當(dāng)前我國風(fēng)電、光伏技術(shù)的進步已推動了可再生能源成本的大幅下降，智慧能源也跨入了實踐階段，隨著綠氫成本的下降和氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)的逐步發(fā)展，未來可再生能源與氫能和儲能的融合將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。國內(nèi)各地“十四五”規(guī)劃中，可再生能源、氫能、儲能均成為了“高頻詞匯”，河北、山東、內(nèi)蒙古等地更是提出了打造風(fēng)光氫儲產(chǎn)業(yè)集群的目標(biāo)。那么問題來了，“風(fēng)光氫儲”是什么？目前有哪些規(guī)劃和示范項目？各地又如何因地制宜把風(fēng)光資源真正轉(zhuǎn)化為氫能產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢？當(dāng)前又面臨哪些問題呢？新能源、氫能與儲能又如何高效融合發(fā)展？下文將給你答案。
風(fēng)光氫儲：穩(wěn)定、可控、安全的綜合能源系統(tǒng)
綜合能源系統(tǒng)是以電力系統(tǒng)為核心，打破電、氣、冷、熱等能源供應(yīng)系統(tǒng)單獨規(guī)劃運行的模式，在規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行過程中，對各類能源分配、轉(zhuǎn)化、存儲、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化，充分利用可再生能源的新型區(qū)域能源供應(yīng)系統(tǒng)。這其中，風(fēng)光氫儲系統(tǒng)被認(rèn)為是未來最為可行的新型能量儲存和轉(zhuǎn)化的方法之一。
以目前的技術(shù)，采用多種可再生能源互補的方式制氫是可行的。傳統(tǒng)的儲能技術(shù)存在壽命短，容量小的缺點，而多種可再生能源制氫儲能方式具有運輸方便、容量高等優(yōu)點。隨著儲氫方式、儲氫材料及容量配置的優(yōu)化，使得可再生能源大范圍存儲率提高。多種可再生能源互補制氫的存儲方式為能量的存儲提供了新的解決途徑。
圖1 包含風(fēng)光制氫儲能裝置的綜合能源系統(tǒng)
風(fēng)光氫儲系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制/轉(zhuǎn)化單元、儲能裝置、逆變器、電解槽等部分組成。具體流程為來自光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機組的直流電源通過控制器將多余的能量儲存到儲能裝置中，然后經(jīng)由逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，用于電解水制氫。電能通過電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)化成氫氣，將氫氣輸送至氫氣應(yīng)用終端或經(jīng)燃料電池并入電網(wǎng)中，完成從可再生能源到氫能的轉(zhuǎn)化?？刂?轉(zhuǎn)化單元是整套系統(tǒng)最重要的部分?？刂?轉(zhuǎn)化單元根據(jù)收集的實時信息對上網(wǎng)功率、制氫功率及燃料電池發(fā)電功率進行決策，是保證系統(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。
圖2 風(fēng)光氫儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
風(fēng)光氫儲項目技術(shù)發(fā)展趨勢
近十幾年來，國內(nèi)外陸續(xù)建成了一些風(fēng)光耦合制氫和儲氫示范項目，積累了豐富的系統(tǒng)設(shè)計和實際運行經(jīng)驗，總體上，風(fēng)光氫儲項目發(fā)展趨勢有三個：首先，發(fā)揮氫在微網(wǎng)系統(tǒng)中的儲能優(yōu)勢，提升可再生能源系統(tǒng)的利用效率的同時，優(yōu)化間歇性再生能源電力的發(fā)電品質(zhì)，以保證電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。例如INGRID項目擬建設(shè)包含39MWh的固態(tài)儲氫、電解制氫-燃料電池和1.2MW氫燃機的氫儲能系統(tǒng)，為3500MW的光伏、風(fēng)電和生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)進行功率平滑調(diào)節(jié)，氫儲能系統(tǒng)的最大儲氫量可達1000kg；其次，通過多余電能（棄風(fēng)棄電）制氫的方式提高可再生能源的規(guī)模和比例。例如德國開展的“PowertoGas”項目；第三，大力開展海上風(fēng)電或在風(fēng)光資源有優(yōu)勢的地方開展風(fēng)光互補制氫項目，再集中外送到用氫集聚區(qū)。
