4.3　風能制氫

4.3.1　風電制氫

風能是指地球表面大量空氣流動所產生的動能。全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，為地球上可開發利用的水能總量的10倍。

中國10m高度層的風能資源總儲量為43.5億千瓦，其中實際可開發利用的風能資源儲量為2.5億千瓦。另外，海上10m高度可開發和利用的風能儲量約為7.5億千瓦。全國10m高度可開發和利用的風能儲量超過10億千瓦，僅次于美國、俄羅斯，居世界第3位。陸上風能資源豐富的地區主要分布在“三北”地區（東北、華北、西北）、東南沿海及附近島嶼［84］。

德國物理學家阿爾伯特·貝茨（Albert Betz）在1919年確定風力發電的理論效率為16/27，即59.3%，這就是著名的貝茨理論。實際的發電效率更低，與風力發電機的參數、運行模式都有關系。

由于風速并非常數，風力發電整年的發電量不等于風機標示的發電率乘上所有的運轉時間（一年內）。實際產生的值與理論值（最大值）稱為容量因子。安裝良好的風力發電機，其容量因子可達35%，這樣，標示1000kW的風力發電機，每年可發的電量最多到350kW。

丹麥物理學家Poul La Cour（1846—1908）是世界上第一個利用風力制氫的人。1891年他建造了一臺30kW左右的具有現代意義的風力發電機組，發出直流電并用于制氫，氫氣儲存在一個12m3的容器中。該項目得到丹麥政府資助。他原先設想用氫氣開車，由于內燃機沒有制造成功，他就用氫氣點燃他所教學的中學（Askov Folk High School）的燈［85］。

正在德國首都柏林以北120km的勃蘭登堡州普倫茨勞推進的普倫茨勞風力氫項目擁有共計6MW風力發電設備，平時將生成的電力輸入電網。在夜間電力需求較小，以及電力出現剩余時，則會對水進行電解制造氫，然后將氫存儲到儲氫罐中。儲藏的氫根據需要，與甲烷等可燃性氣體（生物燃氣）混合，然后供應給熱電聯產系統。而利用熱電聯產系統生產的電力供應給電力系統網，其廢熱則銷售給地區供熱系統。部分氫還將供應給位于柏林市內等的燃料電池車（FCV）及氫燃料汽車專用加氫站等［86］。

4.3.2　風-氫能源系統（WHHES）介紹

4.3.2.1　風-氫能源系統（WHHES）的原理及構成

WHHES的構成如圖4-10所示，主要包括風力發電機組、電解槽、氫氣儲罐、燃料電池、電網等。其主要思路是：風力發電機組發出的電可以分別送至電網和電解槽，根據不同的生產需要來決定是供電還是生產氫氣。

根據WHHES與電網的連接情況，可將其分為離網系統和并網系統兩類。

離網系統中，風力發電全部或部分用于制氫，一般用于遠距離電網，且風資源較好的偏遠地區，規模較小。其目的主要是滿足局部地區的能源需求，或僅僅為了制取氫氣。具體操作時，有風時采用風力機組供電，同時電解水制氫并儲存，無風時采用氫燃料電池發電。或者所有的風能全部轉化成氫能后外銷。但是，離網系統尚處在理論研究階段，M.T.Iqbal等通過建模仿真的方法，初步研究了該系統的動態特性［87］，而S.Kelouwani等則對系統中各個部件建模，進行了較為詳細的研究［88］。同時，還有一系列研究比較了該系統的供電穩定性和經濟性等方面。總的來說，該系統由于遠離電網，難以為電解槽供應穩定的電壓和電流輸入，操作起來比較困難，仍然沒有得到工業上的應用。

從現在的情況看，并網系統是一種比較容易實現的風-氫能源系統，對于并網系統，有兩種可能的操作方式：

①風力發電機組首要保證向電網供電。即當風力充足時，將部分電能用于制氫并儲存，而當風能不足，風力發電機組不能滿足電網需要時，采用燃料電池燃燒氫能，發電供給電網。同時，制氫系統同時承擔著調峰的作用。該操作方式相對獨立，能夠滿足小型能源循環系統的應用，但是比較復雜，運行成本和操作成本都比較高。

