风能弃电的利用与电解制氢能量转化分析

＊方雨豪 刘书杰 李珂 张静 徐江 王竹青*

（1.物产中大新能源发展（浙江）有限公司 浙江 310000 2.杭州三花微通道换热器有限公司 浙江 310000）

近年来，由于煤炭、石油等化石能源不断耗竭，温室效应逐渐加剧，给人类造成了严重的区域生态恶化和环境灾害。随着化石能源的不断耗竭和产生的一系列问题，人们对风能、太阳能等可再生能源的开发利用越来越重视。风能是一种清洁、无污染且储量巨大的可再生能源，其开发利用途径得到世界各国的广泛关注。根据国家中长期发展计划，预计到2050年底，风电总装机容量将超过1000GW[1]。但是随着风电装机总容量的不断增加，越来越多的问题也随之出现，例如大量弃风弃电现象的存在，在很大程度上影响发电企业的投资效益，还限制了风电行业持续稳健的发展态势。因而，风能弃电的资源化利用愈发重要。周可等[2]利用戈壁滩上的弃风弃电为抽水机供电进行储水，支持区域的绿化灌溉；刘景霞等[3]提出合理利用弃风电量进行移动固体电蓄能采暖的风电供暖方案，缓解“三北”地区冬季用暖问题；于蓬等[4]开发了一种基于弃风弃电制氢的热电联供装置，该实用新型将可再生能源发电装置产生的多余电能转换为氢气储存再利用，提高了可再生能源利用率。风能弃电的资源化利用途径形式多样，但大多缺乏对利用过程的能量转化进行分析描述，本文通过对弃风能源电解制氢路线的能量转化进行了分析，为弃风能源用于电解制氢利用效率提供理论参考；同时对风力发电存在的问题进行浅析，并对风能弃电的解决办法进行了探索，为推动弃风能源的再利用提供思路。

1.风电新能源的发展现状

风力发电是一种具有可再生的绿色发电方式。风力发电具有清洁零污染、分布区域广泛、能源储备量巨大、有良好的发展前景等优势，世界各国对风力发电的研究非常广泛。我国地域广阔，地形多样，从整体来看风能储量巨大、分布广泛，这就为风电新能源的应用创造了有利条件，国家对风电产业的发展也给予大力支持，推行了诸多利好政策，使得风电新能源技术利用得到了迅猛发展。中国风电累计装机容量在全球所占比重呈现出逐年上升的趋势，国家能源局发布的数据显示，2020年，我国新增风力发电并网装机容量7167万千瓦，其中陆上风力发电新增装机容量6861万千瓦，海上风力发电新增装机容量306万千瓦。截止2020年底，全国可再生能源发电装机总容量为9.3亿千瓦，占总装机容量的42.4%，开发利用规模稳居世界第一，其中风电装机2.8亿千瓦，连续11年稳居全球首位[5]。

2.风能弃电对电解水制氢能量转化分析

（1）风电场风能弃电的实际情况。以新疆达坂城风电场为例，新疆达坂城风电场是我国大型风能利用基地之一，由于地处南北疆气流的通道上，有着丰富的风力资源，而且风力条件整体情况较好，一年12个月都可以正常开机发电，风电场的年风能蕴藏量为250亿千瓦每小时，可利用总电能为75亿千瓦每小时，可装机容量为2500MW。根据全国新能源消纳监测预警中心，2020年新疆地区的平均弃风率为11.2%，则该风电场年可用于制氢的弃电量为4051万千瓦时，如合理利用这部分弃电量用于转化为氢能源，将为经济社会的发展增添光彩。

（2）制氢所需能量分析。由电解水的化学反应过程可知每产生1mol的氢气和0.5mol的氧气需要转移2mole-，而每摩尔的电子电量为96500C，在标准状态下，1mol的氢气体积为22.43×10-3m3。可以算出，在标准状态下，制备单位体积的氢气理论上消耗的电荷量为：

理论上，制备氢气所消耗的电能与电解池两端的电压，消耗的电量成正比，电解两端的电压为水的理论分解电压1.23V，因此就可以得到理论消耗电能：

但是在实际情况下，电解池两端的电压要大于水的理论分解电压，一般为理论电压的1.5～2倍[6]，原因是电解池本身存在电阻和极化电动势，因此电流流过时就会产生分压，导致实际电解电压大于理论电压，所以在标准情况下，制备氢气的实际电能消耗为4.41～5.88kWh/m³。

碱性电解槽的转化效率通常为70%，如果按照每立方氢气耗电5kWh来计算，则新疆达坂城风电场的年氢气生产量为567.1万立方米。根据全国新能源消纳监测预警中心，我国2020年全国风电弃风电量为166.1亿千瓦时，如果使用这些电量全部用于生产氢气，可以产生约23.25亿立方米，折合氢气的质量为2.09亿千克。

（3）氢能与传统能源使用对比。常见家用燃油小轿车平均每百公里油耗为8L，1L汽油中含碳量约为657.72g，在汽车中燃烧会产生2.4kg的二氧化碳，新型氢燃料电池汽车的平均每百公里氢耗约为1kg[7]，由此可见使用氢能源1kg相当于减少排放19.2kg的二氧化碳，全国每年的弃风电量全部收集起来制备氢气用作氢能源汽车燃料的话，相当于每年减少排放40.1亿千克的二氧化碳，这会极大地降低对环境的压力。不过当前氢气的市场价值约为60元/千克，而92#汽油的价格为7.4元/升，百公里汽油费消耗为59.2元，两者燃料使用成本上价格相当，但氢能源的使用不会对环境造成任何污染，因而在解决弃风弃电问题上，风电制氢系统带来的经济效益和社会效益是非常可观的，氢能源才是未来发展的方向。

