我国新能源发电制氢储能技术研究

摘要：我国各种能源分布极不平衡，作为新能源发电来说，尤为如此。需要大规模输电线路输电，但是新能源发电属于不可控电源，间歇性、反调节是其主要特点，需建造常规能源的电站或储能装置。

关键词：新能源 发电 制氢 储能

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（c）-0038-02

我国各种能源分布极不平衡，对新能源发电来说，更为如此，风能主要集中在内蒙、甘肃、新疆等地区，光伏发电主要集中在内蒙、甘肃、新疆、青海等地，上述地区距离负荷中心距离远，需要大规模输电线路输电，但是新能源发电属于不可控电源，间歇性、反调节是其主要特点，远距离输送电时为了调控和抑制这种大量电能的波动，还得建造常规能源的电站了以解决风力发电输出电能不稳定问题，而这些电站需要更多的常规能源来支持，原先想通过利用风能节省大量的常规能源，结果反而加大了常规能源的使用，没有增加新能源在能源使用中的比例，没起到节能减排目的。

鉴于此，需要发展大规模的储能装置来配套大规模的新能源发电，发展抽水蓄能是条技术成熟，投资较低，可以大规模建设的一种储能方式，但我国新能源集中地区，如酒泉、内蒙、新疆千万千瓦级风电基地都处于极度缺水地区，且地势较为平坦，无法规划建设大规模抽水蓄能电站。

其他储能方式如何？如使用蓄电池怎样呢？铅酸电池肯定不行，没有这么大的功率容量，并且价格特别贵，大量的使用还有铅污染问题；镍氢电池与锂离子电池受限于这两种元素的数量限制（全球的储量也是不多的）和特别昂贵的价格的限制，也不能够采用；最近还有全钒氧化还原液流电池在研发中，但是多次还原过程中的离子膜污染问题也一直没有很好解决，要达到实用的程度还要相当长的时间，商业化的应用究竟会不会影响到环境还是未知数。其他的储能方式，如压缩空气储能、飞轮储能、化学储能等等都因为效率太低、容量太小，费用太高不能大规模使用。

风电由于自身特性及远距离输送容量限制，现有风电场实际发电情况不容乐观，从2012年2月至今，诸如：“东北350亿元投资的风力发电机组在晒太阳”；“内蒙古近一半风力发电机“弃风停机”“甘肃酒泉风电场限负荷严重”等现象不停见诸报道，随着风电进一步建设，规模不断扩大，限电问题将更加突出，风电不能一直“晒太阳和闲置”下去，利用风电进行大规模制氢，走制氢储能方式，是解决问题根本途径。有了风电制氢产生的这些氢气能源，我们就能够实现大规模的能量储存（指储存氢气和氧气），既可以解决现在模式的风电并网难题，又能够直接利用将氢能源利用在其它许多方面，如工业上的炼钨和炼钼都需要大量的氢气，移动的交通工具（汽车、火车、轮船甚至飞机都可以使用氢气能源，生活中的炊事、取暖等都能够使用。

经过实验研究，电解水装置对风机的不稳定性功率输出具有很强的适应性，可以随着输入功率的波动氢气气体流量做相应的基本相同趋势的波动，证明了风电用于工业电解水的可行性。

按酒泉风电基地目前投产的单个20万kW风电场计算制氢的实际收益。目前可研年利用小时数大约2200h左右，若不考虑限负荷因素，年理论发电量可以达到4.8亿度，目前2012年上半年实际发电量平均为16000万度，全年预计32000万度，若使用风电制氢，把剩余无法送出1.6万度风电用来制氢，按电解水产生1立方米氢气耗电5度，辅助能耗10%，氢源经过提纯、加压和储运等工序大致消耗1度，总体按6.5度计算，就可以生产出2460万m3的氢，按每瓶装入6m3计算（现在市场的标准氢气瓶，压力是150kg/m2，容积是40L氢气钢瓶）：可生产410万瓶氢气（每瓶装入6m3氢气）；电解氢气每瓶价格为48元：（2010年4月份价格），48元×410万瓶=19680万元。制氢时生产的氧气收入，另外还有氧气（每产生1立方米氢气同时产生0.45m3氧气），即：2460×0.45=1107万m3氧气，那么1107万m3氧气/6=185万瓶氧气，每瓶氧气卖16元（2010年4月价格），185万瓶×16元=2960万元，上述风电制氢、制氧，一年两项相加总数是19680+2960=22640万元。经济效益十分显著。

投资回报分析：现有风电场只需投入制氢设备、存储设备、灌装设备即可，1kW容量大约投入3000元，按5万容量设备计算，需要设备投入15000万元，加上人员工资等生产费用5000万元，一年可收回成本。每年节约1.6亿度电，20年的使用时间内减少的二氧化碳相当于14.8万t×20年=296万t二氧化碳，这无疑是十分巨大的二氧化碳减排数量。