②風力發電系統中不包括燃料電池組。電網和電解池互相起到調峰的作用。當系統以供電為主要目的時，電解池起調峰作用；而當系統以電解制氫為主要目的時，電網起調峰作用。這種系統比較簡單，但是具有比較強的電網依賴性。

現在，德國應用科技大學運行著一個由100臺風機和20臺電解槽組成的實驗性風-氫能源系統。目前，該系統屬于并網型風氫能源系統，但是研究的方向是離網型的風氫能源系統；而在阿根廷正在建造一個并網型風-氫能源系統，它將作為一個示范工程，作為一個研究和教育的基地，目前有600臺風機。第一階段將有5臺電解槽在穩定的電量下工作，并且有5個燃料電池作為氫氣和氧氣的儲存系統。而一個大型的并網型的風-氫能源系統正在由英國風氫系統有限公司和ACME共同建造。其目標是發展90MW的風-氫能源系統，這將提供蘇格蘭設得蘭群島100%的電力需求［89］。該地區風氫能源系統的發展將成為風氫能源滿足人們能源消費需求的范例。

4.3.2.2　優勢及困難分析

以WHHES為代表的風氫系統，為風電提供了一條非常有效的應用途徑，同時提供了一條可行的區域化制氫方案。該系統可以為風力發電提供較為平穩的輸出，使風電能夠更好地并入電網，提高風力發電在電網中的比重，減少寶貴的化石能源的消耗。同時，該系統可以得到大量純凈的氫氣，為工業和能源提供環保，綠色的氫氣供應。同時，注意到電解池和風力發電機可以共用一套電力電子裝置來進行，節省系統投資。

與此同時，由于風氫系統中副產大量的氧，且純度很高，可以廣泛應用于醫療、冶煉、鑄造、切割、水產等領域。大概氧的價格在19美元/t。考慮到出售純氧帶來的收益，混合系統的經濟性有所提高。

由于化石燃料的大量使用，全球能源正在出現匱乏現象，所以采用可再生能源例如風能，太陽能制氫的手段正在逐漸得到政府的重視，其政策也可以預計地向該領域偏斜。同時，來自各地區的投資激勵，都是該工藝得以快速發展的保證。特別是風電-氫能-海水淡化系統具有較好的經濟價值，在中國東南沿海等地具有很好的應用前景，已經得到了政策的關注。

但是，風-氫能源系統仍然存在一系列的問題，大概包括以下幾個方面。

①電解水裝置成本較高。電解水設備的投資價格大概在1000～2500美元/kW，研究表明，為了使風力發電制氫具有競爭力，其目標是發電成本價格低于400美元/kW，效率高于75%，容量為兆瓦級別。目前的風氫系統要想達到這個標準還需要進一步的探索和突破。

②風力發電成本高。現在，風力發電成本大概在0.04～0.05美元/（kW·h），而研究認為，當降到0.02～0.03美元/（kW·h），系統經濟上才能是可行的。

可見，制約該系統發展的主要瓶頸是制氫成本和氫能的應用問題。所以，大力開拓氫能的市場，提高氫的需求量，對于風-氫能源系統的發展也非常重要。

4.3.3　應用范例

我國風資源豐富，特別是“三北”地區和東南沿海地區，大量的風電場已經建立了起來，但是基于風-氫能源系統的區域性能源系統還在規劃之中。但是，甘肅酒泉、東南沿海、大連、曹妃甸等地區已經開始規劃開發基于風-氫能源系統的區域性能源或海水淡化基地。準備利用東南沿海的豐富風能資源和海水資源，采用風電電解海水，得到的氫氣用于燃燒發電，同時回收氫燃燒后的水，凈化后用于工業和民用。其流程如圖4-11所示。

