棄風制氫：一種“海上風電—氫能”綜合能源系統

　　風電制氫將風力發出的電直接通過水電解制氫設備將電能轉化為氫氣，通過電解水產生便于長期存儲的氫氣。風電制氫有效解決了大規模的棄風問題，不僅對綜合能源系統中風電的消納能力具有重要意義，也將探索出不同于儲能、P2G、供冷供熱進行本地可再生能源消納的新途徑。風電制氫有望加速海上風電進一步降低成本，進入平價上網時代。

　　除了棄風制氫，棄風壓縮空氣儲能也是一種可行的技術方案，廣東沿海分布有大量的適合建造地下儲氣庫的花崗巖，可建設海上風電—壓縮空氣儲

　　2月27日，荷蘭殼牌宣布啟動歐洲最大的海上風電制氫項目(NortH2)，NortH2項目計劃在荷蘭Eemshaven建設大型制氫廠，將海上風電轉化為綠氫，同時在荷蘭和西北歐建立一個智能運輸網絡，通過Gasunie的天然氣基礎設施將80萬噸綠氫用于工業以及消費市場，到2040年每年可以節約700萬噸的二氧化碳排放。廣東省到2030年底將建成投產約3000萬千瓦海上風電裝機容量，海上風電的并網及消納問題將成為廣東省迫切的問題。當前廣東省擬在近海深水區進行柔性直流以及海上風電制氫的探索，在水深35-50米之間的海域共規劃海上風電場址6個，裝機容量達5000萬千瓦，海上風電制氫技術有望解決海上風電消納問題，并加速廣東省海上風電成本降低，進入平價上網時代。《南方能源建設》2020年第2期海上風電專欄邀請廣東省電力設計研究院楊源介紹了一種含海上制氫站和岸上加氫站的海上風電制氫技術路線，并給出了海上風電-氫能綜合能源監控系統，分享主要內容如下：

　　當前海上風電發展如火如荼，以廣東省為例，到2020年底，建成投產200萬千瓦以上;到2030年底，建成投產海上風電裝機容量約3000萬千瓦。大規模的海上風電投產后，如何解決海上風電的并網及消納問題，成為當前迫切的問題。隨著氫能技術，特別是制氫、儲氫技術的發展，以風電制氫為代表的新能源制氫技術，逐步成熟，基本具備了產業化的條件。因此，突破傳統的氫能概念，利用海上風電直接制備氫氣，并通過液氫或高壓氫的儲運技術，送出到氫能源市場。通過海上風電制氫，所獲得的“綠氫”無碳、可儲存、可運輸和分散的特點，使得海上風電開發跨越電力輸送的渠道，而成為與石油和天然氣類似的，而且是一種綠色的，優質能源戰略能源類型。

　　1海上風電-氫能綜合能源系統概述

　　海上風電—氫能綜合能源系統包括海水淡化裝置、水電解制氫裝置、壓縮儲氫裝置、風電機組監控系統及配套的電氣接入裝置等。其中，制氫系統集成布置于海上升壓站，儲氫和加氫部分布置在陸上集控中心。儲氫系統的高純氫氣可作為化工原料使用，實現系統的“電氫”聯供。

　　海上風電—氫能綜合能源系統的定義是：利用間斷式、不均衡的風電制氫和儲氫的綜合能源系統，該系統包括風力發電、水電解制氫系統、儲氫裝置、燃料電池發電裝置、配電設施及有關的管線。其中水電解制氫裝置的定義是：以水電解工藝制取氫氣，由水電解裝置、分離器、冷卻器等設備組成的統稱。

　　海上風電—氫能綜合能源系統流程示意見圖1，海上風電制氫-燃料電池裝置運行流程見圖2。由風力發電的電能供給水電解槽制氫，所獲得的氫氣經加壓后，通過高壓管道傳輸至陸上集控中心加氫站進行存儲。

　　

 

　　圖1 海上風電-氫能綜合能源系統流程示意圖

　　

 

　　圖2 海上風電制氫-燃料電池裝置運行流程(引自郭夢婕)

　　1.1 陸上加氫站

　　包括高壓氫氣貯存單元及氫氣減壓分配盤。高壓儲氫系統是將堿性電解槽制氫系統經壓縮加壓后的氫氣，儲存在高壓儲氫瓶組中，氫氣貯存罐安裝在室外。減壓分配盤是為了使用戶從氫氣貯存罐中獲得減壓后的氫氣，并配有安全閥。

　　1.2 海上制氫站

　　通過接收風電機組產生的電能，在電解槽中產生氫氣，并通過分離、干燥、提純等步驟產出純度99.99%、壓力3.0MPa的高純氫氣。高純氫氣通過加壓經管道，送至陸上加氫站。水電解制氫系統包括：水電解槽、海水淡化、氫氣純化裝置和氫氣壓縮機等設備，其產生的氧氣直接排出大氣。

