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1、 鱼 ： ! Sci en ce a n d Tech n ol ogy I nn ova t i on Her a l d 我国新能源发电制氢储能技术研究 技术创新 祁万年 ( 山东鲁能集团有限公司甘肃分公司 甘肃兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘 要： 我国各种能源分布极不平衡， 作为新能源发电来说， 尤为如此。 需要大规模输电线路输电， 但是新能源发电属于不可控电源， 间歇 性 、 反调节是其主要 特点， 需建遣常规 能源的电站或储能装置 。 关 键词 ： 新 能源 发电 制氢 储能 中图分类号： T M 6 1 5 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 4 0 9 8 X ( 2
2、 0 1 2 ) O 9 ( c ) 一0 0 3 8 0 2 我 国各种能源分布 极不平 衡， 对 新能 源发 电来说 ， 更为 如此 ， 风能 主要集 中在 内蒙、 甘肃 、 新疆 等地 区， 光伏 发电主要集 中在 内蒙、 甘肃 、 新 疆、 青海等 地， 上述地 区距离负荷 中心 距离远， 需要大 规模输 电 线 路输 电， 但 是新能源 发电属于不可控电 源 ， 间歇性 、 反调节是其主要特点 ， 远距离 输 送 电时 为了调 控 和抑 制 这 种大 量 电能 的 波 动 ， 还 得 建 造 常 规 能 源 的 电站 了 以 解 决 风力发电输 出电能 不稳定 问题， 而这 些 电站
3、 需 要更多的常规能 源来支持， 原先 想 通 过利 用风 能节省大量 的常规能源， 结果 反 而 加 大 了常 规 能 源 的 使 用 ， 没 有增 加 新 能 源在能 源使用中的比例， 没起 到节能 减 排 目的。 鉴 于 此 ， 需 要 发 展 大 规 模 的 储 能 装 置 来 配 套大 规 模 的新 能 源 发 电， 发展 抽 水 蓄能 是条技 术成熟 ， 投资 较低 ， 可以大 规 模 建 设 的一 种 储 能方 式 ， 但 我 国新能 源 集 中地 区 ， 如 酒 泉、内蒙 、 新 疆 千万 千瓦 级 风 电 基 地 都 处 于 极 度 缺 水 地 区 ， 且 地 势 较 为 平
4、 坦 ， 无 法 规 划 建 设 大 规 模 抽 水 蓄 能 电站 。 其 他 储 能 方 式 如 何 ?如 使 用 蓄 电 池 怎 样 呢 ?铅 酸 电 池肯 定不 行 ， 没有 这 么大 的 功 率容量 ， 并且价 格特别贵， 大量的使用还有 铅污染 问题 ； 镍氢 电池 与锂离子电池受限 于这两 种元素的数 量限制 ( 全球 的储量也 是不多的) 和特 别昂贵 的价格 的限制， 也不 能 够 采 用 ；最 近 还 有 全 钒 氧 化 还 原 液 流 电 池在 研发中， 但是 多次还 原过程 中的离子 膜污 染问题也一直没有很 好解决 ， 要达到 实用的程 度还 要相当长的时 间， 商业化
5、的 应用究竟会不会影响到环 境还是未知数。 其他的储能方式， 如压缩空气储能、 飞轮储 能、 化 学储 能等 等都 因为效率 太低、 容量 太 小 ， 费 用太 高 不 能 大 规 模使 用。 风 电由于自身特 性及 远距离输送容量 限 制 ， 现 有 风 电场 实 际发 电情 况 不容乐 观 ， 从2 0 l 2 年2 月至今， 诸如：“ 东北 3 5 0 亿元投 资的风 力发电机 组在 晒太阳” ；“ 内蒙古近 一 半风力发 电机 “ 弃风停 机 甘肃酒泉风 电场限负荷严重” 等现 象不停见诸报道， 随 着风 电进一 步建设 ， 规模 不断 扩大， 限 电 问题将 更加突出， 风电不能一直
