楊 斌，李曉霞，王 堯，王 睿，趙世偉

(1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100000)

0 引言

氫儲(chǔ)能是在可再生能源大量發(fā)展和氫能產(chǎn)業(yè)興起后形成的新型產(chǎn)業(yè)。在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中,電力間歇產(chǎn)生和傳輸被限的現(xiàn)象常有發(fā)生,利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力大規(guī)模制氫,將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來,在電力輸出不足時(shí)利用氫氣通過燃料電池或其他反應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)電,可有效解決當(dāng)前可再生能源發(fā)電并網(wǎng)問題,同時(shí)也可以將此過程中生產(chǎn)的氫氣分配至交通、冶金等其他工業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行利用,以提高其經(jīng)濟(jì)性[1]。

某省風(fēng)能資源較為豐富,由于整體電力市場(chǎng)處于供過于求的狀態(tài),導(dǎo)致棄風(fēng)率居高不下。2015年棄風(fēng)率為31.1 %,達(dá)到歷史最高值,同時(shí)2016—2018年風(fēng)電投資監(jiān)測(cè)結(jié)果均為紅色預(yù)警[2]。因此,為更好地利用風(fēng)能資源,實(shí)現(xiàn)清潔能源余電利用,結(jié)合該省某一地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),提出新能源開發(fā)與氫儲(chǔ)能耦合設(shè)計(jì)方案及控制策略,打造“新能源發(fā)電制氫、余電上網(wǎng)”的離網(wǎng)型新能源耦合氫能示范工程。

1 風(fēng)電耦合氫能工程方案

該項(xiàng)目擬建一座風(fēng)電場(chǎng)并配套相應(yīng)制氫站,實(shí)現(xiàn)平抑風(fēng)電出力波動(dòng)、棄風(fēng)儲(chǔ)能,年制氫量為100000 m3(99.999 %高純氫氣)。工程采用集裝箱式預(yù)制建筑,內(nèi)置堿性電解水制氫設(shè)備、隔膜式氫氣壓縮機(jī)、質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)發(fā)電單元、管束式高壓儲(chǔ)氫瓶組、鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、電控柜、配電柜等生產(chǎn)及輔助設(shè)備。

項(xiàng)目采用堿性電解水制氫技術(shù),利用棄風(fēng)電量生產(chǎn)高純氫氣,其風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)流程主要為電解制氫、加壓儲(chǔ)氫、氫氣充裝和燃料電池發(fā)電,其對(duì)應(yīng)的設(shè)備分別為電解槽、氫氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氫瓶組、氫氣集裝格、PEMFC燃料電池,如圖1所示。

圖1 風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)流程

風(fēng)電場(chǎng)采用金風(fēng)科技GW82/1500 kW型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,額定功率1500 kW。電氣一次系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)逆變器出口690 V AC降壓至380 V AC,分配給一體式堿性電解水制氫裝置及其他輔助設(shè)備；整流器提供直流電流給電解槽,水被電解成氫和氧,匯總后的高純氫氣通過分離、干燥、提純后進(jìn)入氫氣壓縮機(jī)；氫氣壓縮機(jī)將1.6 MPa氫氣升壓至20.0 MPa,并存儲(chǔ)在管束式高壓儲(chǔ)氫瓶組,儲(chǔ)氫系統(tǒng)可滿足全站5天儲(chǔ)能需求；氫氣通過管道、充裝閥組、軟管進(jìn)入氫氣集裝格,進(jìn)而向用戶提供氫氣產(chǎn)品。在風(fēng)機(jī)欠功率或全站失電時(shí),高壓儲(chǔ)氫瓶提供減壓至3.0 MPa的氫氣,通過PEMFC燃料電池提供電能。

2 電解制氫設(shè)備工作原理

目前,電解制氫技術(shù)有堿性電解技術(shù)、質(zhì)子交換膜電解技術(shù)和固體氧化物電解技術(shù)等,其中固體氧化物電解技術(shù)需在800 ℃以上進(jìn)行,且材料的耐受性仍處于研究階段；堿性電解技術(shù)和質(zhì)子交換膜電解技術(shù)要求的操作溫度較低,而質(zhì)子交換膜電解技術(shù)的膜成本較高且需要貴金屬催化劑,導(dǎo)致制氫成本較高；堿性電解技術(shù)可采用非貴金屬催化劑,制氫成本相對(duì)較低。可見,堿性電解技術(shù)的操作條件易實(shí)現(xiàn),投資費(fèi)用低,維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)較低,故選用堿性電解技術(shù)制氫的方法。

電解制氫系統(tǒng)的電解槽通過直流電流,將水電解成氫和氧,直流電流通過電解液(30 % KOH)在兩個(gè)電極之間流通。KOH電解液濃度為27 %～32 %,溶液中含量小于100 mg/L,Fe2+、Fe3+含量小于3 mg/L,Cl-含量小于800 mg/L。為避免電極在堿性電解液中被腐蝕,電解槽陽極由鎳、鈷、鐵組成,陰極由鎳和鉑活性炭(C-Pt)催化劑組成,膜采用電阻率很小的氧化鎳。堿性電解水裝置主要參數(shù)見表1。