該系統屬于WHHES中并網系統中的保證電解水裝置穩態運行的類型。其特點主要是將WHHES進行了改造，因為在原WHHES的規劃中，電網起調峰作用，但是由于氫能發電的電能送回電網，補償了調峰帶來的電能損耗，實現了系統內向電網凈輸出能量的目標。同時，該系統的另外一項重要作用是海水淡化過程。沿海城市雖然擁有大量的水資源，但其可利用的卻極少，所以海水淡化對于沿海城市意義重大。而現在的海水淡化系統仍然非常昂貴，且具有很高的操作成本。而對于風-氫能源系統，并不需要在此基礎上加入更多的成本即可實現海水淡化的目標。與此同時，海水能夠使風-氫能源系統副產更多的無機鹽類，更好的平衡了該系統的成本。據評估，該系統不僅能夠盈利，且擁有非常好的節能減排效果。可能帶來的節能減排效果如表4-7所示。

進一步地，如果將海水換成污水，則該系統可以應用于污水的凈化和回收，對于內陸缺水地區也有很好的現實意義和環境意義，對于可持續發展和循環經濟都是大有益處的。

4.3.4　吉林省長嶺縣龍鳳湖20萬千瓦風電制氫及HCNG示范項目介紹

4.3.4.1　項目任務

本示范項目是國家能源局批準的吉林省長嶺縣龍鳳湖20萬千瓦風電場及相配套的制氫示范項目工程。

4.3.4.2　建設地點及規模

吉林省松原市長嶺縣位于吉林省西部，松原市西南部，東與農安縣接壤，南與公主嶺市、雙遼市交界，西與內蒙古科爾沁左翼中旗毗鄰，北與通榆、乾安、前郭爾羅斯蒙古族自治縣為鄰，長嶺縣城距長春市約120km，距松原市約130km，距通榆縣約120km，距農安縣約132km。長嶺區位優越，交通便捷，資源豐富，基礎設施完備，服務功能齊全。通讓、平讓鐵路在境內的太平川站交匯，國道203和省道長白西線在縣內交叉通過。境內油路達到了708km，實現了“鄉鄉通油路”的建設目標，全縣已經形成了四通八達的公路網絡。交通運輸可直接達到制氫站場區內，滿足施工、使用、檢修等方面的要求。

本示范項目是利用龍鳳湖20萬千瓦風電場的棄風電力配套建設的風電制氫及HCNG示范項目，結合近年來長嶺縣風電場的實際棄風電力情況，確定第一期配套裝設1套300m3/h的水電解制氫裝置。第二期根據情況擴大，使得水電解制氫裝置的最大用電負荷為10MW，占龍鳳湖風電場20萬千瓦容量最大功率的5%。

本示范項目的制氫站所產生的氫氣在制氫站區域內進入混氫站按照設定的比例與天然氣混合后通過加氣機本地銷售，也可以通過專用的長管拖車外運銷售，制氫站對外銷售的產品是氫氣、車用天然氣、氫氣與天然氣相混合的車用HCNG；制氫過程的副產物氧氣灌裝成瓶外銷。

4.3.4.3　風電制氫系統總體方案設計及棄風電力利用

（1）電力制氫工藝選擇

堿性水電解制氫技術成熟、可靠性高、運行穩定、操作簡便，我國于20世紀50年代就研制成功第一代水電解槽，經多年改進，現今的水電解工藝和設備已很成熟，一些技術指標已達到或接近國際先進水平。現有的水電解制氫裝置可實現無人值守全自動操作，并可隨用氫量的變化實現負荷的自動調節，具有很好的適應性，投資最低。故本示范項目選定了堿性水電解制氫的方法。

整個電解槽設置在一個承壓殼內，這樣就可以直接產生高壓的氫氣和氧氣。各個電解小室電解產生的氫氣和氧氣分別匯總到氫氣總管和氧氣總管引出。

電解槽設計的工作壓力為3.0MPa，溫度為（85±5）℃。運行時，通過監控冷卻水循環系統使電解槽溫度保持在90℃以下；通過監控氫、氧氣的循環系統使電解槽的壓力控制在3.0MPa規定值范圍內；控制電解液循環量保持在正常值。

