鄭海，陳湘萍

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽，550025）

0　引言

在過去的半個(gè)多世紀(jì)里，煤炭作為主要能源為我國提供了近80%的電力供應(yīng)。然而，隨著化石能源的大量消耗引發(fā)的一系列問題也隨之而來，例如土地退化、海平面上升、水質(zhì)污染以及全球變暖等，不斷影響著人們的日常生活。迫于國際碳減排和環(huán)境友好要求的雙重壓力，使用太陽能技術(shù)、風(fēng)能技術(shù)、水力發(fā)電技術(shù)等清潔、低碳的能源技術(shù)發(fā)電勢在必行。但由于太陽能、風(fēng)能等可再生能源具有的間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，尋求一種高效環(huán)保的能源載體充當(dāng)可再生能源和用戶的橋梁成為開發(fā)可再生能源的重點(diǎn)。氫能以環(huán)保、高效的特點(diǎn)而被認(rèn)為是最有潛力的能源載體。目前，氫能的主要來源是電解水，電解水制氫裝置能夠在0%～100%額定功率范圍內(nèi)自適應(yīng)風(fēng)電的不穩(wěn)定功率輸出[1-3]，氫儲(chǔ)能裝置是平滑風(fēng)電功率波動(dòng)的重要措施之一。中國煤炭資源儲(chǔ)備豐富，石油和天然氣資源匱乏，但煤炭含有豐富的碳元素，產(chǎn)生相同的能量時(shí)會(huì)比天然氣和石油排放更多的二氧化碳，這就需要找到煤炭的清潔利用方式或者是將之與其它能源相組合的利用方式?，F(xiàn)代煤化工是巨量氫的富集和利用過程[4]，將其和風(fēng)能及電解水組合利用即是一種能源的組合利用方式。

本文對(duì)風(fēng)能、電解水、煤制甲醇及儲(chǔ)能分別作出概述，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工的多能耦合系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

1　風(fēng)能

由于風(fēng)速的易變性和不可控性，模擬風(fēng)速變化時(shí)為了準(zhǔn)確地體現(xiàn)風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性。通常使用基本風(fēng)、陣風(fēng)和漸變風(fēng)這3種基本模型來模擬風(fēng)速變化[5]。

（1）基本風(fēng)模型

基本風(fēng)通常理解為風(fēng)電場中平均風(fēng)速的變化，一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時(shí)間變化，計(jì)算時(shí)可以取為常數(shù)，即有

式中,VWB為基本風(fēng)速，單位為m/s,K為常數(shù)，單位為m/s。

（2）陣風(fēng)模型

為描述風(fēng)速突然變化的特性，可用陣風(fēng)來進(jìn)行模擬，風(fēng)速在突然變化時(shí)具有余弦特性。即有

式中,VWG為陣風(fēng)風(fēng)速，單位為m/s,Tstart-up為陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間,Gmax為陣風(fēng)最大風(fēng)速,TG為陣風(fēng)周期。

（3）漸變風(fēng)模型

漸變風(fēng)用來描述風(fēng)速的漸變特性，其變化特性具有線性性。即有

式中,VWR為漸變風(fēng)速，單位為m/s,Vmax為最大漸變風(fēng)速值，單位為m/s,Tstart為起始時(shí)間，單位為s,Tend為終止時(shí)間，單位為s,Tkeep為保持時(shí)間，單位為s。

綜上，實(shí)際經(jīng)過風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速可以表示如式（4），表1顯示了風(fēng)在不同風(fēng)速下發(fā)電狀況。

當(dāng)前我國風(fēng)力發(fā)電的主要趨勢為[6-9]：① 更髙更大的風(fēng)電機(jī)紐；② 風(fēng)電生產(chǎn)效率的穩(wěn)定性逐年提升；③ 風(fēng)電投資成本逐年下降；④ 增加本地的風(fēng)電消納能力；⑤ 集中大規(guī)模的風(fēng)電開發(fā)。