但是也存在制约因素，现有的氢储存技术成本昂贵、安全稳定性差，耗能大且不适于大规模生产利用。为了解决这个问题，伦敦大学学院鲁特福德·艾普顿实验室和牛津大学的科学家们研究出一种把高密度的氢挤压进极小水珠的方法，这样储存的氢能以液态形状倒出或泵进油箱，就像普通汽油一样。解决了氢的储存问题，氢燃料的全方位普及便迈入了一个新阶段。如此形成的小水珠核心为纳米结构的氢化物，而外壳则是高分子聚合物构成的氢化物载体，十分易于燃料。

据英国《每日邮报》2011年1月30日报道，这种氢燃料科学家们将其称为“人造汽油”，并将于2012年对其进行道路测试。如果测试结果令人满意，未来3～5年内就能看到烧“人造汽油”的汽车了。此项技术一旦成熟推广使用，对制氢尤其是储存使用必将带来非常深刻的影响。由于主要成分为氢气，燃料燃烧时不会产生有害气体，对环境毫无影响。研究人员目前正在对“人造汽油”的配方进行改良，使其能直接应用于未经改装的汽车引擎内，这一点也使得其较电动汽车更为方便。项目牵头人史蒂芬·本宁顿教授表示：“从某种意义上说，氢气是完美的燃料。它单位重量的能含量是一般汽油的3倍，但排放却是零。”

目前正在把这项技术变为现实的塞拉（Cellar）能源公司负责人史蒂芬·沃尔克表示：“我们已经在制造这种取代传统燃油的微型水珠，这种高容量的储氢材料适用于燃烧汽油的现有汽车，因此无需对车进行改造。”

这种模式并不需要特别先进的技术，绝大部分是利用了成熟的电解技术和氢能源应用技术的等多项技术的组合，不断的扩大其规模，逐步的替换传统的能源（碳能源），通过大规模的使用进一步提高其转换效率，满足全社会的能源需求，应该是必由之路。

应用技术层面的分析：

储氢技术：从2005年起就有很多储氢技术开发成功，当然也还在不断的开发中，大致上有物理和化学两个方面，如：“液化储氢”；“金属氢化物储氢”；“吸附储氢”；“有机液体储氢”；“玻璃微球储氢”“地下岩洞储氢”；“无机物储氢”；“铁磁性材料储氢”等多种储氢方式，这些技术都已经研发成功或者是正在推广的技术，氢能源汽车就解决了储氢气问题，可以参考，这些技术保证了氢能源的储存问题，为“风电制氢”打下了良好的技术基础，为风电制氢铺平了道路。

氢内燃机技术，请看下面的报道：氢能源利用突破中国第一台氢内燃机点火成功。

近日，我国自主研制的第一台高效低排放氢内燃机在重庆长安汽车集团成功点火。高效低排放氢内燃机是国家“863”计划惟一立项的氢燃料重点项目，它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术获得了突破性的进展，为氢内燃机的产业化奠定了基础。

据悉，氢燃料与汽油特性差异巨大，真正的氢内燃机必须根据氢燃料的特性研究开发，而不是汽油机的简单改造，因此氢内燃机是一种新型的内燃机。氢燃料内燃机的工作原理是用氢代替汽油，直接在发动机缸体内燃烧，驱动汽车行驶。我国自主研制的高效低排放氢内燃机是一种新型的内燃机，它与传统的汽油机和柴油机相比，具有高效率、低排放、低成本、适应性好等突出优点，对于减少环境污染，应对能源危机具有十分重要的意义。此前，我国已经在氢燃料电池的研发方面取得巨大突破，由同济大学研发成功的氢燃料电池汽车主要测试数据均达到世界先进水平。氢燃料电池是我国氢能源利用的另一种方向，与氢燃料内燃机不同，氢燃料电池的工作原理是由氢燃料产生电能，向电池充电，以电力驱动汽车行驶。

氢能源发电技术：这应该是最容易的了，可以采取传统的烧锅炉的方式，以氢能源代替煤炭产生蒸汽，再推动蒸汽轮机发电；或者是采用燃气涡轮机带动发电机发电，因为是可控、可调的所以并网是没问题的。

小型的移动电站等尽可以采用“氢内燃机方式”进行发电。氢气也很容易长途输送，就像输送天然气一样，可以长距离的输送到需要的地方进行利用，它与天然气相比最大的特点就是“取之不尽用之不竭的，可以持续、循环利用的能源。

总之，利用大规模、数量巨大的新能源发电，进行大规模的风电制氢，经济上是可行的，同时进行氢能源广泛使用的行动，使氢能源时代早日来临，是大量减排二氧化碳的根本方法，是从根本上解决制约新能源发电的途径，也是从根本上走出能源困局的光明大道。

参考文献

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