6、 “ 晒太阳和 闲 置 ”下 去 ， 利 用风 电进 行 大 规 模 制 氢 ， 走 制氢 储能 方式 ， 是解 决 问题根 本途径。 有 了风 电 制 氢 产 生 的 这 些 氢 气 能 源 ， 我 们 就 能够 实现大 规模 的能 量储存 ( 指储存氢气 和氧气) ， 既可以解决现在模式的风 电并网 难题 ， 又能够直 接利用将氢能源利用 在其 它许 多方面 ， 如工业 上的炼钨和炼 钼都 需 要大量的氢气 ， 移动的交通工具 ( 汽车、 火 车、 轮船甚至飞机都可以使用氢气能源， 生 活 中的炊事、 取暖等都能够使用。 经过 实验 研究 ， 电解水 装置对风 机的 不 稳定性功率输 出具
7、 有很强的适应性 ， 可 以随 着输入功率 的波动氢气气体流 量做相 应 的基本相 同趋 势的波 动， 证明了风电用 于工业电解水的可行性。 按 酒 泉 风 电 基 地 目前 投 产 的 单个 2 0 万 k W风 电场计 算制 氢的 实际收益 。目前可 研 年利用小时数 大约2 2 0 O h 左右， 若不考 虑限负荷因素 ， 年理论发电量可以达 到4 8 亿度 ， 目前2 0 l 2 年上半年 实际发 电量平 均 为l 6 0 0 0 万度 ， 全年预计3 2 0 0 0 万度 ， 若使 用 风 电 制 氢 ， 把 剩 余 无 法 送 出 1 6万 度 风 电用来制氢 ， 按电解水产生1
8、立方米氢气耗 电5 度， 辅 助能耗 】 0 ， 氢源经过 提 纯、 加 压和储 运等 工序 大致消耗1 度， 总体 按6 5 度计算 ， 就可 以生产出2 4 6 0 ) 7 m 的氢 ， 按 每瓶 装入6 m 计 算 ( 现在市场 的标 准氢气 瓶 ， 压力是 I 5 0 k g m。 ， 容 积是4 0 L 氢气钢 瓶) ： 可生产4 1 0 7 J 瓶氢气 ( 每瓶装入6 m 氢 气) ； 电解氢气每瓶价 格为4 8 元 ：( 2 0 1 0 年4 月份价格) ， 4 8 元 4 1 0 万瓶= 1 9 6 8 0 万元 。 制 氢时生 产的氧气收入， 另外还有氧气 ( 每产 生l 立
9、方米氢气同时产生0 4 5 m 氧气 ) ， 即： 2 46 00 4 5 =l 1 0 7 万m 氧 气， 那 么1 1 0 7 万IT I 氧气 6 =1 8 5 万瓶 氧气 ， 每瓶 氧气卖 1 6 元 ( 2 0 1 0 年4 月价 格) l 8 5 万瓶 X 1 6 元=2 9 6 0 万元， 上 述风 电制氢 、 制氧， 一年两项相 加 总 数 是 1 9 6 8 0 +2 9 6 0 =2 2 64 0 万元 。 经 济 效 益十 分 显著 。 投资 回报分 析： 现有风 电场 只需 投入 制氢设备、 存 储设备、 灌装设备即可， l k W 容量大 约投入3 0 0 0 元，
10、按5 万容量设 备计 算 ， 需 要设备投 入 r 5 0 0 0 万元 ， 加 上 人 员 工资等 生产费用5 0 0 0 ) 7 元 ， 一年可 收回成 本。 每 年节约1 6 亿度电， 2 0 年 的使 用时间 内减 少的二氧化 碳相当于1 4 8 万t X 2 0 年 ： 2 9 6 万t 二氧化碳 ， 这 无疑是十分 巨大 的 二氧化碳减排数 量。 但是也 存在制约 因素 ， 现 有的氢储 存 技 术成本 昂贵、 安 全稳定性 差 ， 耗 能大 且 不 适 于 大 规 模 生 产 利 用 。为 了解 决 这 个 问 3 8 科技创新导报Sc i e n c e a n d Te c
11、h n o lo g y In n o v a t i o n H e r a l d 题 ， 伦敦 大学学 院鲁 特福 德 艾普 顿 实验 室和牛津大学的科学家们研 究出一种把高 密度的氢挤压进 极小水珠的方 法， 这 样储 存的氢能 以液态形状 倒出或 泵进油箱 ， 就 像普通汽油一样。 解决了氢的储存问题 ， 氢 燃料 的全方位普及便迈入 了一个新 阶段。 如此形成的小水 珠核心为纳米结构 的氢化 物 ， 而外壳则是高 分子聚合物 构成的氢化 物载体， 十分易于燃料。 据英 国 每 13 邮报 2 0 I J 年1 月3 0 13报 道 ， 这 种 氢燃料 科学 家们 将其 称为 “ 人
