中國儲能網(wǎng)訊：“電—氫—電轉(zhuǎn)換效率令人印象深刻，電—氫—電為近40%、電—氫—電/熱接近80%，可以和壓縮空氣儲能相比?！?0月21日，在寧波慈溪電氫耦合直流微電網(wǎng)示范工程現(xiàn)場，中國工程院院士、華中科技大學(xué)教授、國家電網(wǎng)公司科技咨詢委員會專家程時杰給出這樣的評價。
最新公布的《中華人民共和國能源法》首次將氫能納入國家能源管理體系。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021～2035）》提出，到2035年，我國將形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元氫能應(yīng)用生態(tài)。
加快推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是保障國家能源安全的重要戰(zhàn)略選擇。近年來，國網(wǎng)浙江電力在杭州、麗水、臺州等地開展了基于工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)基地、農(nóng)村、海島等的電氫耦合多場景示范與應(yīng)用。
國網(wǎng)寧波供電公司注重找準(zhǔn)科技創(chuàng)新賽道，在氫電耦合技術(shù)研發(fā)方面不斷取得突破。如今，“氫”風(fēng)正綠江南岸，寧波氫能產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新成果正在不斷涌現(xiàn)。
電氫耦合綠色足，微網(wǎng)獨立運行168小時
通過風(fēng)電、光伏發(fā)電進(jìn)行電解水制備綠氫，被視為未來發(fā)展方向。當(dāng)前未能大規(guī)模推廣應(yīng)用的原因在于能源轉(zhuǎn)化效率低、生產(chǎn)成本高。為破解這一難題，國網(wǎng)寧波供電公司進(jìn)行了深入探索。
今年6月，寧波慈溪電氫耦合直流微電網(wǎng)示范工程通過國家自然科學(xué)基金委員會高技術(shù)研究發(fā)展中心組織驗收。該項目實現(xiàn)氫產(chǎn)業(yè)全鏈條相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化，氫電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
據(jù)國網(wǎng)寧波供電公司氫能研究專家葉夏明介紹，該工程是國網(wǎng)浙江電力牽頭的國家重點研發(fā)計劃項目“可離網(wǎng)型風(fēng)/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術(shù)”項目的配套項目。其特點是源網(wǎng)荷儲要素齊全：“源”主要包括3200千瓦光伏、230千瓦風(fēng)電以及240千瓦燃料電池；“網(wǎng)”是一套直流系統(tǒng)，包括微電網(wǎng)三端口、中壓三端口等交直流轉(zhuǎn)換和直流變換設(shè)備，是“電—氫”耦合轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵樞紐；“荷”包括400千瓦制氫和總功率600千瓦的充電樁；“儲”包括3000千瓦/6000千瓦時電化學(xué)儲能和7000千瓦時氫儲能。
該工程每年產(chǎn)氫超過60萬標(biāo)準(zhǔn)立方米，消納新能源電量超400萬千瓦時，每日可滿足10輛氫能大巴充氫需求和50輛電動汽車充電需求。同時，氫能在電網(wǎng)端可以作為儲能起到調(diào)峰作用，在發(fā)電側(cè)可以平抑風(fēng)光電上網(wǎng)的波動，加強(qiáng)電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。
作為共性關(guān)鍵技術(shù)，其面臨的最大挑戰(zhàn)是，如何實現(xiàn)一個100%由風(fēng)光波動性電源供給的微電網(wǎng)（微能源系統(tǒng)）長期獨立運行。這也是在“雙碳”目標(biāo)背景下，未來電力系統(tǒng)需要的應(yīng)用場景。2020年，該工程啟動，國網(wǎng)浙江電力充分統(tǒng)籌各方資源和力量，成立省市縣一體的工程聯(lián)合指揮部，組建項目團(tuán)隊，統(tǒng)籌推進(jìn)科技攻關(guān)和工程建設(shè)。
