性带来了曙光

 

我国目前已经成为了世界风电装机容量第一的可再生能源打过，但是这些清洁能源的利用率一直低下，全国的弃风、弃光现象十分严重，新能源企业最高限电高达79%。根据中国储能网的报告，2016年我国仅国网地区的弃风弃光电量就达到了465亿千瓦时，直接经济损失超过100亿元人民币。从分布上看，新能源开发主要集中在“三北”地区，风电、光电装机容量分别占全国的77%和41%，规模大、当地市场空间却有限，难以就地消纳。从输送能力上看，“三北”地区跨省区输电能力仅有新能源装机总量的22%，电力市场的建设也仍处于起步阶段，难以适应新能源大规模交易、外送的需要。

 

反观另一个新能源发展大国德国，2016年可再生能源发电量占比已经超过了32%，在某些日子里可再生能源甚至能够覆盖约90%的电力消耗。在如此高的可再生能源比例下，整个电力系统的灵活性也亟待提高。根据德国联邦环境部的分析，为了消纳电网越来越多的波动性，需要提高以下四个领域的灵活性：

 

不同可再生能源比例下的关键灵活性技术 来源：BMU

 

其中储能无疑是解决这个问题的关键，为了实现100%利用可再生能源这个目标，德国通过研究也发现了不同可再生能源份额下的关键储能技术。众所周知，可再生能源的比例越高，再往上提升的难度就越大，其中最难以实现，最关键的是电转气技术。这项前沿的技术在很多国家都还面临着许多技术瓶颈、应用困境和盈利问题。但是在德国，2013年就已经建成了第一个商业化的风电制氢多能互补项目——h2-herten。

 

德国黑尔滕市风电制氢多能互补项目 来源：h2herten

 

以上就是这个项目的其中一个氢能应用点的照片，这是一个以氢气为主要媒介的多能互补系统，附近1.2公里外的风电场每天能够供应该地3000平方米办公室和科研场所的用能需求，以及本地氢燃料汽车和公交车的运行。

 

照片的背景中可以清晰地看到一个煤矿的旧址，这个名为Ewald的煤矿历史上曾经一度为欧洲最大的煤矿，周围生活着6万居民。这个地区曾因为煤炭资源丰富而兴起，也因为煤电的没落而失去荣光。这个项目让该地区重新焕发了活力，不仅能够享受到便宜清洁的能源，还因为这个试点而得到了全世界的关注。

 

 

为了让靠天吃饭的风电能够满足地区供电的可靠性要求，该项目的核心为将多余的风电用于电解生产氢气，氢气能够很好地被储存起来，在缺电的时候通过燃料电池重新转化为电力。这个流程被定义为：以氢能为基础的能源补充系统（HECS），其基础框架如下：

 

 

这个项目的HECS设备能够提供每年250兆瓦时的电力和将近6500千克的氢气。，一部分氢气通过燃料电池为附近的一个办公建筑提供足够的电力，这栋建筑中午的峰值负荷能够达到50KW，全年用电量在250兆瓦左右。为了能够制定出最优的风电充放电策略，该系统配备了一套风力发电预测系统和负荷预测系统，一个通过该系统计算出的6天风电发电功率和负荷的如下：

 

如果不加任何的储能系统，多余的风电都要被放弃掉，在无风或者少风的时候甚至会照成缺电的现象，正午在用电高峰的时候风电功率反而较低，以上6天在不加HECS系统情况下的情况如下图：

 

 

在整合了HECS系统后，通过一个优化系统，风电就能够保证实时的电力供应。燃料电池的反应速度能够满足系统的需求，也保证了供电的可靠性。下图为真实运行中的情况：

 

 

可见在风电不足的时候，HECS系统能够及时响应满足负荷需求。该项目在2013年5月29日开始运行，至今运行良好，尽管这个系统连接了大电网保障这栋办公建筑的电力在极端情况下的电力供应，至今也几乎没有使用过大电网的电力。

 

这个项目充分证明了，微电网内部通过整合氢能转化设备后自给自足的可能性，多能互补的核心在于通过其他能源形式弥补电力不可大规模储存的缺点，又通过电力的灵活性和便于传输的特性与其他能源形成了优势互补。在未来的能源系统中，我们将会看到更多不同的能源网络交织在一起，这个坚强而灵活的能源网才是解决可再生能源高比例应用的关键。