新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能技術(shù)探究

林旭清++張思雨++孫權(quán)++張虹

摘 要：我國(guó)能源分布非常不平衡，其中新能源發(fā)電技術(shù)更是如此。且新能源發(fā)電是不可控電源，間歇性和反調(diào)節(jié)是它的主要特點(diǎn)，因此無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電。氫能作為一種新型的清潔能源，是新能源研究中的熱點(diǎn)。將新能源發(fā)電制氫與常規(guī)能源的儲(chǔ)能裝置相結(jié)合，可以有效地實(shí)現(xiàn)新能源的大規(guī)模發(fā)電，具有非常實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新能源 發(fā)電 制氫 儲(chǔ)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TN7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（c）-0025-02

Research on Hydrogen Energy Produced by New Energy Storage Technology

Lin Xuqing1 Zhang Siyu2 Sun Quan2 Zhang Hong2

（1. Tianjin Binhai Electric Power Co. Ltd.， Tianjin， 300000 China； 2.College of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin， Jilin Province， 132012 China）

Abstract： Energy distribution in China is very uneven， especially new energy technologies. Besides new energy power generation is uncontrollable power， featuring intermittency and anti-regulation mainly， therefore can not be large scale. Hydrogen energy as a new clean energy has become a hot topic in the field of new energy. The combination of hydrogen energy produced by new energy and energy storage device can be effective in achieving large-scale generation of new energy and have practical values.

Key Words： New energy； Generation； Hydrogen production； Energy storage

目前人類(lèi)面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題的根源是由于對(duì)化石燃料的毀滅性開(kāi)發(fā)導(dǎo)致的[1-3]。故而，科學(xué)界一直致力于如何使用可循環(huán)利用的、無(wú)污染的再生能源替換非再生能源。在開(kāi)發(fā)新能源過(guò)程中要考慮人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展，不能夠給地球增加額外的負(fù)荷，新能源的使用還要滿(mǎn)足低成本的要求。研究表明：太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、海洋能、氫能等都是可持續(xù)能源，并且它們都具有很大潛在價(jià)值。理論表明氫能是人類(lèi)的終極能源，在自然界中分布十分廣泛[4-6]。作為能源，氫氣具有諸多優(yōu)勢(shì)：1）燃燒熱值高。2）燃燒效率高。3）環(huán)保無(wú)毒。當(dāng)前科學(xué)研究中普遍利用在半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)光催化分解水產(chǎn)氫，在制氫過(guò)程中科學(xué)家們可以高效利用太陽(yáng)能將水分解制得清潔的氫氣，與此同時(shí)還可以解決能源和環(huán)境兩大困擾人類(lèi)的重大難題。選用硫化鎘半導(dǎo)體材料作為催化劑，該種半導(dǎo)體材料具有較負(fù)的導(dǎo)帶位置和較窄帶隙，可以作為一種比較理想的可見(jiàn)光響應(yīng)半導(dǎo)體，在制氫過(guò)程中十分實(shí)用。研究表明，可以通過(guò)提高硫化鎘的光催化產(chǎn)氫活性和穩(wěn)定性等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫。但是，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫過(guò)程中就需要利用新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能技術(shù)，才能夠大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[7]。

1 新能源發(fā)電中的若干問(wèn)題

實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的自然資源分布差異極大，尤其是針對(duì)新能源發(fā)電更甚。比如：風(fēng)能可以大規(guī)模利用的區(qū)域是內(nèi)蒙、甘肅、新疆等地區(qū)，光伏發(fā)電大規(guī)模集中在甘肅、新疆、青海等地。上述這些區(qū)域距離負(fù)荷中心遠(yuǎn)，需要通過(guò)大規(guī)模輸電線路輸電，然而在遠(yuǎn)距離輸送電能時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量電能的波動(dòng)，此時(shí)就需要建設(shè)常規(guī)能源電站來(lái)解除在輸送過(guò)程中電能不穩(wěn)定的瓶頸。這些普通常規(guī)能源電站的建立需要常規(guī)能源作為支撐，所以利用風(fēng)能節(jié)省常規(guī)能源雖然提高了新能源在能源使用中的比例，但卻沒(méi)有達(dá)到節(jié)能減排目的[8]。

