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太原理工韩肖清:氢储能及在山西发展前景

国际新能源网  来源:中国储能网  日期:2019-06-24
   6月19—20日,由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合江苏省电机工程学会、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司等单位联合召开的“第三届全国电网侧暨用户侧储能技术应用高层研讨会”在苏州市太湖假日酒店举行。来自电网公司、设计院、系统集成商、电池生产企业、投融资机构等单位的280余位嘉宾出席了本次研讨会。
 
  会议期间,太原理工大学电气与动力工程学院院长韩肖清女士分享了主题报告《氢储能及在山西发展前景》,以下是演讲全文:
 
  韩肖清:大家好,接下来是我来作报告,我的报告题目是《氢储能系统及在山西部发展前景探讨》。
 
  主要从以下五个方面介绍,首先我们讲一下氢储能系统关键技术。我们大家都知道氢的储量非常丰富而且来源广泛,是既环保又可持续发展的能源。氢能源作为燃料它的最终产物只有水,对环境没有任何污染。而且氢可以气态、液态和固态,三态长时间存储,自耗非常小,同时它也适合长距离输送。氢的能量密度应该是非常高的,每千克是142兆焦,它的燃烧热值也非常高。鉴于这样的特点,氢作为未来能源形式的一种应该是非常有前景的。
 
  我们利用氢能的三个关键技术,我想应该是如何得到氢?第二是如何储存氢?第三如何应用氢。
 
  首先是电解水制氢的技术,比较常用的是碱性电解水技术,它是发展比较成熟的,但是它的效率不算高。现在还有聚合物膜电解水技术以及固体氧化物电解水技术,第三种还处于实验室研究阶段。
 
  从我们目前的电解水制氢情况来看,它的操作压力是在0.8到3兆帕,温度是80到90摄氏度,制氢纯度可以达到99.7%。整个过程我们现在需要解决的问题主要是降低电解过程的能耗,提高能源转换效率。
 
  我们从储氢方面来看,有高压气态的储存以及低温液态储存和固态储存,另外还有利用有机物的吸附来进行储存。我们现在常用的主要是高压气态,它主要的问题是我们必须把氢气放在容器罐当中,要求非常高,而且氢的特点就是重量非常轻,以至于我们一个氢气罐其中氢的质量只占整个重量的1%,在输送氢的过程当中有点划不来。低温液态氢就是在产生液态氢的过程当中要耗能非常多,因为它是在零下200度的情况下把它液化的。而低温液态氢现在主要用于我们航天的燃料,比如飞机燃料,是高质量的氢。
 
  固态氢、有机物液态氢是目前正在研究,也希望未来能够成为主流的一种模式,而且我们也有专家提到我们氢未来能不能通过天然气管道来进行传输,这样的话我们就省掉了基础设施的建设。
 
  再说氢的利用,现在比较多的主要是燃料电池,通过燃料电池发电来用氢。燃料电池主要问题是成本比较高,技术不是完全过关。因此我们综合考虑,从制氢、储氢到用氢这样几个环节,它的综合效率如果我们用电解水制氢的话,综合效率也就45%。因此我们说在火电厂如果我们配备氢储能的话,从经济性和实用性角度来看都是不可行的。
 
 
  如果我们考虑在负荷低谷时段或者新能源波动较强的时段,在网侧、荷侧配置氢储能,可以在保证供电条件、供电质量的情况下避免火电机组的频繁启停,这是它的一个应用前景。
 
  由于它的综合效率不是太高,氢的来源从目前来看不只是电,我们可以来源于煤化工的副产品,同时我们的去向也不只是电,我们可以用于交通以及工业,还有能源互联网,下面就来简单的说一下氢能与能源互联网的关系。
 
  氢能从源、储、运、荷方面的应用场景。氢从上游来看在煤化工生产过程当中副产品就是氢,这是主要来源。我们也可以通过可再生能源弃风弃光来制氢,这也是一种。通过储存、运输到了用户,我们刚才已经提到了,比如说有交通,比如说飞机、轮船,还有汽车,也可以用于工业能源,同时还可以作为分布式发电,例如燃料电池发电。
 
 
  我这个图把电力网络、天然气网络、热力网络、氢气网络画在一起,我们可以把我们综合能源系统里面加入氢能源,这是一个非常好的构想,而且在未来应该是一个发展方向。下面简单说一下国内外氢储能的典型案例。这个是德国的普伦子劳市的综合发电厂,氢能可以通过电解水制氢然后储存起来,和生物沼气混合作为燃料发电,也可以作为供暖方式之一。
 