（2）混氫系統設計

主要設計原則是嚴格遵循國家有關法規、規范和現行標準，做到技術先進、經濟合理、安全適用、便于管理。本示范項目通過管輸的天然氣和風電產生的氫氣混合后建成每日生產4萬立方米混氫天然氣（HCNG）。本示范項目所用的天然氣來自當地管道，氣源有保障，穩定可靠。氫氣來自風電制氫，是可再生氫氣。天然氣氣質達國家二類氣質標準，同時達到《車用壓縮天然氣》（GB 18047—2000）的氣質要求，氫氣純度>99.5%，CO含量<1×10-6。

混氣加氣站工藝流程：天然氣主干管來的壓力約2.5～4.0MPa的原料天然氣進站、脫水后，與站內風電制成的氫氣分別進入混氣橇，按氫氣∶天然氣=2∶8進入混氣橇混合，然后進入緩沖罐，再進入壓縮機壓縮，經壓縮后的混合氣壓力約為25MPa，加臭后，進入高、中、低壓三組儲氣罐儲存，最后經加氣機或加氣柱向汽車或槽車加氣，HCNG供氣規模為4萬立方米/d。車用純天然氣，純氫氣也都可以經專門加氣機或加氣柱向汽車或槽車加氣向外銷售。

（3）棄風電力的利用及氫氣在本地市場的消納

利用風力發電的棄風電力進行水電解制氫，是用來調節風電的間歇性、波動性的一種儲能技術方案，將提高風電場效率。確定第一期配套裝設1套300m3/h的水電解制氫裝置。第二期根據情況擴大，使得水電解制氫裝置的最大用電負荷為10MW，為龍鳳湖風電場20萬千瓦容量的5%，這么低的負載，有助于電解制氫設備有效利用率的提高，有利于降低制氫成本。電解槽由相互串聯的平行極板組成，控制和調節系統設計，可使堿性水電解槽及整個制氫裝置在供電功率50%～100%變化范圍內正常運行，氫氣產率隨功率高低而變化，就使得總的氫氣產率可在25%～100%范圍內調節，即氫氣產率和制氫裝置的用電負荷可在25%～100%范圍內調節，用于跟蹤風能的波動性和間歇性。

堿性水電解制氫技術是目前較為成熟的高性價比的水電解技術，生產每立方米氫氣的耗電量為4.5kW·h，具有67%的轉換效率。本示范項目工程的成功運行，將為利用棄風電力制氫提供工程經驗，為大規模利用棄風電力開辟新的途徑，從而提高風電的利用率和效率。利用龍鳳湖20萬千瓦風電場的棄風電力制氫，每年可以回收風電場棄風電量約2640萬千瓦·時，按照風電場年等效利用小時數1800h計算，約占龍鳳湖20萬千瓦風電場棄風電量的25.38%，可以增加風電場的等效利用小時數132h。

另據統計，在長嶺縣縣城內現有各類燃用CNG車輛5000余輛，其中出租車約4000量，私家車約1000輛，考慮到這些車輛的使用同時率約為70%，平均每輛車日耗CNG量按照15m3計算，這樣整個長嶺縣城內每日耗用CNG量約為52500m3。如果按照在CNG中摻入20%的氫氣成為HCNG，則每日最大可以消納氫氣約為10500m3，而本示范項目利用棄風電力制氫日平均產量約為16000m3，絕大部分可以實現在本地消納，多余產量通過長管拖車運至周邊市（縣）消納，作為CNG的添加燃料制成HCNG供車輛燃用。本示范的車用純天然氣，純氫氣也都可以后經專門加氣機或加氣柱向汽車或槽車加氣向外銷售。

（4）投資概況

龍鳳湖20萬千瓦風電場及10MW風電制氫工程的投資概算為靜態投資150798.23萬元。

（5）項目進展

項目進展為2014年底獲國際能源局批準，2015年確定場址，2016年開始設備制造和安裝招標，計劃2017年年底完成。