2017年前三季度，我國光伏發(fā)電量857億千瓦時，棄光電量51億千瓦時，風力發(fā)電2128億千瓦時，棄風電量295.5億千瓦時。如何破解棄風棄光難題依然是能源領(lǐng)域科研人員的研究熱點。

面對上述難題，以可再生能源與氫能融合的能源利用新思路順勢而出。中國電科院為探求多種能源融合的發(fā)展前景，開展了《利用多能源轉(zhuǎn)換技術(shù)推進清潔替代的可行性》項目研究，對可再生能源與氫能在電力系統(tǒng)的有機結(jié)合進行了前瞻性研究，對多能融合的諸多疑問進行了解答。

國內(nèi)外有哪些可再生能源與氫能融合的研究實踐?

耦合可再生能源與氫能的多能源系統(tǒng)工程可追溯到2004年建成的位于挪威阿奇若島的風氫能源示范項目，該系統(tǒng)主要由600千瓦風機、產(chǎn)氫能力為10標準立方米/時的電解制氫裝置、儲氫容量為2400標準立方米的高壓儲氫罐、55千瓦氫氣內(nèi)燃機及10千瓦燃料電池組成，最多可滿足島上10戶家庭2～3天的用電需求。

德國大力發(fā)展氫能燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)并提出了氫能發(fā)展路線圖及“Power to Gas”發(fā)展戰(zhàn)略。2011年德國E.ON和Greenpeace Energy等能源公司在德國建立6兆瓦的風—氫示范項目，在用電需求高峰時段，優(yōu)先將風電全部并入電網(wǎng)，在電力需求低谷時段，將風電轉(zhuǎn)化為氫氣存儲起來，然后再通過天然氣管網(wǎng)摻氫輸送至附近熱電廠進行熱電聯(lián)供。此外，Audi公司于2013年在德國建成了6兆瓦的“光伏—氫—甲烷”項目(E—Gas項目)，通過光伏發(fā)電制取氫氣，再與二氧化碳重整制成甲烷，年產(chǎn)甲烷能力達到1000噸。

耦合可再生能源與氫能的多能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已成為多個國家的戰(zhàn)略抉擇與目標。作為全球風力發(fā)電和光伏發(fā)電增幅最大的國家，我國開展以氫能為核心的多能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)意義重大。2015年，我國啟動了一項由河北建投集團與德國McRhy、Encon等公司合作的風電制氫工程項目，計劃在河北省沽源縣建設200兆瓦風電場、10兆瓦電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)，制取的氫氣可用于工業(yè)生產(chǎn)，并為未來氫能源動力汽車產(chǎn)業(yè)進行資源儲備，現(xiàn)一期200兆瓦風電場已并網(wǎng)發(fā)電。

如何實現(xiàn)可再生能源與氫能的轉(zhuǎn)換?

實現(xiàn)可再生能源與氫能轉(zhuǎn)換是將可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的電能用于電解水，產(chǎn)生氫氣與氧氣，這一電—氫能源轉(zhuǎn)換過程的實現(xiàn)離不開一個關(guān)鍵的設備——電解槽。根據(jù)電解槽中電解質(zhì)的不同，可以分為堿性、質(zhì)子交換膜以及固體氧化物三種電解制氫類型。

堿性電解制氫是目前電解制氫中最成熟和最經(jīng)濟的方式，適用于大規(guī)模與高負荷制氫的工況，堿性電解槽是一種低溫電解技術(shù)，工作溫度一般范圍為70～90攝氏度，制取的氫氣純度較高;質(zhì)子交換膜電解制氫采用純水電解，工作溫度約為55～80攝氏度，可更好地適應負載功率波動性，但由于其成本較高，使其目前僅在軍工和航天工程上實現(xiàn)商業(yè)化應用;固體氧化物電解制氫屬于高溫電解類型，工作溫度高達700～900攝氏度，總體效率非常高，但較高的工作溫度也使其在爬坡速率、黑啟動和負載變化上的靈活性較低。

堿性電解制氫由于技術(shù)成熟度高、壽命和成本均能滿足可再生能源發(fā)電制氫需要的優(yōu)勢，是目前可再生能源電解制氫方式的首選，但隨著質(zhì)子交換膜電解制氫成本的逐步降低及工作壽命的延長，將會憑借其可靈活適應輸入功率波動的性能，具備在可再生能源制氫領(lǐng)域規(guī)模化應用的潛力。

可再生能源電解制取的氫氣應用場景有哪些?