  英国的柯克沃尔小镇氢能生态社区,因为它是在海边,把弃风以及潮汐发电的电力来制氢,再通过燃料电池驱动汽车、船舶以及小镇的供热。
 
 
  日本北海道,它也是用氢能作为综合能源系统能源形式的一种。
 
  李克强总理2018年参观丰田工厂的时候,对我们国内也有非常大的震动,它用的燃料电池,这样的汽车在未来也是有非常广阔的前景。
 
  这里简单列了一下国内的氢能小镇。在华南、华东、华北都有,山西大同现在希望把煤都变氢都,作为未来能源革命的主要方向。
 
  再来看一下山西省氢储能多视角发展前景的探讨。这个图说的是我们从2010年到2018国家的弃风情况,最严重的是2016年,仅2016年弃风电量造成的经济损失就达180亿元,几乎抵消掉当年全年的风电新增装机的社会经济效益,也就是说弃风在我们国家是非常严重的。我们知道在甘肃、新疆最高的时候可以达到45%的弃风量。
 
 
  山西是能源大省,煤炭电力大省。我们在2018年4月的时候我们总的装机容量当中清洁能源占比达到21.9%,同时弃风在全国来讲不算高。
 
  这是我们山西的地图,从北到南电网和新能源装机的情况,重负荷区是在南部和中部,新能源的并网装机大部分都是在北部,大同和忻朔地区。我们在2018年统计过全年最大风光时刻用电负荷占比可以达到145.63%和122.98%,也就是说在北部的新能源的装机是过剩的,它需要通过电网输送到中部和南部。风电/负荷比最高达到280%以上,解决新能源消纳问题的合理方式就是采取储能的方法,或者是综合能源,能源互联网的形式来解决。
 
  再来看一下未来氢能发展的背景,第一,利用可再生能源发电来解决电解水制氢储存,需要时作为氢燃料电池的燃料,既可以解决风能发电的负荷平衡,又可以制得一定数量的氢能。第二,在电网无法消纳新能源时,用弃置电能制氢与天然气网络或者氢网络互动,实现能量平衡。江苏盐城周边有一千多家风电厂,目前所产生的电能无法并网,利用这些风电所产生的电能,结合海水电解技术,所产生的氢气成本可以达到两块钱每立方米,这个价格与汽油相比完全具有竞争力了。
 
  山西是能源大省,今年5月29号国家能源改革委员会的会议上进一步确定了山西作为能源革命的试点省份,同时也给了很多的能源政策的支持,山西大同市是产煤的城市,现在大同的能源规划就是要把煤都变为氢都,也出台了相关政策来支持它的能源发展。
 
  我们从目前发展来看,局限性分析首先就要说的是政策与市场问题。就目前氢能的产业链构建和相关成本而言,我们必须要有足够力度的政策支持,否则的话是没有办法推广的。因此我们说如何设计合理的储能服务计量方法,按实际贡献补偿,激发氢能资源的市场积极性,这是我们下一步氢能发展必须要解决的问题。
 
  同时我们还必须要解决制氢的成本问题,刚才也提到了制氢成本是非常高的,如何把成本降下来,我想随着科学技术的发展,未来若干年应该能够很快解决这个问题。
 
  我们现在从制氢来讲,刚才讲的是常规的电解水制氢,目前比较新的方法是光解水制氢,大同的李灿院士在这方面可能做的比较好,最近马上要在大同落地一个光制氢的示范工程。
 
  从储氢环节来看,我们目前正在突破的技术是常温常压储氢,如果能解决好常温常压储氢的话,我们储氢最主要的矛盾就是它的安全性问题和它的成本问题,就完全解决了,这是我们希望突破的技术。
 
  再下来就是从用氢方面,氢燃料电池,现在虽然已经得到一些应用,但是还有一些技术的成熟度,还有它的成本仍然需要我们继续攻克。
 
  因此我们说从现在氢能作为工业能源和化工原料到未来燃料电池应用、电网储能和削峰填谷以及弃风弃光制氢储能,还有分布式发电以及分布式能源,加氢站改造与新建等等,如果我们想让氢能得到大力的发展,我们需要解决的核心问题就是规模储存与高覆盖率的传输问题。
 
  未来对于氢能的发展,如果我们把储存和运输问题解决好的话,分布式能源是氢能利用的一个非常好的未来的方向。
 
  同时综合能源,就是把电、气、热和氢组成一个综合能源系统也是一个非常好的方向,需要挑战的技术难点有规划问题、控制问题以及协同优化问题。
 
  总结一下,山西省新能源装机在不断增加,新能源消纳问题日益严峻,因此氢能可能会成为解决这一问题的重要方法。
 
  同时氢能的制备与运输是亟待解决的核心问题,是氢能规模化应用的前提。
 
  氢储能具备作为大规模储能性能优势,有望成为未来储能的主要形式之一。
 
  基于氢能和电能的全自治独立的分布式能源系统可能成为未来能源互联的主要形式之一。
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