風(fēng)能棄電的利用與電解制氫能量轉(zhuǎn)化分析

＊方雨豪 劉書杰 李珂 張靜 徐江 王竹青*

（1.物產(chǎn)中大新能源發(fā)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(yīng)逐漸加劇，給人類造成了嚴重的區(qū)域生態(tài)惡化和環(huán)境災(zāi)害。隨著化石能源的不斷耗竭和產(chǎn)生的一系列問題，人們對風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)利用越來越重視。風(fēng)能是一種清潔、無污染且儲量巨大的可再生能源，其開發(fā)利用途徑得到世界各國的廣泛關(guān)注。根據(jù)國家中長期發(fā)展計劃，預(yù)計到2050年底，風(fēng)電總裝機容量將超過1000GW[1]。但是隨著風(fēng)電裝機總?cè)萘康牟粩嘣黾?，越來越多的問題也隨之出現(xiàn)，例如大量棄風(fēng)棄電現(xiàn)象的存在，在很大程度上影響發(fā)電企業(yè)的投資效益，還限制了風(fēng)電行業(yè)持續(xù)穩(wěn)健的發(fā)展態(tài)勢。因而，風(fēng)能棄電的資源化利用愈發(fā)重要。周可等[2]利用戈壁灘上的棄風(fēng)棄電為抽水機供電進行儲水，支持區(qū)域的綠化灌溉；劉景霞等[3]提出合理利用棄風(fēng)電量進行移動固體電蓄能采暖的風(fēng)電供暖方案，緩解“三北”地區(qū)冬季用暖問題；于蓬等[4]開發(fā)了一種基于棄風(fēng)棄電制氫的熱電聯(lián)供裝置，該實用新型將可再生能源發(fā)電裝置產(chǎn)生的多余電能轉(zhuǎn)換為氫氣儲存再利用，提高了可再生能源利用率。風(fēng)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(zhuǎn)化進行分析描述，本文通過對棄風(fēng)能源電解制氫路線的能量轉(zhuǎn)化進行了分析，為棄風(fēng)能源用于電解制氫利用效率提供理論參考；同時對風(fēng)力發(fā)電存在的問題進行淺析，并對風(fēng)能棄電的解決辦法進行了探索，為推動棄風(fēng)能源的再利用提供思路。

1.風(fēng)電新能源的發(fā)展現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電是一種具有可再生的綠色發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電具有清潔零污染、分布區(qū)域廣泛、能源儲備量巨大、有良好的發(fā)展前景等優(yōu)勢，世界各國對風(fēng)力發(fā)電的研究非常廣泛。我國地域廣闊，地形多樣，從整體來看風(fēng)能儲量巨大、分布廣泛，這就為風(fēng)電新能源的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件，國家對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也給予大力支持，推行了諸多利好政策，使得風(fēng)電新能源技術(shù)利用得到了迅猛發(fā)展。中國風(fēng)電累計裝機容量在全球所占比重呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年，我國新增風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)裝機容量7167萬千瓦，其中陸上風(fēng)力發(fā)電新增裝機容量6861萬千瓦，海上風(fēng)力發(fā)電新增裝機容量306萬千瓦。截止2020年底，全國可再生能源發(fā)電裝機總?cè)萘繛?.3億千瓦，占總裝機容量的42.4%，開發(fā)利用規(guī)模穩(wěn)居世界第一，其中風(fēng)電裝機2.8億千瓦，連續(xù)11年穩(wěn)居全球首位[5]。

2.風(fēng)能棄電對電解水制氫能量轉(zhuǎn)化分析

（1）風(fēng)電場風(fēng)能棄電的實際情況。以新疆達坂城風(fēng)電場為例，新疆達坂城風(fēng)電場是我國大型風(fēng)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(fēng)力資源，而且風(fēng)力條件整體情況較好，一年12個月都可以正常開機發(fā)電，風(fēng)電場的年風(fēng)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(jù)全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心，2020年新疆地區(qū)的平均棄風(fēng)率為11.2%，則該風(fēng)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(zhuǎn)化為氫能源，將為經(jīng)濟社會的發(fā)展增添光彩。