針對(duì)此種情況，需要依靠大規(guī)模的儲(chǔ)能裝置來(lái)配套大規(guī)模的新能源發(fā)電。故而，必須大力開(kāi)展抽水蓄能技術(shù)，該技術(shù)特點(diǎn)是技術(shù)成熟，投資較低。但此種技術(shù)有區(qū)域性限制，在我國(guó)的酒泉、內(nèi)蒙、新疆等地區(qū)就無(wú)法規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模抽水蓄能電站。

在實(shí)際中發(fā)展其它儲(chǔ)能形式如何？比如：當(dāng)前的鋰離子電池等，結(jié)果證明都不能進(jìn)行大規(guī)?；瘜W(xué)儲(chǔ)能。同時(shí)，在使用鋰離子電池儲(chǔ)能過(guò)程中，會(huì)給環(huán)境造成污染的壓力。其它的電池形式以及電堆都存在污染和化學(xué)儲(chǔ)能不足的問(wèn)題，無(wú)法作為大規(guī)模儲(chǔ)能在實(shí)際中使用?？茖W(xué)家考慮了其它的儲(chǔ)能手段，比如：化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等，都會(huì)在不同程度上出現(xiàn)容量太小、效率太低，成本太高等各種問(wèn)題而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用。

2 探討利用新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能技術(shù)

使用風(fēng)電技術(shù)存在遠(yuǎn)距離輸送容量限制，不利于大規(guī)模的發(fā)電。經(jīng)過(guò)研究論證，合理開(kāi)發(fā)風(fēng)電技術(shù)來(lái)大規(guī)模制氫，然后采用制氫儲(chǔ)能方式，可以徹底解決問(wèn)題。如果能夠利用風(fēng)電制氫裝置生產(chǎn)大量的氫氣，那么就可以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的能量?jī)?chǔ)存，有效的解決風(fēng)電并網(wǎng)難題。在汽車(chē)、火車(chē)、輪船、飛機(jī)上都可以使用氫氣能源，解決能源短缺問(wèn)題。

在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有的氫儲(chǔ)存技術(shù)還不夠成熟，存依據(jù)酒泉風(fēng)電基地目前投產(chǎn)的單個(gè)200MW風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算制氫的實(shí)際收益，其年利用小時(shí)數(shù)大約2200 h左右，若不考慮限負(fù)荷因素，年理論發(fā)電量可以達(dá)到4.8億度，2012年上半年實(shí)際發(fā)電量平均為16 000萬(wàn)度，全年預(yù)計(jì)32 000萬(wàn)度，若使用風(fēng)電制氫，把剩余無(wú)法送出1.6萬(wàn)度風(fēng)電用來(lái)制氫，按電解水產(chǎn)生1立方米氫氣耗電5度，輔助能耗10%，氫源經(jīng)過(guò)提純、加壓和儲(chǔ)運(yùn)等工序大致消耗1度，總體按6.5度計(jì)算，就可以生產(chǎn)出2.46×107 m3的氫，按每瓶裝入6 m3計(jì)算（現(xiàn)在市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)氫氣瓶，壓力是150 kg/m2，容積是40 L氫氣鋼瓶）：可生產(chǎn)410萬(wàn)瓶氫氣（每瓶裝入6m3氫氣）；電解氫氣每瓶?jī)r(jià)格為48元（2010年4月份價(jià)格）：48元×410萬(wàn)瓶=19 680萬(wàn)元。制氫時(shí)生產(chǎn)的氧氣收入，另外還有氧氣（每產(chǎn)生1立方米氫氣同時(shí)產(chǎn)生0.45 m3氧氣），即：2 460×0.45=1.107×107m3氧氣，那么1.107×107m3氧氣/6=185萬(wàn)瓶氧氣，每瓶氧氣賣(mài)16元（2010年4月價(jià)格），185萬(wàn)瓶×16元=2 960萬(wàn)元，上述風(fēng)電制氫、制氧，一年兩項(xiàng)相加總數(shù)是19 680+2960=22 640萬(wàn)元。則實(shí)際的效應(yīng)是很高效的。

在各種問(wèn)題且成本偏高，不利于超大規(guī)模開(kāi)發(fā)使用。為了解決此類(lèi)難題，國(guó)外科學(xué)家們把高密度的氫擠壓進(jìn)入極小水珠，這樣就可以實(shí)現(xiàn)氫能源的合理存儲(chǔ)。在使用過(guò)程中，就可以像普通的液體一樣來(lái)進(jìn)行傾倒。此種特殊的技術(shù)采用的是雙層構(gòu)型，外殼是高分子聚合物構(gòu)成的氫化物載體，內(nèi)部的核心是納米結(jié)構(gòu)的氫化物。

