宋時莉　李黎明　趙宇　朱艷兵

摘要：化石燃料的大量使用已引起全球氣候變暖、局部地區(qū)氣候異常、極端天氣等問題。我國提出將在未來的能源發(fā)展中實施綠色低碳戰(zhàn)略，目標(biāo)之一是到2020年，非化石能源占一次能源消費比達到15%。為實現(xiàn)該目標(biāo)，必須進行的一項任務(wù)就是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展清潔可再生能源。本文對我國可再生能源的開發(fā)利用現(xiàn)狀進行介紹，并對部分地區(qū)存在的棄風(fēng)、棄光、棄水問題進行分析，最后介紹了水電解制氫在解決棄電問題中的應(yīng)用，并展望其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：可再生能源；棄風(fēng)；氫儲能；風(fēng)電制氫；水電解

自工業(yè)革命以來，全球化石燃料的大量使用已使全球大氣中二氧化碳的含量增加了40%，由此引起的諸如全球氣候變暖、局部地區(qū)氣候異常、極端天氣等問題逐漸變得嚴(yán)重，對人類經(jīng)濟和社會的發(fā)展帶來了諸多不利影響。國際社會為了控制碳排放，將溫室氣體濃度控制在使氣候系統(tǒng)免遭破壞的水平上，最新達成了應(yīng)對氣候變化的國際法律文本《巴黎協(xié)定》，該協(xié)定規(guī)定歐美發(fā)達國家繼續(xù)率先減排并開展絕對量化減排，并為發(fā)展中國家提供資金支持，而中印等發(fā)展中國家應(yīng)該根據(jù)自身情況提高減排目標(biāo)，逐步實現(xiàn)絕對減排或者限排目標(biāo)。中國作為負(fù)責(zé)任的發(fā)展中國家，在協(xié)定中承諾到2030年，單位國內(nèi)GDP碳排放較2005年降低60%～65%。要實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》規(guī)定的碳減排目標(biāo)，必須減少化石燃料的使用量，轉(zhuǎn)而開發(fā)應(yīng)用清潔的可再生能源。

我國在2013年制定了《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（20142020年）》，在該計劃中，我國提出將在未來的能源發(fā)展中實施綠色低碳戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系，到2020年，非化石能源占一次能源消費比達到15%。為實現(xiàn)該目標(biāo)，必須進行的一項任務(wù)就是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，積極發(fā)展清潔可再生能源。

目前，我國已開發(fā)的清潔能源主要有風(fēng)能、太陽能、水能、核能、海洋能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等，其利用形式多是將其轉(zhuǎn)化為電能，例如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等。相對來說，水電和核電比較穩(wěn)定，可以直接并網(wǎng)使用，而風(fēng)電和光電的波動性較大，并網(wǎng)輸送會對電網(wǎng)造成沖擊，引起電網(wǎng)的安全性等問題。這就導(dǎo)致了部分風(fēng)電和光電因不能并網(wǎng)使用而被浪費，由此產(chǎn)生了棄電或垃圾電的說法。本文重點對我國風(fēng)電、光電和水電的開發(fā)利用現(xiàn)狀進行介紹，并對部分地區(qū)的棄風(fēng)、棄光、棄水問題進行分析，最后介紹了水電解制氫在解決棄電問題中的應(yīng)用，并展望其發(fā)展前景。

1 可再生能源發(fā)展概況

1.1 風(fēng)電

風(fēng)能是一種清潔可再生能源，進入本世紀(jì)后，我國逐漸加大風(fēng)能資源的開發(fā)力度，全國風(fēng)電裝機容量和風(fēng)力發(fā)電量逐年增加。據(jù)國家能源局統(tǒng)計[1]，2016年，全國風(fēng)電保持健康發(fā)展勢頭，全年新增風(fēng)電裝機1930萬千瓦，累計并網(wǎng)裝機容量達到1.49億千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的9%，全年風(fēng)電發(fā)電量（上網(wǎng)電量）2410億千瓦時，占全部發(fā)電量的4%。另外，2016年全國風(fēng)電平均利用小時數(shù)為1742小時，比2015年增加14小時。

總體來看，我國風(fēng)電主要分布在“三北”及東南沿海地區(qū)，這與我國風(fēng)能資源的地域分布特點相吻合。但由于我國風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的高度集中，加之當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平低、外輸電網(wǎng)建設(shè)落后以及電力公司體制機制等方面的原因，使得我國的風(fēng)電并網(wǎng)和消納一直存在較嚴(yán)重的棄風(fēng)問題。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2016年全年的棄風(fēng)電量為497億千瓦時，同比增加158億千瓦時，平均棄風(fēng)率17.1%，同比增加2.1個百分點。圖1為2016年我國部分省區(qū)市的風(fēng)電并網(wǎng)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出，全國棄風(fēng)較為嚴(yán)重的地區(qū)是甘肅、新疆、吉林和內(nèi)蒙古。另外，河北、山西、陜西、寧夏、遼寧、黑龍江等地也存在不同程度的棄風(fēng)狀況。