（2）制氫所需能量分析。由電解水的化學(xué)反應(yīng)過程可知每產(chǎn)生1mol的氫氣和0.5mol的氧氣需要轉(zhuǎn)移2mole-，而每摩爾的電子電量為96500C，在標(biāo)準狀態(tài)下，1mol的氫氣體積為22.43×10-3m3?？梢运愠?，在標(biāo)準狀態(tài)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(chǎn)生分壓，導(dǎo)致實際電解電壓大于理論電壓，所以在標(biāo)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(zhuǎn)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(fēng)電場的年氫氣生產(chǎn)量為567.1萬立方米。根據(jù)全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心，我國2020年全國風(fēng)電棄風(fēng)電量為166.1億千瓦時，如果使用這些電量全部用于生產(chǎn)氫氣，可以產(chǎn)生約23.25億立方米，折合氫氣的質(zhì)量為2.09億千克。

（3）氫能與傳統(tǒng)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(chǎn)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(dāng)于減少排放19.2kg的二氧化碳，全國每年的棄風(fēng)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(dāng)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(huán)境的壓力。不過當(dāng)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(dāng)，但氫能源的使用不會對環(huán)境造成任何污染，因而在解決棄風(fēng)棄電問題上，風(fēng)電制氫系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益和社會效益是非?？捎^的，氫能源才是未來發(fā)展的方向。

3.風(fēng)力發(fā)電存在的問題及解決辦法

（1）風(fēng)力發(fā)電存在的問題。風(fēng)能的能量密度較小，想要開發(fā)和利用風(fēng)能，獲取同等的能量，只能加大風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪尺寸，另一方面，風(fēng)輪機的傳動效率較低，在實際應(yīng)用的過程中，風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率與理論發(fā)電效率有較大偏差。風(fēng)能是一種過程性的能源，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機不容易調(diào)控出力，所以利用風(fēng)電新能源所產(chǎn)生的電能也具有波動性[8]。風(fēng)能發(fā)電和其他能源不同，其蓄電的成本十分高昂，甚至超過發(fā)電成本，連接風(fēng)能發(fā)電機的電網(wǎng)系統(tǒng)不具備任何蓄電能力，僅僅只能調(diào)節(jié)收納電量，以此來控制輸出電量。風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的調(diào)度基本為零，人為因素不能控制風(fēng)能，所以風(fēng)力發(fā)電調(diào)節(jié)也就不能根據(jù)負荷率的大小而實現(xiàn)，這無疑為電網(wǎng)調(diào)度增加了較多的困難。

風(fēng)電接入電網(wǎng)方式主要有兩種，一種是直接將風(fēng)電機組與電網(wǎng)連接并網(wǎng)，另一種是建立風(fēng)電基地，將電能存儲起來再統(tǒng)一輸送出去。在風(fēng)電接入電網(wǎng)的時候就會產(chǎn)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(zhì)。根據(jù)以往的經(jīng)驗，風(fēng)電裝機容量較低，風(fēng)電通常是通過異步發(fā)電機的方法，將風(fēng)電與電網(wǎng)連接，這樣就能把電能輸入到配電網(wǎng)絡(luò)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(shè)備綜合性能較差，很容易被外界因素影響，導(dǎo)致諧波污染等現(xiàn)象的發(fā)生，降低了電能的品質(zhì)。

②當(dāng)風(fēng)電場運行時，它會使用一定量的無功功率。并網(wǎng)后，容量的增加會導(dǎo)致無功功率的損失，電壓會發(fā)生波動。

③風(fēng)力發(fā)電存在著發(fā)電不穩(wěn)定的特點，受到這一特點的影響，當(dāng)失去輸出時，會降低電網(wǎng)的頻率，風(fēng)電所占的比例越高，這種現(xiàn)象更加顯著[9]。

除了并網(wǎng)時會出現(xiàn)問題，對電能更大的浪費是發(fā)生在“棄電”現(xiàn)象上，棄風(fēng)消納存在的問題主要有：

①風(fēng)電發(fā)展速度太快，基礎(chǔ)建設(shè)難以跟上進度，大大影響風(fēng)電的消納能力，在風(fēng)電發(fā)展的規(guī)劃初期，沒有考慮過風(fēng)電消納的問題，結(jié)果就是風(fēng)電項目建成之后，產(chǎn)生的電能無處消耗，導(dǎo)致了產(chǎn)能過剩。

