电解制氢复合储能系统在风电储能

关键词：电力储能技术；风力发电；电解制氢；燃 料电池发电；复合储能系统
0 引言
随着国民经济的迅速增长，对能源的需 求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生 的环境污染问题日益尖锐。新能源资源潜力 大，可持续利用，在满足能源需求、改善能 源结构、减少环境污染、促进经济发展等方 面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广 泛关注。在能源安全与环境保护的双重压力 下，技术相对成熟、具备规模化开发条件的 风力发电在世界范围内取得了飞速发展。近 年来，风力发电的产业规模和市场化程度逐 年提高。截至 2010 年底，我国风电市场新 增装机达到了 1890 万千瓦，占全球新增市 场的 48%，累计装机容量达到 4473 万千瓦。
1）能量转换效率高。在碱性燃料电池 中，氧气发生还原反应的动力学条件优于酸 性溶液体系，所以氧还原反应的活化过电位 小，其工作电压在 0.80~0.95V，其电能转换 效率可高达 60%~70%；
2）电池系统成本低。碱性燃料电池中 使用的电解质为氢氧化钾，价格很低；碱性
燃料电池的电极可采用非贵金属材料，如雷 尼金属（Raney metals）、硼化镍等，电极成 本比其他类型燃料电池成本低很多，且不受 铂资源的限制；碱性燃料电池结构可以使用 塑料、石墨，或者非贵重与稀有金属等较为 便宜的材料；
源发电的电力储存。 碱性电解制氢由若干个单体电解池组
成，每个电解池由阴极、阳极、隔膜及电解 液构成。通入直流电后，水在电解池中被分 解，在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。通 常电解液都是氢氧化钾溶液，浓度为 20wt%～30wt%。隔膜主要由石棉组成，起 分离气体的作用，两电极主要由金属合金组 成，如 Raney Nickel，Ni-Mo 合金等，起着 分解水，产生氢和氧的作用。由能斯特方程 可知，电解池的工作温度越高，电解电压将 越低，但温度升高会增加对电解池隔膜材料 的腐蚀，石棉在碱液中长期使用温度不能超 过 100℃，因此工业上广泛使用的碱性电解 制氢操作温度为 70～80℃，气体压力为 0.1～3MPa。
Key Word: Energy storage technology ； Wind power；electrolytic hydrogen production；Fuel cell power generation；Composite energy storage system
摘要：风力发电的产业规模和市场化程度最大的可 再生能源发电技术，截至 2010 年底，我国风电市场 累计装机容量达到 4473 万千瓦。 但是受其波动特
1 储能技术的分类及比较
根据能量转换形式不同，储能技术可分 为三类：机械储能（如抽水蓄能、压缩空气 储能、飞轮储能等）；电磁储能（如超导磁 储能、超级电容器等）；和电化学储能（如 铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、钠硫电 池、液流电池、电解制氢-燃料电池复合储能 等）[3-4]
通过对上述不同储能技术的分析介绍， 表 1 给出了不同储能技术的比较及其在电力 系统中的应用。如表 1 所示，不同的储能技 术在电力系统中具有不同的应用领域。抽水 蓄能和压缩空气储能具有大功率、高容量和 低成本，适用于电网调峰、系统备用，但其 受地域限制较大，只能因地制宜进行建设， 而风电和光伏电场一般不具备抽水蓄能和 压缩空气储能电站的建设条件。飞轮、超导
性及间歇性的影响，风电并网问题成为制约风电规 模化发展的严重障碍。本文介绍了储能技术的分类， 分析了各种储能技术的特点，特别阐述了电解制氢 复合储能系统的组成、原理及技术特点，并对电解 制氢复合储能系统的经济性进行了分析。结果表明 具有大容量、长寿命、低成本及环境友好等优势的 电解制氢复合储能系统各组成部分技术较成熟，且 具有良好的经济性，在大规模电力储能领域具有较 为广阔的应用前景。
风能等可再生能源自身特点决定了风 电是典型的随机性、间歇性电源。其大规模
并网发电对电网的安全稳定和运行调度等 诸多方面均有很大影响。特别是随着风力发 电规模的不断扩大，对电网的影响将更加显 著，这已成为制约风电等可再生能源发电规 模化发展的严重障碍。目前由于风电并网难 题，全国风电场普遍存在弃风问题，其比例 甚至可达 1/3。如何充分利用这部分弃风电 能成为我国各风力发电企业关注的重点。国 家能源局新能源与可再生能源司副司长史 立山指出，发展风电是解决我国能源环境问 题的重要措施，而解决风电的并网运行问题 则是我国风电大规模发展的基础。研究表 明，储能技术具有动态吸收能量并适时平稳 释放的特点，能有效弥补风电等可再生能源 发电间歇性、波动性的缺点，改善电场输出 功率的可控性，提升发电的稳定性水平[1-2]。
2.2 燃料电池发电系统