棄風(fēng)意味著每年數(shù)以百億計的財富流失，據(jù)測算2010年至2016年，全國因棄風(fēng)損失的電量接近1500億千瓦時，期間電費損失超700億元人民幣。根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（20142020年）》，預(yù)計到“十三五”末，我國風(fēng)電總裝機容量可能達到2.5億至2.8億千瓦，若2.5億千瓦的裝機量有15%被“拋棄”，這意味著3750萬千瓦裝機被白白浪費，更意味著數(shù)以千億計的財富打了水漂。因此，尋找有效解決棄風(fēng)問題的科學(xué)方法已刻不容緩。

1.2 光電

除風(fēng)能外，我國還大力開發(fā)利用太陽能。國家能源局統(tǒng)計[2]顯示，2016年，我國光伏發(fā)電新增裝機容量3454萬千瓦，累計裝機容量7742萬千瓦，新增和累計裝機容量均為全球第一。2016年，全年光伏發(fā)電量662億千瓦時，約占我國全年總發(fā)電量的1%，就發(fā)電量而言我國已經(jīng)是全球最大的太陽能發(fā)電國。在此基礎(chǔ)上，我國還將繼續(xù)擴大太陽能發(fā)電規(guī)模。國家能源局印發(fā)的《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，到2020年底，我國太陽能發(fā)電裝機要達到1.1億千瓦以上，其中光伏發(fā)電裝機達到1.05億千瓦以上，太陽能熱發(fā)電裝機達到500萬千瓦，屆時太陽能年利用量達到1.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以上。[3]

從地域方面來看，我國光伏發(fā)電呈現(xiàn)東中西部共同發(fā)展格局，其中，西部地區(qū)主要發(fā)展集中式光伏發(fā)電，新疆、甘肅、青海、寧夏的累計裝機容量均超過500萬千瓦，而中東部地區(qū)除集中式光伏發(fā)電外，還重點建設(shè)分布式光伏發(fā)電，江蘇、浙江、山東、安徽的分布式光伏裝機規(guī)模已超過100萬千瓦。

我國光伏發(fā)電集中開發(fā)的西北地區(qū)也存在嚴(yán)重的棄光問題。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會發(fā)布的報告，我國的棄光現(xiàn)象主要集中于西北的新疆、甘肅、青海、寧夏和陜西五省區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，2016年，五省區(qū)光伏發(fā)電量287.17億千瓦時，棄光電量70.42億千瓦時，棄光率為19.81%，各省區(qū)光伏發(fā)電并網(wǎng)運行數(shù)據(jù)如表格所示?？梢钥闯?，新疆、甘肅光伏發(fā)電運行較為困難，棄光電量絕對值高，棄光率分別達到32.23%和30.45%。

1.3 水電

截止2016年底，全國水電裝機容量累計已達3.2億千瓦，2016全年水電發(fā)電量為10518億千瓦時，約占全國發(fā)電總量的18%。西部、西南部和南部是我國水電主要分布地區(qū)，四川、湖北、云南、福建、廣西、貴州、湖南、青海、甘肅、重慶等地的水電裝機容量和發(fā)電量在全國排名前列，其中四川、湖北、云南三省的發(fā)電量占全國水電發(fā)電量的50%以上。

與風(fēng)電光電類似，我國水電大規(guī)模開發(fā)的地區(qū)也是我國棄水問題較突出的地區(qū)。作為我國最大的水電生產(chǎn)基地，四川省的水電消納矛盾日益突出，棄水電量連年大幅上揚，2016年全省棄水電量更是達到260億千瓦時，較上年大增155%。云南的棄水情況同樣嚴(yán)峻，初步統(tǒng)計全省2016年棄水電量也超過250億千瓦時。隨著《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃（20162020年）》的實施，我國水電裝機規(guī)模將繼續(xù)增長，四川、云南及其它省份的棄水問題在“十三五”期間也將愈演愈烈。

2 水電解制氫在解決棄電問題中的實際應(yīng)用

氫儲能，是近年受德國等歐洲國家氫能綜合利用項目影響提出的新概念，它是利用水電解制氫技術(shù)，使用多余的電能電解水制取氫氣，從而將不能儲存的電能轉(zhuǎn)換為可以儲存的氫能，再通過將制取的氫氣供給燃料電池等用戶使用，實現(xiàn)富余電能的轉(zhuǎn)化、儲存、再利用。氫儲能示意圖如圖2所示。氫儲能技術(shù)已被認(rèn)為是解決棄電問題的最有效途徑，目前我國和歐美國家均開展了廣泛研究，并在部分地區(qū)建成了示范運行項目。

