风力发电制氢技术的现状与发展趋势_杨泽鹏.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 4 期 194 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 4 月 风力发电制氢技术的现状与发展趋势 风力发电制氢技术的现状与发展趋势 杨泽鹏1，赵燕晓1，魏 灿2，王 震2（1中国船舶重工集团公司第七一八研究所；2中船(邯郸)派瑞氢能科技有限公司，河北 邯郸 056000）摘 要：摘 要：风力发电制氢技术是提高风能利用率，缓解风电削减问题的有效手段。首先，本文简要介绍了风力发电制氢技术的基本原理和技术特点。然后回顾了制氢技术的历史，并在此基础上详细阐述了风力发电制氢系统。此外，分析并且讨论了风电制氢技术的应用前景。最后，全面阐述了风电制氢的关键技术和目前需要解决的问题。从不同的角度分析了风电制氢技术的发展。关键词：关键词：风力发电；制氢技术；发展趋势 引 言 引 言 在十七世纪六十年代，欧洲开始了工业革命，自此化石燃料成为人类的主要能源。随着人类对化石燃料消费的逐年增加，能源枯竭问题、环境问题和全球变暖日益严重。随着能源的发展，清洁能源正在逐步取代化石能源。氢能作为一种新的零碳能源，具有环境安全、能量密度高、转化效率高、储量丰富、应用广泛等特点。世界各国都把发展氢能作为国家战略。他们制定计划，描绘路线图，探索工业化道路。风电作为清洁能源发展迅速，但大量的风电削减导致了风能的浪费，如何解决弃风问题已成为研究人员关注的热点，这也是制约风电产业健康发展的瓶颈之一。风电制氢技术为解决弃风问题提供了新思路，对就地解决风电滞纳问题具有重要意义。也有利于分散式风力发电技术的发展和可再生能源的高效利用。氢气通过电解水制得并储存在储氢装置中。1 风力发电制氢技术 1 风力发电制氢技术 1.1 风力发电制氢技术的基本原理 风力发电系统制氢技术主要由风力发电机组、水电解制氢设备、储氢设备、氢燃料电池、电网等组成。它通过自动控制系统来调节风力发电量中用于并网和用于电解制氢的比例，避免造成电力的浪费和损失 1。用多余的电力进行水电解制氢，在提高风电利用率的同时，也为绿氢的发展贡献了力量。1.2 风电制氢的主要技术特点 1.2.1 风力发电机的高适应性 我国的风力发电主要分布区域多在新疆、西藏等西部地区，自然条件恶劣，同时风力发电机要将电能通过变流装置输送至电网，也要将弃风能源为氢电解池供电，所以对风力发电机的适应性提出了较高的要求，不仅要适应不同的自然气候，也要适应相应的功率波动问题。1.2.2 电解槽的高效性和高适应性 制氢电解槽通过电解水提供高纯度氢气，工艺需要保证能量转换效率。而功率的波动将严重影响电解槽的寿命和产生的氢气纯度。因此，风力发电相较于火力发电及其他发电模式来说，对水电解制氢的核心电解槽要求极高，需要通过优化电解槽内的电极，催化剂和其他材料，来提高电解槽对于风力发电的适应性，增加寿命和使用效率。通过优化电解槽内隔膜布的性能来提高氢气的纯度。通过调整工艺参数来改善电解槽的功率波动，从而保证系统的安全运行3-4。1.2.3 风电制氢控制系统的灵活性、高效率和安全性 风电制氢设备的控制系统将制氢设备、储氢设备和燃料电池的控制系统集成于一体，可以灵活地分配制氢功率所占比例，也可以保证整个装置的安全运行。2 风电制氢技术研究现状 2 风电制氢技术研究现状 2.1 风电制氢的经济性和可行性 传统的电解制氢在发电过程中会产生大量污染物排放。然而，风力发电制氢技术是使用“绿色”电力，是一种清洁技术。近年来，许多学者分析和验证了风电制氢的经济性和可行性。Dutton5等通过总结欧盟资助的制氢项目，预测了风电制氢系统的实际问题和发展风电制氢可能遇到的问题，指出了风电波动对电解槽运行的影响，提出了提高风电机组输出功率的方法。Kassem6根据风能的间歇性评估了风能制氢技术的经济性和可行性。Sherif7等阐述了制氢技术，指出利用风能制氢可以提高风力发电的竞争力。澳大利亚莫纳什大学的 Honnery 和 Moriarty 8评估了风力发电制氢技术的技术潜力，预计风电制氢技术年潜力为 116 EJ（1 EJ=1018 J）。Bartels9等从经济角度分析了氢气的生产，并得出结论认为氢气生产是可行的。2.2 风力发电制氢的技术和理论 近年来，国外学者开始研究风力发电制氢技术的技术和理论。Takahashi2等提出了一种新的控制方法，来协调控制风力发电制氢设备，具体是将变速风力发电机和制氢装置安DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.031 杨泽鹏：风力发电制氢技术的现状与发展趋势 195 装在一起，利用平滑的功率曲线减小了风能波动对电力系统和制氢装置的影响，在文中对该系统进行了详细的介绍和仿真，并对其性能进行了评价。