氫氣的應用領(lǐng)域非常廣泛，在傳統(tǒng)應用方面，用量最大的行業(yè)是石油化工業(yè)，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制過程中的加氫反應。此外，氫氣在電子工業(yè)、冶金工業(yè)等領(lǐng)域也有應用。除傳統(tǒng)應用外，氫氣可作為能源加以利用，如氫燃料電池，將成為未來重要的氫氣利用發(fā)展方向。根據(jù)氫能終端應用途徑的不同，可以將可再生能源與氫能融合系統(tǒng)的應用模式分為以下五種場景：

電—氫—燃料電池發(fā)電：將可再生能源電解產(chǎn)生的氫能經(jīng)壓縮儲存后，在用電高峰時供給燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，回送電量至電網(wǎng)，若將燃料電池的熱能回收再利用，綜合能效可達60%以上。

電—氫—混合燃氣：此應用模式下制取的氫氣經(jīng)過壓縮與高壓輸運后按照一定比例與天然氣混摻，可送至燃氣輪機電站進行發(fā)電或供其他工業(yè)和民用使用。

電—氫—甲烷—燃氣：電解產(chǎn)生氫氣需再與二氧化碳發(fā)生反應轉(zhuǎn)換為甲烷，甲烷經(jīng)過壓縮，運輸?shù)饺細廨啓C電站進行發(fā)電或注入天然氣管網(wǎng)用于各行各業(yè)。

電—氫—移動發(fā)電：氫能經(jīng)儲存、輸運及加注過程，最后在交通運輸領(lǐng)域作為燃料電池類交通工具燃料使用，全環(huán)節(jié)的能源轉(zhuǎn)換效率約為16%～31%，這種方式最大的意義在于既有利于可再生能源的高比例應用，同時又能推動氫燃料電池交通工具產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展。

電—氫—化工原料：制取的氫氣直接被用于傳統(tǒng)用氫產(chǎn)業(yè)，作為反應原料使用，如合成氨、煤氣化、煤化工等產(chǎn)業(yè)。

可再生能源與氫能融合的潛力如何?

可再生能源制氫系統(tǒng)是構(gòu)建電—氣—冷—熱多能互補一體化集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)及重要環(huán)節(jié)，為能源消費和供需的協(xié)調(diào)配合構(gòu)建了橋梁和紐帶。采用可再生能源與氫能融合，一方面，擺脫了傳統(tǒng)化石燃料制氫對環(huán)境的影響，為氫能的制取開辟了更清潔、更環(huán)保的新途徑，推進清潔替代的實現(xiàn)，為氫能經(jīng)濟的到來奠定環(huán)保綠色的技術(shù)基礎(chǔ);另一方面，整合各類能源發(fā)展，提升能源系統(tǒng)的資源利用率，為構(gòu)建多能源互補集成系統(tǒng)夯實基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，顯著提高社會、資源、經(jīng)濟、環(huán)境等方面的綜合效益。

為定量評估采用可再生能源電解制氫緩解棄風現(xiàn)象的潛力，以氫氣通過管道輸送為前提條件，對利用的棄風電量進行估算。我國西氣東輸年累計輸送天然氣量約為590億立方米，其中西一線240億立方米，西二線350億立方米，按照氫氣以5%的比例混摻到天然氣作為計算依據(jù)，則西氣東輸可輸送氫氣量為29.5億立方米，由于制取1標準立方米氫氣需耗電4.5～5.0千瓦時，按照最大耗電量計算用電量，通過管道輸送氫氣具備消納147.5億千瓦時棄風電量的潛力。我國2016年全年棄風電量497億千瓦時，可有效利用29.68%的棄風電量。由此可見，可再生能源與氫能的融合可在一定程度上解決棄風電量浪費的問題。

未來可再生能源與氫能融合的發(fā)展趨勢是什么?

目前，采用風能、太陽能等波動性電源制氫存在的最大挑戰(zhàn)是兩種技術(shù)融合后的經(jīng)濟性和季節(jié)匹配性，在未來融合技術(shù)的研究中應重點關(guān)注以下四個方面：

一是提高系統(tǒng)能源利用率，進一步帶動氫氣制取成本的降低，目前可再生能源制氫的成本相對其他常規(guī)方式仍較高，但差距正在逐步縮小，未來應進一步提高融合技術(shù)的成熟度，使可再生能源電解制氫成本具備市場競爭力。

二是開展可再生能源制氫系統(tǒng)耦合電網(wǎng)的控制策略研究，在滿足制氫系統(tǒng)并網(wǎng)安全穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)制氫系統(tǒng)與電網(wǎng)的最佳匹配容量運行，進一步提升系統(tǒng)棄風、棄光電量的利用率。

三是打通產(chǎn)氫和用氫產(chǎn)業(yè)鏈，對接燃料電池等新興用氫產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)從產(chǎn)—儲—輸—用一條龍的氫能經(jīng)濟，實用化程度大幅提升。

四是開展氫能、天然氣與風電的季節(jié)匹配性研究，由于我國天然氣利用與風力發(fā)電同樣存在季節(jié)性供需矛盾突出的特點，且兩者的供需時間呈現(xiàn)互補特性，統(tǒng)籌天然氣和風力發(fā)電，是解決能源連續(xù)穩(wěn)定供應的有效手段之一。

合抱之木，生于毫末;九層之臺，起于累土。中國電科院適應能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展潮流，對可再生能源與氫能融合開展了前期探索，從技術(shù)、經(jīng)濟、能效等方面對可行性進行了評估，并依托合作單位在張北建立的風電制氫示范工程，對電解槽特性進行了分析和研究，為后續(xù)開展可再生能源與氫能融合的工程實踐提供了理論依據(jù)，為構(gòu)建以安全發(fā)展、高效發(fā)展、清潔發(fā)展為目標的現(xiàn)代能源保障體系提供了決策支撐。