燃料电池发电系统是高效的将氢气和 氧气的化学能直接转换为电能的发电装置。 根据燃料电池电解质的不同，可分为碱性燃 料电池（AFC），工作温度 60~80℃、质子交 换膜燃料电池（PEMFC），工作温度 70~80 ℃ 、 磷 酸 燃 料 电 池 （ PAFC ）， 工 作 温 度 180~210℃、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）， 工作温度 600~700℃、和固体氧化物燃料电 池等（SOFC），工作温度 700~800℃。上述 燃料电池均可采用纯氢和纯氧作为燃料进 行发电。由于风电、太阳能发电等都在常温 下工作，因此，与其相适应的燃料电池发电 系统一般采用工作温度较低的碱性燃料电 池与质子交换膜燃料电池发电系统。相比与 较高成本的质子交换膜燃料电池，低成本、 高效率的碱性燃料电池是电解制氢复合储 能系统的最佳选择。而且，碱性燃料电池是 最早开发和获得成功应用的燃料电池，技术 成熟度较高，且与其他类型燃料电池相比， 碱性燃料电池有以下明显优势：
3）碱性燃料电池启动速度快，热管理 较为简单等优势。
2.3 储气系统
储气系统主要包括储氢系统和储氧系 统，其组成一般均为金属材料制备的压力容 器，技术成熟，使用寿命长。储气系统氢气 压力容器体积（储气压力 5MPa）与电解制 氢复合储能系统储能容量的关系如图 2 所 示，储气系统氧气压力容器体积为氢气容器 体积的 1/2。
2 电解制氢复合储能系统
电解制氢复合储能系统主要由电解水 制氢系统、燃料电池发电系统及相配套的储 气系统组成，如图 1 所示。其工作原理：储 能过程是通过电解水制氢系统将水电解为 氢气和氧气进行储存，即通过电解水制氢系 统将电能转化为化学能进行储存。释能过程 是将所存储的氢气和氧气通过燃料电池发 电系统发电进行电力供应，即通过燃料电池 发电系统将化学能转化为电能。该复合储能 系统在电解过程消耗的水与燃料电池发电 过程生成的水可循环利用[5]。
电解制氢复合储能系统在风电储能 领域中的应用
刘明义，郑建涛，刘冠杰，裴杰，徐越，许世森
中国华能集团清洁能源技术研究院，北京 100098
Application of energy storage system coupled withБайду номын сангаасelectrolytic hydrogen production in wind farm
Liu Ming-yi, Zheng Jian-tao, Liu Guan-jie, Pei Jie, Xu Yue, Xu Shi-sen
China Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 100098, China
Abstract: Wind power is the largest renewable energy generation technology from the degree of industrial production and market. At the end of 2010, the cumulative wind power capacity reached 44.73 million kilowatts in China. Due to the stochastic nature of wind, electric power generated by wind turbines is highly erratic and become a serious obstacle to limit the development of wind power. This paper introduces the classification of the energy storage technology, analyzes the characteristics of the various energy storage technologies, and especially describes the composition, principle, technical characteristics and economy of energy storage system coupled with electrolytic hydrogen production systematically. The results show that the energy storage system coupled with electrolytic hydrogen production has the advantages of large-capacity, long-life, low cost and environment-friend. The component technology of the energy storage system is mature and has a good economy. It has a bright future in the field of large-scale energy storage.
2.1 电解水制氢系统
电解水制氢作为一种高效、清洁的制氢 技术，其制氢工艺简单，产品纯度高，氢气、 氧气纯度一般可达 99.9％，是最有潜力的大 规模制氢技术。特别是随着目前可再生能源 发电的日益增长，氢气将成为电能存储的理 想载体。