12、造 汽油” ， 并将 于2 0 1 2 年对其进行 道路测试。 如 果测试结 果令人满 意， 未来 3 5 年 内就 能 看 到烧 “ 人造 汽油 ”的汽 车 了。此 项技 术一旦成熟 推广使用， 对制氢 尤其是储存 使 用必将带 来非常深刻的影 响。 由干主要 成分为 氢气 ， 燃料 燃烧 时不会产生有害气 体 ， 对环境毫无影响。 研 究人 员目前正在对 “ 人造汽 油” 的配方进行 改良， 使其 能直接 应用于 未经改 装的汽 车引擎 内， 这一点也 使得其较 电动汽车更为方 便。 项 目牵 头人 史蒂芬 本宁顿教授表 示：“ 从某种意义 上 说 ， 氢气是完美的燃 料。 它单位重量的能
13、 含 量是一 般汽油的3 倍， 但排 放却是零。 ” 目前正在把这项技术变为现实 的塞拉 ( Ce l l a r ) 能 源公司负责人史蒂 芬 沃尔克 表 示 ：“ 我 们 已 经 在 制 造 这 种 取 代 传 统 燃 油的微型水 珠， 这 种高容量 的储氢材料 适 用于燃烧汽 油的现有汽车 ， 因此无需 对车 进行 改 造 。 ” 这 种模式并不需要特 别先 进的技术， 绝大部分是利用了成熟的电解技术和氢能 源应用技 术的等多项技 术的组合， 不断 的 扩大其规 模 ， 逐 步的替 换传统 的能 源 ( 碳 能源)， 通 过大规 模的使 用进 一步提高 其 转 换效 率 ， 满足 全社会
14、的 能源 需求 ， 应 该 是 必 由之 路 。 应 用技 术层面的分析： 储氢技 术： 从2 O 0 5 年 起就有很多储氢 技 术开发成功， 当然也还在不断的开发中， 大致上有物理和化 学两个方面， 如 ： “ 液化 储氢” ，“ 金属氢化物储氢” ；“ 吸附储氢” ； “ 有机液体 储氢”；“ 玻 璃微 球储 氢”“ 地 下岩洞储氢 ” ；“ 无机 物储氢”； “ 铁 磁性 材 料储 氢” 等 多种 储氢方 式 ， 这 些技 术都 已 经研发成功或者 是正在推广 的技术 ， 氢能 源汽车就解决了储氢气问题 ， 可以参考， 这 ( 下转 4 0 页) 万方数据 型 ： ! Sci en c
15、e en d Te ch no l o gy I n n ov at i on Her a l d 飞 机交付后 日常维 护和修 理的 方便 ， 即做 到整体油箱结构的可检查性和可达性 ： 可检查 性 ： 为了检查和 跟踪 油箱 的渗 漏情况 ， 整体 油箱外部的所有连接 缝都应 尽可能通 过 13 盖 和舱 门进行观 察， 敷设在 油箱外部密封面上的管路和设 备不应遮盖 连接缝 ， 否则应 可拆卸。 可达性 ： 对 需要 维修的部位 应具有 良 好 的通路。 应 避免需要维 修人 员从一个 密 封 舱到达另一个 密封 舱， 每个 密封舱都应 有 g l 盖。 油 箱舱内的系统和 设备应尽可
16、能 不影响密封的维修， 否则应易于拆卸。 3 整体油箱的防腐蚀维护 做 好 日常维护工作 能够有效 防止 整体 油箱的微生物 腐蚀。 因此针对整体 油箱的 腐蚀特 点， 在 日常维 护工作应做 到以下方 面 ： 严格 控制燃 油质量， 减少 燃 油中的水 分、 杂质和 微生物 的污 染； 按规 定 清洁油 箱， 排放油箱中的沉淀， 定期检查油箱微生 物腐蚀情况； 按规 定使用生物 杀菌剂等。 ( 1 ) 严格控制燃油质量 水是微 生物 生长 的必要 条件 ， 因此保 燃 油洁净 ， 使 水分含 量不超标 ， 能够 有效 的防止微生物腐蚀。 控制燃油质量， 首先 就 要 做好燃 油 的储存 工作