“我們歷時4年，攻克了直流微電網(wǎng)發(fā)展中面臨的能量平衡、電氫混合系統(tǒng)安全防護(hù)等難題，實現(xiàn)了電氫耦合直流微電網(wǎng)系統(tǒng)性突破?！眹W(wǎng)浙江電力科學(xué)研究院高級專家章雷其說。項目團(tuán)隊自主研發(fā)了大功率多端口直流變換器和燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，實現(xiàn)電氫耦合核心設(shè)備100%國產(chǎn)化，且兩項指標(biāo)實測分別超過97.5%、84.7%，高于國際同類系統(tǒng)標(biāo)桿值，電氫轉(zhuǎn)換效率達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
章其雷介紹，該項目最大技術(shù)突破在于，通過電—氫—熱靈活、高效轉(zhuǎn)換、電氫長短周期混合儲能，實現(xiàn)波動性能源長周期存儲與調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了100%由風(fēng)光供給的電氫耦合微電網(wǎng)168小時獨立運行，極大提升了配電網(wǎng)的運行韌性。另據(jù)了解，目前電制氫與燃料電池的成本相對較高，系統(tǒng)動態(tài)特性仍有提高空間，與電網(wǎng)的互動不足，這些因素限制了其在電力系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。章其雷建議，應(yīng)聚焦氫能長時儲能與深度脫碳的特性，加強(qiáng)電氫耦合系統(tǒng)與電網(wǎng)互動方面的研究，結(jié)合電網(wǎng)調(diào)控需求，在核心裝備、系統(tǒng)控制、能量管理、安全保護(hù)方面開展攻關(guān)，實現(xiàn)低成本、長壽命、高靈活性的電氫互動，提升新型電力系統(tǒng)的韌性與長周期靈活性。
開發(fā)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，促整體效率升至80%
盡管氫能因其零排放特性被稱為未來能源，但其利用效率一直面臨較大提升空間。據(jù)中國科學(xué)院院士、廈門大學(xué)教授、嘉庚創(chuàng)新實驗室主任鄭南峰介紹，目前電解水制氫的效率一般為60%～80%，氫燃料電池的效率一般為40%～60%，綜合電—氫—電的轉(zhuǎn)化效率為30%～50%。他認(rèn)為，需要開發(fā)穩(wěn)固的場景把余熱利用起來，比如日本推廣的基于固體氧化物燃料電池（SOFC）的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其能量利用效率已超過80%。
高品質(zhì)熱能同樣是寧波慈溪電氫耦合直流微電網(wǎng)示范工程的特色產(chǎn)品。工程構(gòu)建了統(tǒng)一的余熱回收系統(tǒng)，充分利用燃料電池發(fā)電、質(zhì)子交換膜制氫、高頻電力電子設(shè)備運行過程中的熱能。工程產(chǎn)生的熱能每小時可加熱7000升水，同時還能滿足所在園區(qū)內(nèi)一棟3層、總面積約3000平方米建筑的采暖需求，實現(xiàn)區(qū)域電能、熱能的聯(lián)合供應(yīng)。實際上，電力電子設(shè)備運行過程產(chǎn)生的熱量也是比較可觀的，以1兆瓦變換器為例，運行效率為98%時，發(fā)熱功率就能達(dá)到20千瓦。
為此，項目團(tuán)隊設(shè)計了可支撐電氫耦合直流微電網(wǎng)并/離網(wǎng)高效可靠運行的能量管理系統(tǒng)，內(nèi)嵌“電-氫-熱”全景監(jiān)控、功率預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度等模塊，通過分析氫能利用全環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保貢獻(xiàn)指數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，精準(zhǔn)辨識能效薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對電、氫、熱等不同能量形式的實時調(diào)度和最優(yōu)轉(zhuǎn)化，充分利用燃料電池發(fā)電、質(zhì)子交換膜制氫、高頻電力電子設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的熱能。
