能源储存方案——风力/太阳能–混合发电/制氢系统方案

在最近几年，对于可再生能源的开发利用急剧增长。根据美国能源信息管理局的报告（EIA）^[1]，在2013的上半年，可再生能源占美国总能源消耗的9.81%和总能源生产的11.82%，相比十年前，其比例约高出了60%。然而，随着可再生能源的增长，其价值的争论从未停止。人们主要关注的问题是可再生能源发电并网后是否能够产生足够的实际的经济价值。由于大部分的可再生能源，特别是风能和太阳能，坐落在人口较少的地区，远离电网，导致将电力传给用户需要巨大的费用。此外，太阳能不连续性的自然特性和其发电不易并网的特点导致了严重的电力闲置问题，这进一步增加了可再生能源发电的生产成本。但随着技术的发展和电网的扩展，到2018年，发电成本预期将达到风能为0.14美元/kwh、太阳能为0.08美元/kwh，但这仍然比天然气（0.06美元/kwh）的售价更昂贵^[1]。评论家甚至认为风力/太阳能发电将产生更多的二氧化碳排放量，因为发电过程中需要更多的煤来维持电网的稳定性 。

一定程度上他们可能是对的，但这并不意味着发展可再生能源是没有意义的，因为在存储能源的方案得到应用后，现存问题都可以有效地解决。随着能源存储系统的帮助，必要时，过多的可再生能源，可以在电力需求低时保留下来用于用电需求高的时候。据估计，可再生能源的利用率可以从30%提高到60%，预计将减少电力生产成本的一半。此外，从能源存储装置中产生的再生电力是非常稳定、连续的，所以不需要更多的煤来维持电网的稳定性。唯一的问题是：目前存在有效的能源储存的解决方案吗？答案是肯定的！

电池系统已被广泛用于储存多余的太阳能。到目前为止，由于相关技术的成熟和铅低廉的价格，铅酸电池系统是最具成本效益的电池系统。其对环境的负面影响也是最小的（由于铅的回收率高----97%铅可回收用于生产新的电池）。但由于电极硫化引起的相对较短的使用周期，在某种程度上限制了它的应用。锂离子电池近年来吸引了大量的关注，因为它有更长的循环使用寿命并且重量明显减轻。此外，由于锂离子电池没有记忆，所以它不需要定期完全放电，节省了大量的维修费用。然而，由于锂元素在地球上的储备较低，这种电池的生产成本非常高。更重要的是，根据来自斯坦福大学的研究人员进行的一项研究说明大部分的电池解决方案是不适合风能储存的。“由于其低储存生产投资比值（ESOI）为5-32”，项目负责人查尔斯Barnhart 说：“这意味着需要储存风力发电的能源比实际存储的能源成本更高。正如查尔斯所说“你不会花100美元来安全存放一块10美元的手表”。因此，有必要开发新的解决方案来提高风力发电的储能效率。

作为地球上最轻的元素，氢具有最高的能源密度，可以通过电将水分解产生。如果水电解槽与风力发电或太阳能电池板集成，氢气作为能量储存的媒介可由多余的风力、太阳能发电产生。在电网高峰时段，质子交换膜（PEM）燃料电池站发电来满足电网要求。由于PEM燃料电池发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。

相比传统的电池存储系统，该系统具有两个显著的优点：

图1为风力/太阳能–混合发电/制氢系统方案

（1）循环寿命长。制氢设备通常设计为20年的使用寿命，质子交换膜燃料电池站通常可以可靠运行40,000小时。最近，Adzic^[2]在Brookhaven国家实验室（BNL）在质子交换膜燃料电池稳定性上取得突破，将进一步增加该系统的寿命。在Charles Barnhart^[3]的研究的基础上，增加电池（PEM燃料电池可以被视为一种类型的电池）ESOI的最可行的方法是提高循环寿命。因此本系统有效地储存风能，是非常有前景的；

（2）产氢所需的原材料只有纯水（常见的水电解技术需要10%--30%的碱性水以增加水的电导率，然而在聚合物电解质膜分离技术中只需要纯水）另外质子交换膜燃料电池的排放又是纯净的水。因此，该系统是非常符合成本效益和环境友好的宗旨；

这种方法的问题是，传统的发电机电解制氢过程中需要稳定的电流和电压。由于风力/太阳能发电是间歇性的，连接到该电源的制氢设备很难正常工作，除非安装额外的变压器，但是这也提高了运行成本。但最近发明的Verde制氢设备克服这个障碍。这项专利技术使制氢设备在任何的电流和电压下得以运行，尤其提高了在间歇性的风力/太阳能发电的下的产氢效率。此外，基于PLC芯片的自动控制系统，Verde制氢设备也能强制性的保证在这个系统的各个组成部分之间的相互协作运行。

总之，与风能或太阳能一体化的能量存储系统能显著提高可再生能源的利用效率，给并网发电带来相当积极的经济影响。因此，从提高其经济性和环境保护的方面来考虑，稳步持续发展可再生能源和提高可持续能源并网率是必要的。

此项技术的完善与应用对于中国“三北”地区众多风电/光伏发电企业来说是一个好消息，此项技术可有效的与风电/光伏这类不稳定的电源结合，利用弃风/弃电来进行电解水制氢，通过能量的转化来实现弃风/弃电的有效利用，从而提高风电/光伏发电企业的经济效益和收益。

安思卓（南京）新能源有限公司是一家拥有世界领先制氢技术的高科技企业，公司专注于新能源产业的发展和技术创新，为风力、太阳能等新能源发电企业提供先进可靠的制氢储能设备和解决方案，公司在制氢和储能方面拥有国际领先水平的专利技术，设备可以在风电/光伏制氢环境下实现高效生产，为风电/光伏发电企业带来有效的节能增效方案，同时，公司新能源制氢设备与燃料电池结合的能量存储系统能显著提高可再生能源的利用效率，给并网发电和氢能的应用推广带来相当积极的经济影响。

安思卓（南京）新能源有限公司是南京321计划重点项目，公司的部分合作项目也被纳入国家863计划（国家高技术研究发展计划），这是由国家科技部主导的一项国家性计划，这些都充分体现了安思卓在制氢储能领域的先进性与权威性。

参考文献：

[1]. U.S. Energy Information Administration official datebase.

[2]. S. T. Bliznakov, M. B. Vukmirovic, L. Yang, E. A. Sutter, and R. R. Adzic, “Pt Monolayer on Electrodeposited Pd Nanostructures: Advanced Cathode Catalysts for PEM Fuel Cells,” Journal of the Electrochemical Society, 159(9) F501-F506 (2012)

[3]. * Barnhart, Charles J., et al. "The energetic implications of curtailing versus storing solar-and wind-generated electricity." Energy & Environmental Science (2013)

【摘自安思卓（南京）新能源有限公司 Nick Ni 宋江涛 蒋晨芸】