3.风力发电存在的问题及解决办法

（1）风力发电存在的问题。风能的能量密度较小，想要开发和利用风能，获取同等的能量，只能加大风力发电机的风轮尺寸，另一方面，风轮机的传动效率较低，在实际应用的过程中，风力发电机的发电效率与理论发电效率有较大偏差。风能是一种过程性的能源，风的方向和速度都不能被人为控制，其具有一定的多变性和不可控性，另外风力发电机不容易调控出力，所以利用风电新能源所产生的电能也具有波动性[8]。风能发电和其他能源不同，其蓄电的成本十分高昂，甚至超过发电成本，连接风能发电机的电网系统不具备任何蓄电能力，仅仅只能调节收纳电量，以此来控制输出电量。风力发电对电网的调度基本为零，人为因素不能控制风能，所以风力发电调节也就不能根据负荷率的大小而实现，这无疑为电网调度增加了较多的困难。

风电接入电网方式主要有两种，一种是直接将风电机组与电网连接并网，另一种是建立风电基地，将电能存储起来再统一输送出去。在风电接入电网的时候就会产生一系列的问题，总的来说，主要包括以下几个方面：

①降低电能品质。根据以往的经验，风电装机容量较低，风电通常是通过异步发电机的方法，将风电与电网连接，这样就能把电能输入到配电网络中，采用这种方法的原因是它操作简单，且成本较低，但是由于传送设备综合性能较差，很容易被外界因素影响，导致谐波污染等现象的发生，降低了电能的品质。

②当风电场运行时，它会使用一定量的无功功率。并网后，容量的增加会导致无功功率的损失，电压会发生波动。

③风力发电存在着发电不稳定的特点，受到这一特点的影响，当失去输出时，会降低电网的频率，风电所占的比例越高，这种现象更加显著[9]。

除了并网时会出现问题，对电能更大的浪费是发生在“弃电”现象上，弃风消纳存在的问题主要有：

①风电发展速度太快，基础建设难以跟上进度，大大影响风电的消纳能力，在风电发展的规划初期，没有考虑过风电消纳的问题，结果就是风电项目建成之后，产生的电能无处消耗，导致了产能过剩。

②风电场产地本地消纳空间受到限制，跨区域输送电力的能力不足，在建设风电之前本来就存在火电等的发电装机，从而导致风电装机完成后，电力消费能力不足，跨区域输送电力的能力不足。

③风电发展与电网建设不同步，国家为了促进风电产业的发展，出台了一些有利的政策，虽然使风电建设突飞猛进，但是风电大规模的集中增加，让相应的电网配套建设难以跟上进度，造成了大量的风力发电项目建成投产后，所产生的电难以并入国家电网。

④系统面临的调峰压力越来越大，不同地区在不同的季节对电量的使用有着不同的要求，例如东北地区冬季的最大供电负荷与夏季相差很大，这就对调峰系统的要求越来越高。

据全国新能源消纳监测预警中心统计，2020年我国弃风电量为166.1亿千瓦时，弃风率为3.5%，我国的重要风电产区新疆的弃风率更是高达11.2%。所谓弃风现象，意思就是风力条件良好、发电机组设备运行正常的情况下，由于电网的消纳能力差、输电能力不足或者风电出力不稳定等原因，导致风电场上的风机产生的电能不能稳定传输到电网之中，为了避免风机做无用功造成设备损耗而停机。弃风现象的发生是不可避免的，但是弃风现象经常发生就会降低风能的利用率，严重影响投资企业的利益，给社会经济造成巨大的损失，因而探究一种高效可行的办法来解决风能弃电问题迫在眉睫。

（2）风能弃电的解决办法探索。风能弃电问题的存在造成大量的能源浪费，解决风能弃电问题的根本就是使过剩的电能能够被有效地消纳，传统的方法有：

①加快建设跨区输送电设备，使风电跨区往外省输送，我国的主要风电产区集中在“三北”地区，但是这些地方的电力消纳能力不足，所以需要将多余的电力外送来增加风电的消纳。

②做好早期发展规划，在风电项目建设之前做出整体规划，包括风电项目本身规划和相关的配套输变电工程，以及风电项目建成之后的消纳渠道和消纳能力的预估，避免在项目完成之后面临严重的弃风问题。

③调整风电场地区电力结构，利用大数据统计来做好电网运行方式的安排，提高调峰系统能力，科学设计电网之间的调度方案，优先调度风电，逐渐减少火电的使用。

由于电网的建设周期一般较长，且远距离输电的安全隐患较大，于是便出现了利用电蓄热技术将电能转化为热能给城市供暖[3]和利用电解水技术制备氢气[10]等方式来消纳电能，本文通过对风电电解制氢的能量转化进行分析，为推动弃风能源的再利用提供了思路。

4.结束语

本文对风电新能源的发展现状和电解制氢相关情况进行了分析，风电制氢技术的发展符合构建无污染、零排放的“绿色”发展要求。该技术一方面可以解决由于风力发电相关建设不够完善所导致的弃风弃电问题，另一方面还能制备氢气这种高效清洁的能源，有着巨大的开发使用价值。目前氢能尚未大规模的开发利用，其主要原因是氢能源的终端应用市场还未完全发展起来，氢燃料电池设备成本较高等问题，这导致氢能源的开发使用成本较高。但随着技术的突破，氢能源及相关设备成本的降低，终端市场终会被打开，氢能源必将迎来爆发期。