比如，光伏發(fā)電出力大于園區(qū)供電負(fù)荷時，能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)對未來負(fù)荷的預(yù)測，將富余的光伏發(fā)電、風(fēng)電功率分配給電解槽和電池儲能，將電能以氫能或者化學(xué)能的形式存儲起來，后續(xù)用于電網(wǎng)削峰、燃料電池汽車加氫。
從各個環(huán)節(jié)的效率來看，電制氫的轉(zhuǎn)換效率為80%左右，回收熱量后綜合效率可以達(dá)到90%。燃料電池?zé)犭娐?lián)供效率接近85%，通過統(tǒng)一回收制氫和燃料電池的熱能，整體系統(tǒng)效率（電—氫—電/熱）達(dá)到70%～80%。
目前已經(jīng)商業(yè)化的熱電聯(lián)供產(chǎn)品中，燃料電池類型包括質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。該項目采用的是PEMFC技術(shù)路線，主要考慮到PEMFC調(diào)節(jié)性能更好、目前的熱電效率與SOFC相當(dāng)、國內(nèi)的技術(shù)成熟度更高等因素。
布局緊湊型技術(shù)，助力多元化應(yīng)用
氫能應(yīng)用場景正在向多元化發(fā)展，除了交通、工業(yè)領(lǐng)域，建筑領(lǐng)域尤其是分布式熱電聯(lián)供，同樣是氫能未來的重要應(yīng)用領(lǐng)域。
科技部啟動的“氫進(jìn)萬家”科技示范工程，聚焦打造多元化應(yīng)用場景——以“一條氫能高速、二個氫能港口、三個科普基地、四個氫能園區(qū)、五個氫能社區(qū)”為建設(shè)目標(biāo)，開展副產(chǎn)氫純化、可再生能源制氫、管道輸氫、氫能交通、熱電聯(lián)供、氫能產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)監(jiān)控等氫能生產(chǎn)和利用技術(shù)的工程化示范。
為進(jìn)一步深化氫能裝置研制技術(shù)探索，國網(wǎng)浙江電力依托現(xiàn)有基礎(chǔ)與平臺優(yōu)勢，聯(lián)合清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中船重工718所等科研及產(chǎn)業(yè)單位，成功牽頭國家重點研發(fā)計劃項目“緊湊型可再生能源電熱氫聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模塊關(guān)鍵技術(shù)”。項目研制了模塊化電熱氫聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模塊成套首臺套裝置，并在典型場景中進(jìn)行應(yīng)用驗證與工程示范，形成了可復(fù)制、可推廣的系統(tǒng)產(chǎn)品，力爭全面提升我國氫能技術(shù)與裝備研制水平，填補我國分布式可再生能源電熱氫聯(lián)產(chǎn)技術(shù)空白。
據(jù)介紹，該系統(tǒng)包括可再生能源（光伏）容量超過1兆瓦，電解水制氫規(guī)模500千瓦，固態(tài)儲氫容量50千克，燃料電池發(fā)電規(guī)模100千瓦和余熱回收供熱水65攝氏度左右，可實現(xiàn)電、氫、氧、熱的綜合供給。根據(jù)研究計劃，2024年底將完成樣機(jī)開發(fā)，2025年上半年完成示范落地。
據(jù)介紹，相比于當(dāng)前項目需要占地1000多平方米，在制氫效率基本不變的前提下，“緊湊型可再生能源電熱氫聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模塊關(guān)鍵技術(shù)”項目將所有核心設(shè)備集成在1個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱大小的空間內(nèi)，占地面積僅約30平方米，實現(xiàn)關(guān)鍵模塊緊湊化、可拓展、即插即用，且制氫能耗更低，更適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)、零碳社區(qū)等多場景需求，有利于帶動“制氫—儲氫—燃料電池—能量管控系統(tǒng)”全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
對于未來方向，中國工程院院士、國家電網(wǎng)公司顧問黃其勵建議，采用海水直接制氫，并將電氫耦合進(jìn)一步推廣至化工等行業(yè)。
