本文介紹了利用利用大規(guī)模被棄掉的新能源來制氫，通過實驗驗證氫儲能系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，驗證了氫氣儲能系統(tǒng)可以在0～100%額定功率范圍內(nèi)自適應(yīng)風(fēng)電功率的隨機(jī)、間歇和波動等特性。

前提一

目前新能源電能存在隨機(jī)性、波動性和間歇性等問題，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)展過程中也遇到了并網(wǎng)消納的瓶頸，并且解決這個問題的大規(guī)模儲能手段還存在成本、安全性和可靠性等的挑戰(zhàn)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，這些特性給行業(yè)造成了很大的困擾。用數(shù)據(jù)來說，2017年前全國風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)1.64億kW，光伏裝機(jī)容量達(dá)1.3億kW，而棄電量達(dá)到了近500億kW·h，浪費非常嚴(yán)重。

前提二

因煤炭等化石資源儲量豐富，以化石能源消耗為主的能源及能源產(chǎn)品占據(jù)了主導(dǎo)地位，且預(yù)計較長時間內(nèi)難以完全擺脫對化石能源及其附屬產(chǎn)品的依賴。

創(chuàng)新思路

針對以上問題，大連理工大學(xué)教授、博導(dǎo)，中國電機(jī)工程學(xué)會電力電容器專委會委員袁鐵江團(tuán)隊提出了一個創(chuàng)新的思路——利用大規(guī)模被棄掉的新能源來制氫，以氫作為橋梁，構(gòu)建高效、可靠和清潔的風(fēng)—煤能源系統(tǒng)，來滿足我國對能源清潔可持續(xù)供給的重大戰(zhàn)略需求。


看圖說話，新能源的一部分用來電解制氫，制氫可以通過兩個路徑：一是利用燃料電池發(fā)電，以電能的形式進(jìn)行消納;二是把它交給化工產(chǎn)業(yè)，通過解決氫的問題來減少污染和降低能耗。該風(fēng)-煤能源系統(tǒng)中間的制氫環(huán)節(jié)是個電化學(xué)的過程，如果分成不同系統(tǒng)的話，會發(fā)現(xiàn)制氫、儲氫及后段的用氫各系統(tǒng)對能量流的具體形態(tài)以及速度等這些性質(zhì)需求各異，因此不同能源系統(tǒng)工作特性協(xié)調(diào)和耦合機(jī)制是創(chuàng)新策略需要解決的關(guān)鍵問題。

比如在制氫的環(huán)節(jié)中，需要高適應(yīng)性、大容量和高效的電解水設(shè)備。電解水設(shè)備對風(fēng)機(jī)的不穩(wěn)定性功率輸出具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以用于解決風(fēng)電過剩問題。在儲氫環(huán)節(jié)，由于氫的密度較低，若想在有限的體積中儲存更多能量，那么會牽扯大量的能量損耗。因此需要解決的關(guān)鍵技術(shù)就是低損耗、高密度和易釋放的儲氫技術(shù)。在輸氫環(huán)節(jié)，需要解決的關(guān)鍵問題是低成本、長距離和高效的輸氫技術(shù)。在用氫過程中，需要解決的關(guān)鍵問題是多形態(tài)、高效可靠的用氫技術(shù)。

針對前面提到的創(chuàng)新策略，目前有啥進(jìn)展？

1

針對整個系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，研制了“風(fēng)/光—氫(儲能)—煤多能耦合系統(tǒng)規(guī)劃軟件平臺”，此平臺具備了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫錄入與管理模塊功能，同時兼?zhèn)湎到y(tǒng)部分關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)的選型、經(jīng)濟(jì)效益評估以及生產(chǎn)線模擬等功能。但是這里存在一個技術(shù)難點就是環(huán)節(jié)多，耦合能流形態(tài)和特性差別較大，使用設(shè)計函數(shù)建模非常困難。所以針對此點的創(chuàng)新策略就是各環(huán)節(jié)能流基于能量進(jìn)行歸一化，然后建立系統(tǒng)等效設(shè)計函數(shù)。

2

針對一次系統(tǒng)構(gòu)建風(fēng)/光—氫(儲能)—煤多能耦合一次系統(tǒng)EMR模型，它的技術(shù)難點在于多物理量、高階、強(qiáng)非線性系統(tǒng)和數(shù)學(xué)建模難，所以針對此點采取的創(chuàng)新策略是利用EMR模型，模塊化、圖形化建模，忽略掉一個系統(tǒng)到另一系統(tǒng)間過渡的能流變化，簡化了建模過程。

由圖可知：在電解槽壓力和溫度等環(huán)境參數(shù)保持恒定的情況下，電解槽制氫的速率與輸入電解槽的富裕風(fēng)電變化速率的變化趨勢相同，這與實際的電解槽制氫速率受電解槽輸入功率控制的結(jié)論是一致的，驗證了所提出的氫儲能系統(tǒng)電解槽模型的正確性，也進(jìn)一步驗證了氫氣儲能系統(tǒng)可以在0～100%額定功率范圍內(nèi)自適應(yīng)風(fēng)電功率的隨機(jī)、間歇和波動等特性，并在一定意義上表明了此次提出創(chuàng)新策略的基本思路是合理的。

3

在系統(tǒng)控制層面，提出氫儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)表征方法。系統(tǒng)儲能介質(zhì)為氫氣，以氣體的形式進(jìn)行存儲，和傳統(tǒng)電池的存儲狀態(tài)不一樣，因為影響狀態(tài)表征因素也很多，比如溫度、壓力等，所以這是一個技術(shù)難點。所以針對此點我們的創(chuàng)新策略就是利用氫儲能系統(tǒng)的壓力，考慮到外界的因素來等效表征整個系統(tǒng)SOC的狀態(tài)。

接著看圖：針對此系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，風(fēng)電場出力及負(fù)荷的變化曲線。

由此可以證明：利用這個創(chuàng)新策略可使ESOC變化正常，氫儲能系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)控制策略效果理想，因此實現(xiàn)了風(fēng)能的高效利用。