中國儲能網訊：“電—氫—電轉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示范工程現(xiàn)場，中國工程院院士、華中科技大學教授、國家電網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?！稓淠墚a業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021～2035）》提出，到2035年，我國將形成氫能產業(yè)體系，構建涵蓋交通、儲能、工業(yè)等領域的多元氫能應用生態(tài)。
加快推進氫能產業(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)、產業(yè)基地、農村、海島等的電氫耦合多場景示范與應用。
國網寧波供電公司注重找準科技創(chuàng)新賽道，在氫電耦合技術研發(fā)方面不斷取得突破。如今，“氫”風正綠江南岸，寧波氫能產業(yè)的創(chuàng)新成果正在不斷涌現(xiàn)。
電氫耦合綠色足，微網獨立運行168小時
通過風電、光伏發(fā)電進行電解水制備綠氫，被視為未來發(fā)展方向。當前未能大規(guī)模推廣應用的原因在于能源轉化效率低、生產成本高。為破解這一難題，國網寧波供電公司進行了深入探索。
今年6月，寧波慈溪電氫耦合直流微電網示范工程通過國家自然科學基金委員會高技術研究發(fā)展中心組織驗收。該項目實現(xiàn)氫產業(yè)全鏈條相關設備國產化，氫電轉換效率達到世界領先水平。
據(jù)國網寧波供電公司氫能研究專家葉夏明介紹，該工程是國網浙江電力牽頭的國家重點研發(fā)計劃項目“可離網型風/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術”項目的配套項目。其特點是源網荷儲要素齊全：“源”主要包括3200千瓦光伏、230千瓦風電以及240千瓦燃料電池；“網”是一套直流系統(tǒng)，包括微電網三端口、中壓三端口等交直流轉換和直流變換設備，是“電—氫”耦合轉換的關鍵樞紐；“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/6000千瓦時電化學儲能和7000千瓦時氫儲能。
該工程每年產氫超過60萬標準立方米，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，氫能在電網端可以作為儲能起到調峰作用，在發(fā)電側可以平抑風光電上網的波動，加強電網運行穩(wěn)定性。
作為共性關鍵技術，其面臨的最大挑戰(zhàn)是，如何實現(xiàn)一個100%由風光波動性電源供給的微電網（微能源系統(tǒng)）長期獨立運行。這也是在“雙碳”目標背景下，未來電力系統(tǒng)需要的應用場景。2020年，該工程啟動，國網浙江電力充分統(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，組建項目團隊，統(tǒng)籌推進科技攻關和工程建設。
“我們歷時4年，攻克了直流微電網發(fā)展中面臨的能量平衡、電氫混合系統(tǒng)安全防護等難題，實現(xiàn)了電氫耦合直流微電網系統(tǒng)性突破。”國網浙江電力科學研究院高級專家章雷其說。項目團隊自主研發(fā)了大功率多端口直流變換器和燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)，實現(xiàn)電氫耦合核心設備100%國產化，且兩項指標實測分別超過97.5%、84.7%，高于國際同類系統(tǒng)標桿值，電氫轉換效率達到世界領先水平。
章其雷介紹，該項目最大技術突破在于，通過電—氫—熱靈活、高效轉換、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節(jié)，實現(xiàn)了100%由風光供給的電氫耦合微電網168小時獨立運行，極大提升了配電網的運行韌性。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)模應用。章其雷建議，應聚焦氫能長時儲能與深度脫碳的特性，加強電氫耦合系統(tǒng)與電網互動方面的研究，結合電網調控需求，在核心裝備、系統(tǒng)控制、能量管理、安全保護方面開展攻關，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)中國科學院院士、廈門大學教授、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—電的轉化效率為30%～50%。他認為，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%。
高品質熱能同樣是寧波慈溪電氫耦合直流微電網示范工程的特色產品。工程構建了統(tǒng)一的余熱回收系統(tǒng)，充分利用燃料電池發(fā)電、質子交換膜制氫、高頻電力電子設備運行過程中的熱能。工程產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。實際上，電力電子設備運行過程產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)熱功率就能達到20千瓦。
為此，項目團隊設計了可支撐電氫耦合直流微電網并/離網高效可靠運行的能量管理系統(tǒng)，內嵌“電-氫-熱”全景監(jiān)控、功率預測、優(yōu)化調度等模塊，通過分析氫能利用全環(huán)節(jié)的經濟性、環(huán)保貢獻指數(shù)等關鍵技術指標，精準辨識能效薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對電、氫、熱等不同能量形式的實時調度和最優(yōu)轉化，充分利用燃料電池發(fā)電、質子交換膜制氫、高頻電力電子設備運行過程中產生的熱能。
比如，光伏發(fā)電出力大于園區(qū)供電負荷時，能量管理系統(tǒng)可以根據(jù)對未來負荷的預測，將富余的光伏發(fā)電、風電功率分配給電解槽和電池儲能，將電能以氫能或者化學能的形式存儲起來，后續(xù)用于電網削峰、燃料電池汽車加氫。
從各個環(huán)節(jié)的效率來看，電制氫的轉換效率為80%左右，回收熱量后綜合效率可以達到90%。燃料電池熱電聯(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）達到70%～80%。
目前已經商業(yè)化的熱電聯(lián)供產品中，燃料電池類型包括質子交換膜燃料電池（PEMFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。該項目采用的是PEMFC技術路線，主要考慮到PEMFC調節(jié)性能更好、目前的熱電效率與SOFC相當、國內的技術成熟度更高等因素。
布局緊湊型技術，助力多元化應用
氫能應用場景正在向多元化發(fā)展，除了交通、工業(yè)領域，建筑領域尤其是分布式熱電聯(lián)供，同樣是氫能未來的重要應用領域。
科技部啟動的“氫進萬家”科技示范工程，聚焦打造多元化應用場景——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)”為建設目標，開展副產氫純化、可再生能源制氫、管道輸氫、氫能交通、熱電聯(lián)供、氫能產業(yè)鏈數(shù)據(jù)監(jiān)控等氫能生產和利用技術的工程化示范。
為進一步深化氫能裝置研制技術探索，國網浙江電力依托現(xiàn)有基礎與平臺優(yōu)勢，聯(lián)合清華大學、同濟大學、中船重工718所等科研及產業(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)產系統(tǒng)模塊關鍵技術”。項目研制了模塊化電熱氫聯(lián)產系統(tǒng)模塊成套首臺套裝置，并在典型場景中進行應用驗證與工程示范，形成了可復制、可推廣的系統(tǒng)產品，力爭全面提升我國氫能技術與裝備研制水平，填補我國分布式可再生能源電熱氫聯(lián)產技術空白。
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年底將完成樣機開發(fā)，2025年上半年完成示范落地。
據(jù)介紹，相比于當前項目需要占地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)產系統(tǒng)模塊關鍵技術”項目將所有核心設備集成在1個標準集裝箱大小的空間內，占地面積僅約30平方米，實現(xiàn)關鍵模塊緊湊化、可拓展、即插即用，且制氫能耗更低，更適應現(xiàn)代農業(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)”全產業(yè)鏈的發(fā)展。
對于未來方向，中國工程院院士、國家電網公司顧問黃其勵建議，采用海水直接制氫，并將電氫耦合進一步推廣至化工等行業(yè)。