17、 ， 使储油罐 的 自由 水 尽可能少； 加强燃 油输送系统的管理， 使 含 水量控制在手册规 定的指标 内； 定期对 储 油罐进行彻底 清洗 ， 避免储油 罐内可 能 存 在的微生物再次 污染燃油 ； 尽量减少 水 分进入燃油的机会， 储存时可采用浮顶罐 ， 最 大限 度地减少燃 油上面的空气层 尽量 推迟放 油时 间， 加 油过程 中或 刚刚加 完油 时不可 以进行放油工作， 进行定期排水 ， 把 储油罐 的积水及时排走 ， 减 少微 生物污染 的 机 会 。 ( 2 ) 清洁油箱 清洁油箱可以根除油 箱内的微生物污 染 ， 防止 死去 的真菌残 余 物堵 塞油滤 ， 避 免 死去 的真
18、菌成 为营养源 。 如果油箱中受 污 染区域 不大 ， 可采用人 工清洁油箱的方 式 。如果受 污染 区域 较大 ， 或受污 染区域 无法接 近， 则可以使用 压力清洁的方式 对 油箱进行清洁。 ( 3 ) 油箱杀菌 控 制整 体 油箱 微 生物 腐蚀 的方法 当 中， 最有 效的 方法便是 使用生物杀菌剂 。 虽然杀 菌剂的种类 很多， 但真正 适用于 航 空燃 油的却不 多。 因为对用于航空 燃油的 杀菌剂有着相当高的要求 ， 包括： 能 充分溶 干油 中， 并能 迁移 到水相 ； 对航 空燃 油本 身性能 无影响 ； 燃烧时对 发动机性能无影 响 ； 毒性 必须使 人能够 接受 ， 且不
19、 污染环 境 ， 等等。 油 箱 中使 用的 生物 杀 菌剂 的最大 浓 度 可以在飞机 维护手册 中获得 ， 这个最大 浓 度值是根据 生物 杀菌剂的有效 性、 发动 机 及辅助动力装置 ( AU Xi l i a r Y P O we r Uni t ， 简称 AP U) 厂家所规定 的最 大浓 度 制 定的， 这个浓度保证经 生物杀菌剂处理 技 术 创 新 过的燃油能够被发动机和AP U使用。 如果 油箱中的微生物腐蚀很严重， 这些生物杀菌 剂可能仅会杀灭附着在油箱表面的微生物 ， 而位于内层的微 生物由于外层微 生物的阻 挡 而无法被杀灭 ， 因此在这 种情况下应先 对 油箱内部可见的
20、污染物痕迹进行清理。 4 结语 飞 机 整 体油 箱 的防 腐蚀 与微 生物 控 制， 是贯穿于飞机全生命周期的工作 ， 包括 结构设计、 制造、 使用维护及维修等诸多环 节的系统工程性 问题。 本文针对对飞机 整 体油箱的防腐蚀有关键影 响的结构 设计和 维护两个环节所采用的防腐蚀 措施 进行说 明 。 在防腐蚀设 计 环节， 应在充 分考虑 材 料、 应 力腐蚀 、 表 面涂层和维修 性 等等 基 本 因素 的前提下， 结合整体 油箱的特 殊功 能性要求， 在飞机全生命周期内， 从细节到 整体对整体油箱设计 进行完整的考虑 。 在 防腐蚀维 护环 节， 应从燃 油 质量 、 油箱 清 洁、
21、 油箱杀菌三个方面严格控制， 确保整体 油箱的安全性和经济性 。 参考 文献 1 飞机整体油箱的微生物腐蚀及防护 J 航空维修与工程 ， 2 0 0 9( 3 ) 【 2 航空 煤油重微 生物 污染及 防治 J 】 河 北科技大学学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 3 ) 3 面向C P C P 要求的民机结构腐蚀控制方法 研究 J 民用飞机设计与研究， 2 0 0 8 ( 3 ) ( 上 接3 8 页 ) 些 技 术保 证 了氢 能源 的储 存 问题 ， 为 “ 风 电 制 氢” 打 下 了良好 的技 术基础 ， 为风电制 氢铺平了道路。 氢内燃机 技 术 ， 请看 下面的 报 道 ：
22、氢 能源 利用 突破 中国第一 台氢 内燃 机 点火 成 功 。 近 日， 我国自主研制的第一台高效低排 放氢 内燃 机 在重 庆长 安汽 车集 团成 功点 火。 高效低排放氢 内燃机是 国家 “ 8 6 3 ” 计 划惟一立项 的氢燃 料重点项 目， 它的成功 点火标 志着我国氢 内燃机研究技术获得了 突破性的进 展， 为氢内燃 机的产业化奠定 了基 础 。 据悉， 氢燃 料与汽油特 性 差异 巨大 ， 真正 的氢 内燃 机 必须根 据氢 燃料 的特 性 研究 开发 ， 而不是汽 油机 的简单 改造 ， 因 此氢 内燃机是 一种新 型的内燃机 。 氢燃料 内燃机 的工作原理 是用氢代 替汽