表1　不同風(fēng)速下發(fā)電狀況[8-9]Table 1 Power generation under different wind speeds[8-9]

2　電解水

電解水的裝置如圖1所示[10]，陽極制氧，陰極制氫，總反應(yīng)式為：

在不同酸堿度溶液中，對(duì)應(yīng)的陰極和陽極反應(yīng)不同。在堿性和中性電解質(zhì)中，陽極反應(yīng)式為：

陰極反應(yīng)式為：

而在酸性電解質(zhì)中，陽極反應(yīng)式為：

陰極反應(yīng)式為：

標(biāo)準(zhǔn)狀況下，電解水的熱動(dòng)力學(xué)電壓為1.23 V（25 ℃，1.01×105Pa），而實(shí)際情況中，通常需要施加大于1.23 V的電壓（Eop）才能使該過程進(jìn)行，二者差值即為過電勢。

上式（10）中：

ηa—陽極制氧過電勢，V2；

ηc—陰極制氫過電勢，V3；

ηother—環(huán)境電阻等引入的額外電勢，V4。

化石燃料制氧和電解水制氫是目前制氫的主要方法[11-13]。與傳統(tǒng)的堿性電解水制氫過程相比，質(zhì)子交換膜（PEM）電解水系統(tǒng)擁有效率高、產(chǎn)氫速度快、結(jié)構(gòu)小巧等優(yōu)點(diǎn)[14]。但電解槽對(duì)各部分組件要求比較高的缺點(diǎn)，比如價(jià)格昂貴的聚合物膜、介孔電極和集流器，也限制了其在產(chǎn)氫方面的應(yīng)用[15]。電解水制氫過程需要使用催化劑，提升催化劑的活性可以降低陰極制氫及陽極制氧的過電勢，均可減少電解水制氫的能耗。在酸性電解質(zhì)中，鉑基催化劑性能最優(yōu)[16]。在堿性電解質(zhì)中，活性最高的催化劑是銣、銥等貴金屬的金屬氧化物[17]。

下一步電解水制氫的發(fā)展方向[18-20]：① 新的電解槽結(jié)構(gòu)；② 新的電極和橫隔膜材料的開發(fā)；③ 提高反應(yīng)溫度；④ 可再生能源供電；⑤ 提高總制氫效率。

圖1　電解水裝置Fig. 1 Electrolysis water device

3　煤制甲醇

煤制甲醇過程是煤間接液化制油及煤制烯烴的基礎(chǔ)過程[21-22]。國內(nèi)甲醇工業(yè)的生產(chǎn)原料以煤炭為主，以天然氣和焦?fàn)t氣為輔[23]。近年來，我國甲醇工業(yè)處于產(chǎn)能過剩的狀態(tài)，但甲醇作為中間產(chǎn)品可以生產(chǎn)多種工藝產(chǎn)品， 以甲醇作為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品如表2所示。傳統(tǒng)煤制甲醇工藝流程圖如圖2所示[24]。

近年來，國內(nèi)煤制甲醇產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的發(fā)展趨勢歸納如下[25-28]：① 煤制甲醇生產(chǎn)裝置大型化；② 焦?fàn)t煤氣在甲醇生產(chǎn)原料的比重逐漸增加；③ 大力發(fā)展和選用合適的節(jié)能技術(shù)；④ 延長甲醇產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)；⑤ 落后產(chǎn)能逐漸淘汰。

表2　原料甲醇生產(chǎn)的下游產(chǎn)品[29-30]Table 2 Downstream products of methanol production from raw materials