表1 堿性電解水裝置主要參數(shù)

制氫站原料水和冷卻循環(huán)水引自風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)有生活水管,利用生活水泵0.35 MPa的壓力輸送,升壓站來水硬度為350 mg/L,在制氫站經(jīng)雙級(jí)反滲透超純水裝置處理。

3 氫儲(chǔ)能耦合策略

3.1 站控與能量管理系統(tǒng)運(yùn)行模式

制氫站設(shè)置站控與能量管理系統(tǒng)(energy management system, EMS)對(duì)微電網(wǎng)和制氫系統(tǒng)進(jìn)行信息采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度和能量管理,實(shí)時(shí)采集變電站內(nèi)電氣設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、工藝設(shè)備、負(fù)荷等信息,接收風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度指令,實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)荷層的優(yōu)化控制,主要包括并網(wǎng)自持、并網(wǎng)棄風(fēng)、并網(wǎng)平抑、手動(dòng)脫風(fēng)離網(wǎng)、手動(dòng)帶風(fēng)離網(wǎng)、故障急停等運(yùn)行控制模式。

3.2 并網(wǎng)棄風(fēng)制氫模式控制策略

以并網(wǎng)棄風(fēng)制氫模式為例,在并網(wǎng)自持運(yùn)行模式下,手動(dòng)切換至并網(wǎng)棄風(fēng)制氫模式,此模式下的運(yùn)行邏輯見式(1)～(4),式中P為有功功率,real和set分別代表真實(shí)值和設(shè)定值。

風(fēng)電制氫有功功率的允許范圍設(shè)定值為-250 kW≤P風(fēng)電制氫-set≤450 kW,負(fù)值表示制氫站向集電線路返送功率。

制氫系統(tǒng)運(yùn)行功率上限為280 kW,下限為90 kW。若P制氫整流-set1≥280 kW,則P制氫整流-set2=280 kW；若P制氫整流-set1＜90 kW,則P制氫整流-set2=0 kW；若90 kW≤P制氫整流-set1＜280 kW,則P制氫整流-set2=P制氫整流-set1；P制氫整流-set2下發(fā)給制氫設(shè)備。

鋰電儲(chǔ)能充電功率上限為250 kW,放電功率上限為-250 kW。若P鋰電儲(chǔ)能-set1≥250 kW,則P鋰電儲(chǔ)能-set2=250 kW；若P鋰電儲(chǔ)能-set1≤-250 kW,則P鋰電儲(chǔ)能-set2=-250 kW；若-250 kW＜P鋰電儲(chǔ)能-set1＜250 kW,則P鋰電儲(chǔ)能-set2=P鋰電儲(chǔ)能-set1,進(jìn)而下發(fā)給儲(chǔ)能逆變器。

4 效益分析

1) 經(jīng)濟(jì)效益。該示范工程靜態(tài)總投資約800萬元,其中建筑工程費(fèi)用約20萬元,設(shè)備購置費(fèi)用約600萬元,安裝工程費(fèi)用約30萬元,其他費(fèi)用約150萬元。工程投資收益主要來自售賣氫氣和補(bǔ)電上網(wǎng),設(shè)計(jì)壽命10年,由于是研究性課題,暫不考核經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2) 環(huán)境效益。氫能是一種世界公認(rèn)的清潔能源,作為優(yōu)質(zhì)氣體燃料,能量利用率高、燃燒產(chǎn)物污染少,燃燒后不產(chǎn)生有害物質(zhì),替代其他能源后環(huán)境效益明顯。該項(xiàng)目通過棄風(fēng)制氫預(yù)計(jì)每年可減少棄風(fēng)電量24萬kWh。

3) 社會(huì)效益。該項(xiàng)目充分利用該地區(qū)豐富的風(fēng)能資源,運(yùn)用風(fēng)電制氫實(shí)現(xiàn)清潔能源余電利用,有助于解決新能源消納問題,有助于該地區(qū)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源長效發(fā)展機(jī)制的開發(fā)和探索；同時(shí),項(xiàng)目建成后能夠示范清潔能源制氫、儲(chǔ)氫、加注輸送和氫銷售產(chǎn)業(yè)鏈模式。

5 結(jié)束語

方案的研究應(yīng)用可為風(fēng)電耦合氫儲(chǔ)能規(guī)劃設(shè)計(jì)、核心控制策略等環(huán)節(jié)提供技術(shù)支撐,在響應(yīng)地方能源產(chǎn)業(yè)政策、提升新能源電廠附加產(chǎn)值、解決并網(wǎng)消納等方面具有指導(dǎo)意義；可結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)需求和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),制定風(fēng)氫耦合工程方案,提出適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉垂┠艿闹苾?chǔ)氫系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)方法和在線快速協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行和能量管理,為推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；可開展風(fēng)電和氫儲(chǔ)能管理系統(tǒng)之間的協(xié)同控制策略研究,為電網(wǎng)提供穩(wěn)定高質(zhì)量的電能,提高可再生能源利用率；也可為示范工程建設(shè)提供技術(shù)指導(dǎo),并為后續(xù)運(yùn)行和維護(hù)積累必要經(jīng)驗(yàn)。