23、油， 直接 在 发动机缸体 内燃烧 ， 驱动 汽车 行驶 。 我 国自主研制的高效低排放氢 内燃 机是一种 新型的内燃机 ， 它与传统的汽 油机和柴 油 机相 比， 具 有高效率 、 低排放 、 低成本 、 适 应 性好 等突出优点 ， 对于 减少环境 污染， 应对 能 源 危机 具 有十分 重要 的意 义 。此 前， 我国已经在 氢燃料 电池 的研发 方面 取 得巨大突破 ， 由同济大学 研发成功 的氢 燃 料电池汽车主要测试数据 均达 到世界先进 水平。 氢燃 料 电池是我 国氢能源利 用的 另 一 种 方向， 与氢燃料 内燃 机 不同， 氢燃 料 电池 的工作原 理是 由氢 燃料产生 电
24、能 ， 向 电池 充电， 以电力驱动汽车行驶。 氢能 源发电技术 ： 这 应该是 最容易的 了， 可以 采取传 统的 烧锅 炉 的方式 ， 以氢 能源代替 煤炭产生蒸汽 ， 再 推动蒸汽轮机 发电 ， 或者 是采用燃 气涡轮机带动 发电机 发电 ， 因为是可控、 可调 的所以并网是没 问 题 的 。 小 型的移动 电站等尽可 以采用 “ 氢 内 燃 机方 式”进行发电 。 氢气也很 容易长途 输送 ， 就像输送天然气一样 ， 可以长距离的 输送 到需 要的地方进行 利用 ， 它与天然 气 相 比最大 的特点就 是 “ 取之 不尽用之不竭 的， 可以持续、 循环利用的能源。 总 之 ， 利用大
25、规模 、 数 量 巨大 的新能 4 0 科技创新导报S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y In n o v a t i o n H e r a ld 源 发 电 ， 进行 大 规 模 的风 电制 氢 ， 经济 上 是 可 行的 ，同时 进 行 氢 能源 广 泛使 用 的行 动 ， 使氢 能源时代早 E l 来临 ， 是大 量减 排 二氧 化碳 的根本方法 ， 是从根本上解决 制约新 能源 发电的途 径 ， 也是 从根本上 走 出能源 困局 的 光 明大 道 。 参考文献 【 1 】高洪 山 高压电解水【 J 】 重组大 能源 ， 2009 2 】郑尔历
26、 风 电制氢与风电上网的风能利 用效率 比较 J 】 关于 酒泉风 电场 电力 制氢可行性的探讨， 2 0 1 0 ( 8 ) 3 邹 卫 平 海 上 非 并 网 风 电制 氢 加 速 氢 能时代 的到来 【 J 中国新 能源 ， 2 0 l 0 ( 7 )： 2 7 -2 9 4 覃泽文 科学家发明无碳 人造汽油” J 】 中国能源报 ， 2 0 l 1 【 5 】张碧航 ， 周晓 宏 水 电解制 氢设 备用于 非大规模并网风电项目 的实验及产业化前 景 c 中国动力工程学会工业气体专业 委员会2 0 O 9 年技术论文 万方数据 我国新能源发电制氢储能技术研究我国新能源发电制氢储能技术研究
27、 作者：祁万年 作者单位：山东鲁能集团有限公司甘肃分公司,甘肃兰州,730070 刊名： 科技创新导报 英文刊名：Science and Technology Consulting Herald 年，卷(期)：2012(27) 参考文献(5条)参考文献(5条) 1.高洪山 高压电解水 2009 2.郑尔历 风电制氢与风电上网的风能利用效率比较,关于酒泉风电场电力制氢可行性的探讨 2010(08) 3.邹卫平 海上非并网风电制氢加速氢能时代的到来 2010(07) 4.覃泽文 科学家发明无碳人造汽油 2011 5.张碧航;周晓宏 水电解制氢设备用于非大规模并网风电项目的实验及产业化前景 本文链接：