拉普拉塔大学的 Clua10等人提出了电网辅助制氢控制系统，并提出了调节电解槽电流值的控制策略，优化了制氢效率。Pino11等人分析了制氢设备工作温度对风力发电制氢效率的影响。将制氢设备在实际工作温度下的生产效率与额定温度下的生产效率进行了比较。结论表明，在实际工作温度下，制氢效率略低于额定温度下的生产效率。Belmokhtar12等提出了一种基于模糊逻辑的风力发电制氢技术优化管理的控制策略。Sarrias-Mena13等人研究了电解槽和风力涡轮机的耦合运行以产生氢气的系统，并比较了四种不同电解槽的工作特性。3 结 论 3 结 论 总体而言，风电制氢技术仍处于理论研究阶段。还有很多问题有待解决，如高适应性风力发电机组、大功率波动的功率控制和调节方法、适用于大功率波动的大功率制氢设备、更高效的制氢节能技术、集成控制制氢安全等。此外，更高效、更安全的储氢技术和燃料电池在氢能的长远发展中也发挥着至关重要的作用。以德国为代表的欧洲在制氢方面发展较快，在制氢、储氢、用氢等方面都有示范项目。目前，氢气主要用于氢燃料发电和氢燃料电池。由于需要庞大的基础设施（如加氢站、氢运输网络等），因此新能源汽车中的氢燃料电池汽车发展缓慢，目前仅有公用汽车将氢气作为燃料使用。氢能作为一种清洁能源，是发展可再生能源的重要战略方向，在未来的发展中会越来越受到重视。参考文献 参考文献 1 Valverdeisorna L,Ali D,Hogg D,et al.Modelling the performance of windhydrogen energysystems:Case study the hydrogen of ce in Scotland/UKfiJ.Renewable&Sustainable Energy Reviews,53:1313-1332.2 Takahashi R,Kinoshita H,Murata T,et al.Output Power Smoothing and Hydrogen Production by Using Variable Speed Wind GeneratorsJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(2):485-493.3 Chang J,Xiao Y,Luo Z,et al.Research progress of non-noble metal catalysts for hydrogen-production by water electrolysisJ.Journal of Physical Chemistry,32(7):1556-1592.4 Nishimura A,Moriyama T,Shimano J.An investiga-tion of the conversion and transpor-tation of hydrogen produced by electrolysis of water using wind powerJ.Kagaku Kogaku Ronbunshu,43(6):386-392.5 Dutton A G,Bleijs J,Dienhart H.Experience in the design,sizing,economics,and implementation of autonomous wind-powered hydrogen production systemsJ.International Journal of Hydrogen Energy,2000,25(8):705-722.6 Kassem N.Offshore Wind Farms for Hydrogen Production Subject to UncertaintiesC/International Joint Power Generation Conference collocated with TurboExpo 2003.2003.7 Sherif S A,Barbir F,Veziroglu T N.Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology J.Solar Energy,2005,78(5):647-660.8 Honnery D,Moriarty P.Estimating global hydrogen production from windJ.International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(2):727-736.