3 制氫儲(chǔ)能技術(shù)的探究

研究表明想要合理利用氫能源，技術(shù)關(guān)鍵是如何存儲(chǔ)。存儲(chǔ)氫能源可以分為化學(xué)和物理兩個(gè)方面。比如：“吸附儲(chǔ)氫”；“金屬氫化物儲(chǔ)氫”；“玻璃微球儲(chǔ)氫”等諸多方式。合理利用上述的存儲(chǔ)手段就可以有效地解決儲(chǔ)氫難題。我國(guó)在氫能源利用方面已經(jīng)取得了巨大的成就，氫燃料電池汽車(chē)?yán)镁臀痪邮澜缜懊?。同時(shí)，在實(shí)際的能源利用過(guò)程中，氫燃料電池與氫燃料內(nèi)燃機(jī)在原理上也大相徑庭。在使用中可以有效地利用“氫內(nèi)燃機(jī)方式”進(jìn)行發(fā)電。這樣就能很容易的進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，達(dá)到和其它天然氣一樣簡(jiǎn)單的配送手段。在與其它形式的能源利用對(duì)比中，氫能源的顯著特點(diǎn)就是“取之不盡用之不竭，是能夠高效持續(xù)、循環(huán)利用的資源”。

4 采用其它手段提升制氫儲(chǔ)能的合理利用

4.1 加強(qiáng)科技創(chuàng)新力度，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)和諧發(fā)展

在實(shí)際生產(chǎn)中，由政府和科研院所牽頭合作，促進(jìn)各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的和諧合作、協(xié)調(diào)發(fā)展。重點(diǎn)加強(qiáng)先進(jìn)儲(chǔ)能領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)建設(shè)。同時(shí)，需要加強(qiáng)重點(diǎn)跟蹤產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，加強(qiáng)先進(jìn)儲(chǔ)能行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新能力。

4.2 提升產(chǎn)業(yè)培育扶持強(qiáng)度

政府幫助上下游企業(yè)協(xié)調(diào)溝通，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化。重點(diǎn)培育新能源汽車(chē)，先進(jìn)儲(chǔ)能等新能源產(chǎn)業(yè)，加速推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，迅速壯大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)成為新型支柱產(chǎn)業(yè)。充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，大力推進(jìn)先進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品生產(chǎn)，迅速提升產(chǎn)業(yè)規(guī)模，鞏固優(yōu)勢(shì)地位，實(shí)施品牌戰(zhàn)略，提高市場(chǎng)占有率。鼓勵(lì)儲(chǔ)能電池生產(chǎn)設(shè)備及輔助設(shè)備制造，加速裝備制造產(chǎn)業(yè)化。

4.3 加大政策支持

在新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能技術(shù)研究中，規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化需要一個(gè)持久創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)管理的發(fā)展周期，不是在短時(shí)間內(nèi)就能完成的事情，需要政府的優(yōu)惠政策。政府應(yīng)將先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，列為十三五規(guī)劃的技術(shù)發(fā)展方向之一，加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究的投入，切實(shí)鼓勵(lì)創(chuàng)新，掌握知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)，從先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展起始就重視環(huán)境因素，防治環(huán)境污染，充分發(fā)揮儲(chǔ)能在節(jié)能減排方面的作用，把對(duì)新能源的鼓勵(lì)政策延伸到儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

該研究通過(guò)新能源發(fā)電中的若干個(gè)問(wèn)題，引出了對(duì)新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能的探討與探究，并對(duì)如何提升制氫儲(chǔ)能的合理利用提出了相應(yīng)的解決手段。通過(guò)對(duì)新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能的探究可知，新能源制氫儲(chǔ)能是解決新能源上網(wǎng)“瓶頸”問(wèn)題的有效形式，其發(fā)電技術(shù)已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專(zhuān)家的廣泛關(guān)注。雖然將其推向?qū)嵱没€有許多問(wèn)題尚待解決。但是毋庸置疑，新能源發(fā)電制氫儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?jié)摿κ窍喈?dāng)巨大的。

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