②風(fēng)電場產(chǎn)地本地消納空間受到限制，跨區(qū)域輸送電力的能力不足，在建設(shè)風(fēng)電之前本來就存在火電等的發(fā)電裝機，從而導(dǎo)致風(fēng)電裝機完成后，電力消費能力不足，跨區(qū)域輸送電力的能力不足。

③風(fēng)電發(fā)展與電網(wǎng)建設(shè)不同步，國家為了促進風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺了一些有利的政策，雖然使風(fēng)電建設(shè)突飛猛進，但是風(fēng)電大規(guī)模的集中增加，讓相應(yīng)的電網(wǎng)配套建設(shè)難以跟上進度，造成了大量的風(fēng)力發(fā)電項目建成投產(chǎn)后，所產(chǎn)生的電難以并入國家電網(wǎng)。

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

據(jù)全國新能源消納監(jiān)測預(yù)警中心統(tǒng)計，2020年我國棄風(fēng)電量為166.1億千瓦時，棄風(fēng)率為3.5%，我國的重要風(fēng)電產(chǎn)區(qū)新疆的棄風(fēng)率更是高達11.2%。所謂棄風(fēng)現(xiàn)象，意思就是風(fēng)力條件良好、發(fā)電機組設(shè)備運行正常的情況下，由于電網(wǎng)的消納能力差、輸電能力不足或者風(fēng)電出力不穩(wěn)定等原因，導(dǎo)致風(fēng)電場上的風(fēng)機產(chǎn)生的電能不能穩(wěn)定傳輸?shù)诫娋W(wǎng)之中，為了避免風(fēng)機做無用功造成設(shè)備損耗而停機。棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生是不可避免的，但是棄風(fēng)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生就會降低風(fēng)能的利用率，嚴重影響投資企業(yè)的利益，給社會經(jīng)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(fēng)能棄電問題迫在眉睫。

（2）風(fēng)能棄電的解決辦法探索。風(fēng)能棄電問題的存在造成大量的能源浪費，解決風(fēng)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(tǒng)的方法有：

①加快建設(shè)跨區(qū)輸送電設(shè)備，使風(fēng)電跨區(qū)往外省輸送，我國的主要風(fēng)電產(chǎn)區(qū)集中在“三北”地區(qū)，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(fēng)電的消納。

②做好早期發(fā)展規(guī)劃，在風(fēng)電項目建設(shè)之前做出整體規(guī)劃，包括風(fēng)電項目本身規(guī)劃和相關(guān)的配套輸變電工程，以及風(fēng)電項目建成之后的消納渠道和消納能力的預(yù)估，避免在項目完成之后面臨嚴重的棄風(fēng)問題。

③調(diào)整風(fēng)電場地區(qū)電力結(jié)構(gòu)，利用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計來做好電網(wǎng)運行方式的安排，提高調(diào)峰系統(tǒng)能力，科學(xué)設(shè)計電網(wǎng)之間的調(diào)度方案，優(yōu)先調(diào)度風(fēng)電，逐漸減少火電的使用。

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

4.結(jié)束語

本文對風(fēng)電新能源的發(fā)展現(xiàn)狀和電解制氫相關(guān)情況進行了分析，風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展符合構(gòu)建無污染、零排放的“綠色”發(fā)展要求。該技術(shù)一方面可以解決由于風(fēng)力發(fā)電相關(guān)建設(shè)不夠完善所導(dǎo)致的棄風(fēng)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(fā)使用價值。目前氫能尚未大規(guī)模的開發(fā)利用，其主要原因是氫能源的終端應(yīng)用市場還未完全發(fā)展起來，氫燃料電池設(shè)備成本較高等問題，這導(dǎo)致氫能源的開發(fā)使用成本較高。但隨著技術(shù)的突破，氫能源及相關(guān)設(shè)備成本的降低，終端市場終會被打開，氫能源必將迎來爆發(fā)期。