在技術(shù)層面，風(fēng)光氫儲關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向也有三個：
（1）風(fēng)電/光伏制氫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計
系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計包括三個方面：一是各子系統(tǒng)設(shè)備的容量選型，二是輔助設(shè)備的優(yōu)化選擇，三是系統(tǒng)的模塊化設(shè)計。各子系統(tǒng)設(shè)備容量選型是提高系統(tǒng)運行效率和降低投資成本的重要前提。系統(tǒng)設(shè)備容量的合理選型應(yīng)是基于資源條件、負(fù)荷特點和當(dāng)?shù)赜媚苄枨蟮鹊慕y(tǒng)籌考慮。除了風(fēng)機、光伏和電解制氫等主要設(shè)備外，一些輔助設(shè)備（如DC轉(zhuǎn)換器、儲氫設(shè)備等）的配置和優(yōu)化同樣需要重點考慮。輔助設(shè)備的配置可明顯提高系統(tǒng)的運行效率，但也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)可靠性。另外，系統(tǒng)的模塊化設(shè)計也是簡化系統(tǒng)流程，提高系統(tǒng)可靠性的重要選擇，系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可優(yōu)化系統(tǒng)電力特性和能量傳遞和轉(zhuǎn)換流程，可將制氫成本降低7%左右。
（2）風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)運行策略的制定和優(yōu)化
風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)的運行涉及到風(fēng)光發(fā)電出力、并網(wǎng)功率、電解制氫功率、儲運氫能力和燃料電池發(fā)電功率等的協(xié)調(diào)控制，控制策略的制定與電網(wǎng)指令、用氫需求和設(shè)備參數(shù)等密切相關(guān)?？刂撇呗缘膬?yōu)劣可直接影響到系統(tǒng)效率、可靠性、魯棒性和設(shè)備壽命等。
（3）風(fēng)光氫儲系統(tǒng)全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟性評價
結(jié)合風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)工程示范和實際運行經(jīng)驗，并根據(jù)相關(guān)政策（碳減排和交易政策、氫能發(fā)展規(guī)劃等）的制定實施進度，建立符合實際情況的風(fēng)光耦合制氫經(jīng)濟性評價模型，探討風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)在不同技術(shù)路線和氫氣應(yīng)用場景下的全壽命周期平準(zhǔn)化成本和收益，最終獲得符合各地發(fā)展情況并切實可行的商業(yè)模式。
風(fēng)光氫儲一體化是地區(qū)新能源與儲能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的最佳解決方案之一
表1 近年我國風(fēng)光氫儲項目建設(shè)情況匯總
可以看到，國內(nèi)風(fēng)光氫儲一體化項目建設(shè)的腳步不斷加快，地方政府也在積極布局，未來“水核風(fēng)光火氫儲”等多能互補系統(tǒng)的技術(shù)將會不斷成熟，制氫成本也將逐漸下降，并逐步滿足商業(yè)需求，不僅可以實現(xiàn)制氫過程集中化，供氫過程區(qū)域化，還可利用氫能的多種能源轉(zhuǎn)換特性，達成新能源的智慧互聯(lián)。
國內(nèi)“三北”地區(qū)風(fēng)光資源尤其豐富，也是棄風(fēng)棄光率較高的區(qū)域，風(fēng)光氫儲模式在三北地區(qū)將有很大的發(fā)展空間（如河北、新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙、吉林等省具備風(fēng)光氫耦合制取低碳?xì)涞木薮蟮馁Y源優(yōu)勢），隨著儲運技術(shù)的突破，該地區(qū)的低碳?xì)淇奢斔偷接脷浼蹍^(qū)，也可成為氫能投資示范項目的重點選擇區(qū)域。