4　儲(chǔ)能

儲(chǔ)能的方式主要有壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能、抽水蓄能及鎳鎘電池儲(chǔ)能等。儲(chǔ)能技術(shù)能夠使波動(dòng)性、隨機(jī)性較強(qiáng)的可再生能源得到“可調(diào)、可控”，加強(qiáng)可再生能源的開發(fā)利用，也保證可再生能源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。儲(chǔ)能技術(shù)綜合性能資料如表3所示。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用需要繼續(xù)做以下幾方面的研究[31-34]：① 高效、核心儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及利用；② 儲(chǔ)能與風(fēng)力發(fā)電的互補(bǔ)利用策略； ③ 儲(chǔ)能技術(shù)類型選取與儲(chǔ)能容量的配置；④ 優(yōu)化多種儲(chǔ)能電池的配置；⑤ 研發(fā)電能釋放和存儲(chǔ)速度快的儲(chǔ)能電池；⑥ 研發(fā)能量密度大、功率密度大、儲(chǔ)能效率高的儲(chǔ)能電池。

圖2　傳統(tǒng)煤制甲醇工藝流程Fig. 2 Process flow of traditional coal based methanol

表3　儲(chǔ)能技術(shù)綜合性能表[35-37]Table 3 Comprehensive performance table of energy storage technology

5　多能源耦合系統(tǒng)

利用風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)就地消納風(fēng)電，成為愈演愈烈的“棄風(fēng)限電”問題的有效技術(shù)路勁之一[3]。雖然現(xiàn)階段新能源的利用得到大力的開發(fā)和利用，但由于風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿饶茉吹碾S機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，使得其大規(guī)模的開發(fā)利用也有一定的限制，所以開發(fā)一種多能源的多能耦合系統(tǒng)極其重要。周濤等[38-39]對(duì)包含風(fēng)電場、超級(jí)電容器、氫儲(chǔ)能和燃料電池的多能源動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行研究，結(jié)果表明該控制方案能有效優(yōu)化并網(wǎng)風(fēng)電的質(zhì)量。徐曄等[40]從理論上構(gòu)建了風(fēng)氫互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通過實(shí)例驗(yàn)證該系統(tǒng)解決風(fēng)電并網(wǎng)問題的有效性。

本文以風(fēng)能、電解水、煤制甲醇、儲(chǔ)能為基礎(chǔ)，構(gòu)建了風(fēng)電-氫儲(chǔ)能與煤化工多能耦合系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖3所示。此系統(tǒng)中，以風(fēng)能作為主要能源供給，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電解水通過風(fēng)能提供的電能進(jìn)行電解以產(chǎn)生氫氣和氧氣，以平衡風(fēng)機(jī)功率的不穩(wěn)定輸出，達(dá)到解決風(fēng)電過剩的問題，電解水產(chǎn)生的氧作為煤氣化時(shí)的氣化劑送入汽化爐，氫作為最終制甲醇的原料跟CO調(diào)成合適的比例制得甲醇。

多能源耦合系統(tǒng)整合了風(fēng)資源、電解水及煤化工技術(shù)，這樣不僅可最大程度地利用清潔而豐裕的風(fēng)資源，還能就近為煤化工產(chǎn)業(yè)用戶供電，多能耦合系統(tǒng)將風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫能源儲(chǔ)存和產(chǎn)生氧氣，即有效地鈍化了間歇、隨機(jī)和波動(dòng)等風(fēng)電特性對(duì)微電網(wǎng)的不利影響，還能最大限度地減少煤化工生產(chǎn)過程中的原料煤和能源煤的消耗，節(jié)省了傳統(tǒng)煤制甲醇工藝中空分裝置的成本。

圖3　多能源耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)[1]Fig. 3 Basic architecture of multi energy coupling system[1]

6　結(jié)論

本文以混合多能源為論述對(duì)象，對(duì)多能源系統(tǒng)里所包含的風(fēng)能、電解水、煤制甲醇、儲(chǔ)能等分別進(jìn)行介紹。文中首先總結(jié)了風(fēng)能的三種基本模型及風(fēng)能未來的發(fā)展方向，其次概述了電解水在酸性和堿性條件下發(fā)生的反應(yīng)，并總結(jié)了電解水的發(fā)展方向，然后就煤制甲醇的發(fā)展概況及甲醇的利用作了概括，并總結(jié)了當(dāng)前最主要的儲(chǔ)能技術(shù)，最終，在四種能源的基礎(chǔ)上得出多能源耦合系統(tǒng)。