　　當海上制氫站需要黑啟動時，以UPS作為啟動電源，先通過備用站用儲能電池建立直流母線電壓進而建立交流母線電壓和頻率，逐個投入裝置自身用電負荷以及模擬風電機組發電系統，之后可按需求投入其它負荷和電解制氫裝置。直流母線通過雙向DC/AC變流器實現交直流電流轉換，其中交流側為380V交流母線，接有電解水制氫裝置、儲氫系統用電、UPS電源等，同時在35kV側接有無功補償裝置;直流側為220V直流母線，接有備用站用儲能電池，具備與380V交流母線雙向變流功能。

　　1.3 海上風電機組

　　海上風電機組可接受陸上綜合能源監控系統的命令，根據事先約定的控制策略自動調整和控制風電場每臺機組的能量輸出能力，從而最終實現風電場的有功、無功控制。

　　綜合能源監控系統需要保證風機的安全運行和制氫效益的最大化，主要由自動發電控制子系統和自動電壓控制子系統組成來實現對整個風電場的調度及控制。

　　2 海上風電-氫能綜合能源監控系統架構

　　海上風電-氫能綜合能源監控系統的系統典型結構圖如圖 2所示。它可滿足風電機組系統接入、電解制氫、海水淡化、儲能電池等的集配電需求，基本實現內部電力電量平衡，并實現負荷預測、發電預測、短時功率平衡、經濟調度、電能質量管理等功能。達到自發自用，短時儲電，長期儲氫，負荷可控的控制要求。

　　

 

　　圖2 海上風電-氫能綜合能源監控系統架構圖

　　2.2 陸上加氫站監控子系統

　　啟動工況時，綜合能源監控系統對管道和設備進行氮氣置換，待氫氣系統中氧氣的體積分數≤0.5%且氫氣體積分數≤0.4%時，停止氮氣置換。氮氣置換完成后進行氫氣置換，對系統進行氫氣置換，待氫氣系統中氧氣體積分數≤0.4%且氫氣體積分數≧99.9%時，氫氣系統完成了氫氣置換，開啟氫氣瓶組截止閥，對儲氫瓶組提供氫氣。

　　運行過程中，綜合能源監控系統通過氫氣側漏儀對環境中的氫氣濃度進行監測，當環境中氫氣濃度超過0.5%時，啟動強制通風機排氣，當環境中氫氣濃度超過1%時，停機檢查。當系統中壓力值超過安全閥的設定值時，安全閥通過排放管線對氫氣進行泄放。

　　停機工況時，綜合能源監控系統關閉氫氣瓶組截止閥，對系統管道和設備進行氮氣置換，待氫氣系統中氧氣的體積分數≤0.5%時，停止氮氣置換。

　　2.3 海上升壓站制氫站監控子系統

　　綜合能源監控系統可采用自動調節、順控和遠控操作相結合的控制方式，自動調節包括電解槽和氫、氧分離器的水位控制，順序控制包括電解槽的投運、停止的控制。

　　3 海上風電-氫能綜合能源監控系統能量管理

　　3.1 發電預測及計劃

　　綜合能源監控系統通過歷史數據、實測數據等進行風電場的發電功率預測，配置風電資源監測功能，并配置風力發電功率預測功能。

　　(1)根據風功率預測系統的預測數據、風電機組的實時運行數據、制氫負荷特性，合理安排風電機組發電機組、制氫計劃、儲能充放電計劃。

　　(2)可對海上風電場的無功電壓運行進行控制。

　　3.2 分布式電源管理

　　(1)對風電機組和儲能系統進行發電管理，包括風電機組管理、儲能荷電狀態管理等。

　　(2)對風電機組進行檢修狀態管理，對風電機組進行檢修掛牌、檢修時間設置。

　　(3)對儲能系統的荷電狀態進行狀態管理，儲能荷電狀態過高/過低時能夠預警。

　　3.3 制氫負荷管理

　　(1)具備根據制氫負荷的實時監測數據對制氫計劃進行實時管理。

　　(2)對氫氣進行管理，包括氫氣消耗統計、剩余氫氣計算和顯示、氫氣存量預警等。

　　(3)能對各制氫負荷終端實施限電策略，可包括控制輪次、控制時段、功率定值、電量定值等。

　　結論

　　本文對海上風電-氫能綜合能源監控系統的系統架構、分析了陸上加氫站、海上制氫站、海上風電機組各監控子系統的要求，并給出了能量管理的要求。該系統可滿足風電機組系統接入、電解制氫、海水淡化、儲能電池等的集配電需求，基本實現內部電力電量平衡，并實現負荷預測、發電預測、短時功率平衡、經濟調度、電能質量管理等功能。

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