今年初，國家能源局正式公布了首批多能互補集成優(yōu)化示范工程名單，共安排23個項目。示范工程只是起步，據(jù)行業(yè)估算，多能互補集成優(yōu)化市場空間將達萬億以上。多能互補集成優(yōu)化工程作為能源行業(yè)的新業(yè)態(tài)，國內(nèi)尚無成熟的建設(shè)運營經(jīng)驗，讓我們看看國外是如何探索多能互補道路的。

 

德國創(chuàng)新風(fēng)電制氫多能互補模式為解決新能源波動性帶來了曙光

 

我國目前已經(jīng)成為了世界風(fēng)電裝機容量第一的可再生能源打過，但是這些清潔能源的利用率一直低下，全國的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象十分嚴(yán)重，新能源企業(yè)最高限電高達79%。根據(jù)中國儲能網(wǎng)的報告，2016年我國僅國網(wǎng)地區(qū)的棄風(fēng)棄光電量就達到了465億千瓦時，直接經(jīng)濟損失超過100億元人民幣。從分布上看，新能源開發(fā)主要集中在“三北”地區(qū)，風(fēng)電、光電裝機容量分別占全國的77%和41%，規(guī)模大、當(dāng)?shù)厥袌隹臻g卻有限，難以就地消納。從輸送能力上看，“三北”地區(qū)跨省區(qū)輸電能力僅有新能源裝機總量的22%，電力市場的建設(shè)也仍處于起步階段，難以適應(yīng)新能源大規(guī)模交易、外送的需要。

 

反觀另一個新能源發(fā)展大國德國，2016年可再生能源發(fā)電量占比已經(jīng)超過了32%，在某些日子里可再生能源甚至能夠覆蓋約90%的電力消耗。在如此高的可再生能源比例下，整個電力系統(tǒng)的靈活性也亟待提高。根據(jù)德國聯(lián)邦環(huán)境部的分析，為了消納電網(wǎng)越來越多的波動性，需要提高以下四個領(lǐng)域的靈活性：

 

不同可再生能源比例下的關(guān)鍵靈活性技術(shù) 來源：BMU

 

其中儲能無疑是解決這個問題的關(guān)鍵，為了實現(xiàn)100%利用可再生能源這個目標(biāo)，德國通過研究也發(fā)現(xiàn)了不同可再生能源份額下的關(guān)鍵儲能技術(shù)。眾所周知，可再生能源的比例越高，再往上提升的難度就越大，其中最難以實現(xiàn)，最關(guān)鍵的是電轉(zhuǎn)氣技術(shù)。這項前沿的技術(shù)在很多國家都還面臨著許多技術(shù)瓶頸、應(yīng)用困境和盈利問題。但是在德國，2013年就已經(jīng)建成了第一個商業(yè)化的風(fēng)電制氫多能互補項目——h2-herten。

 

德國黑爾滕市風(fēng)電制氫多能互補項目 來源：h2herten

 

以上就是這個項目的其中一個氫能應(yīng)用點的照片，這是一個以氫氣為主要媒介的多能互補系統(tǒng)，附近1.2公里外的風(fēng)電場每天能夠供應(yīng)該地3000平方米辦公室和科研場所的用能需求，以及本地氫燃料汽車和公交車的運行。

 

照片的背景中可以清晰地看到一個煤礦的舊址，這個名為Ewald的煤礦歷史上曾經(jīng)一度為歐洲最大的煤礦，周圍生活著6萬居民。這個地區(qū)曾因為煤炭資源豐富而興起，也因為煤電的沒落而失去榮光。這個項目讓該地區(qū)重新煥發(fā)了活力，不僅能夠享受到便宜清潔的能源，還因為這個試點而得到了全世界的關(guān)注。

 

 

為了讓靠天吃飯的風(fēng)電能夠滿足地區(qū)供電的可靠性要求，該項目的核心為將多余的風(fēng)電用于電解生產(chǎn)氫氣，氫氣能夠很好地被儲存起來，在缺電的時候通過燃料電池重新轉(zhuǎn)化為電力。這個流程被定義為：以氫能為基礎(chǔ)的能源補充系統(tǒng)（HECS），其基礎(chǔ)框架如下：

 

 

這個項目的HECS設(shè)備能夠提供每年250兆瓦時的電力和將近6500千克的氫氣。，一部分氫氣通過燃料電池為附近的一個辦公建筑提供足夠的電力，這棟建筑中午的峰值負(fù)荷能夠達到50KW，全年用電量在250兆瓦左右。為了能夠制定出最優(yōu)的風(fēng)電充放電策略，該系統(tǒng)配備了一套風(fēng)力發(fā)電預(yù)測系統(tǒng)和負(fù)荷預(yù)測系統(tǒng)，一個通過該系統(tǒng)計算出的6天風(fēng)電發(fā)電功率和負(fù)荷的如下：

 

如果不加任何的儲能系統(tǒng)，多余的風(fēng)電都要被放棄掉，在無風(fēng)或者少風(fēng)的時候甚至?xí)粘扇彪姷默F(xiàn)象，正午在用電高峰的時候風(fēng)電功率反而較低，以上6天在不加HECS系統(tǒng)情況下的情況如下圖：

 

 

在整合了HECS系統(tǒng)后，通過一個優(yōu)化系統(tǒng)，風(fēng)電就能夠保證實時的電力供應(yīng)。燃料電池的反應(yīng)速度能夠滿足系統(tǒng)的需求，也保證了供電的可靠性。下圖為真實運行中的情況：

 

 

可見在風(fēng)電不足的時候，HECS系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)滿足負(fù)荷需求。該項目在2013年5月29日開始運行，至今運行良好，盡管這個系統(tǒng)連接了大電網(wǎng)保障這棟辦公建筑的電力在極端情況下的電力供應(yīng)，至今也幾乎沒有使用過大電網(wǎng)的電力。

 

這個項目充分證明了，微電網(wǎng)內(nèi)部通過整合氫能轉(zhuǎn)化設(shè)備后自給自足的可能性，多能互補的核心在于通過其他能源形式彌補電力不可大規(guī)模儲存的缺點，又通過電力的靈活性和便于傳輸?shù)奶匦耘c其他能源形成了優(yōu)勢互補。在未來的能源系統(tǒng)中，我們將會看到更多不同的能源網(wǎng)絡(luò)交織在一起，這個堅強而靈活的能源網(wǎng)才是解決可再生能源高比例應(yīng)用的關(guān)鍵。