挪威在優(yōu)特西拉島建設(shè)了一套風(fēng)力發(fā)電和氫氣發(fā)電全面結(jié)合的供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多余的風(fēng)電通過水電解技術(shù)制取氫氣并儲存起來，在風(fēng)力太小時，燃料電池會利用儲存的氫氣生產(chǎn)必需的電力，從而保證孤島居民獲得穩(wěn)定可靠的電力。[4]這套系統(tǒng)典型示范了氫儲能及氫能分布式電站技術(shù)，有效解決了棄風(fēng)問題，對此類項目的推廣極具參考意義。另外，歐美國家的棄電制氫示范項目還包括德國意昂集團“Power to Gas”項目、丹麥“BioCat”項目、美國南加州氣體公司Power to Gas（P2G）項目和法國“朱庇特1000”項目等，這些項目均是利用過剩的風(fēng)電或光電驅(qū)動水電解制氫設(shè)備生產(chǎn)氫氣，并將氫氣儲存起來，最后將生產(chǎn)的氫氣用于燃料電池、天然氣摻氫等。[5]通過這些棄電制氫項目，均有效解決了可再生能源開發(fā)中存在的棄電問題，提高了能源利用效率，避免產(chǎn)生新的浪費。

我國自2014年也加快了可再生能源制氫示范項目的建設(shè)。中國節(jié)能環(huán)保集團公司、河北建投新能源有限公司和金風(fēng)科技股份有限公司在河北、吉林等地相繼開展了風(fēng)電制氫示范項目的建設(shè)工作。其中，中國節(jié)能環(huán)保集團公司風(fēng)電制氫示范項目還得到國家863計劃的支持，其項目名稱為“風(fēng)電耦合制/儲氫燃料電池發(fā)電柔性微網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)及示范”，項目合作單位包括中國船舶重工集團公司第七一八研究所、浙江大學(xué)、同濟大學(xué)、上海財經(jīng)大學(xué)和武漢理工大學(xué)。本項目建立了一套風(fēng)電制儲氫與燃料電池集成系統(tǒng)，它是以風(fēng)電作為電解水的電力來源，制取的氫氣儲存于氫氣鋼瓶，燃料電池再利用氫氣產(chǎn)生電力供給下游用戶使用。該項目為我國風(fēng)能資源的有效利用提供了技術(shù)參考途徑和相應(yīng)工程示范。

此外，國家電網(wǎng)公司也在“十三五”規(guī)劃中列入了氫儲能技術(shù)，并將該技術(shù)認(rèn)為是智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的重要支撐，未來將成為多個國家能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)支持的焦點。國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院也于2014年啟動了“氫儲能關(guān)鍵技術(shù)及其在新能源接入中的應(yīng)用研究”項目，正式介入可再生能源制氫領(lǐng)域。

3 水電解制氫解決棄電問題的展望

基于棄電制氫的重要意義，國家也積極制定頂層規(guī)劃，推動此類項目的研究和應(yīng)用。2016年，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016～2030年）》中，將氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新作為未來我國能源技術(shù)發(fā)展的重點任務(wù)之一，明確提出了研究基于可再生能源及先進核能的制氫技術(shù)，實現(xiàn)大規(guī)模、低成本氫氣的制取。在技術(shù)應(yīng)用推廣上，國家對于可再生能源制氫和氫能綜合利用的重視程度也在不斷提高，國家能源局多次強調(diào)要加快推進風(fēng)電制氫的示范工作，進一步積累經(jīng)驗。可以確信，在國家的大力支持下，棄電制氫將逐漸成為可再生能源開發(fā)的重要支撐技術(shù)，對解決棄風(fēng)、棄光和棄水問題將起到?jīng)Q定性作用。

參考文獻：

[1]國家能源局.2016年風(fēng)電并網(wǎng)運行情況[EB/OL].

[2]國家能源局.2016年光伏發(fā)電統(tǒng)計信息[EB/OL].

[3]國家能源局.太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃[EB/OL].

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[5]蔡國偉，孔令國，薛玉，等.風(fēng)氫耦合發(fā)電技術(shù)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38（21）：127135.

References：

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[2]National Energy Administration，The information of photovoltaic power generation in 2016 in China [EB/OL].

[3]National Energy Administration， The solar energy development planning in "the 13th FiveYear" [EB/OL].

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[5]Cai Guowei，Kong Lingguo，Xue Yu， et al. Overview of Research on Wind Power Coupled with Hydrogen Production Technology [J].Power System Automation，2014，38（21）：127135.

作者簡介：宋時莉（1989），女，碩士，助理工程師，2014年畢業(yè)于太原理工大學(xué)機械工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事水電解制氫裝置研發(fā)工作。