氢能专题
风电制氢二：关于酒泉风电场电力制氢可行性的探讨
2019/10/16 13:55:24
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1.1：历经十多年的建设发展，甘肃省酒泉风电场已初具规模，从二OO九年起始，酒泉又开建世界首个千万千瓦级风电基地，以“陆上三峡”之称，即在二O二O年建成风电装机二千万千瓦，其发电量超过已建成的长江上游三峡水力发电站的规模，屹立在亚洲以至世界。
由于丰富的风力资源和大规模的风电及配套产业投资和建设，有力地拉动酒泉市的投资和相关产业的快速发展。去年该市的投资增长90.97%，其中风电及其制造业投资占全市固定资产总投资的62,96%，财政收入增长107.4%，是历年来前所未有发展新途径。
1.2：在酒泉风电场高速度发展的过程中，对风电发展问题的议论日益增多。尤为今年召开的全国人大、政协两会上争论更为激烈，争论的焦点集中在两个问题上；
一是大型风电场所发电力上网难题未破解。由于风力发电受自然界各种不可控制的因素影响，非常不稳定，对电网的安全供电造成较大冲击。
电网的承载能力是有限的，不是上了一个风电场项目，全部风电就能被输送出去。甚至有的专家对风电上网作现场调查后发出“在外界看来，可再生能源是环保的，可是象风电这样不稳定的电力，却在污染电网”。
有的专家以内蒙风电的运行实际为例，入冬至今内蒙电网已接入风电装机容量430.2万千瓦。尽管在白天用电高峰期，能全部消纳这些电量，但在夜晚用电低谷期，由于要确保火电、供热机组的运行，不得不让风机弃风停机。
目前内蒙风电场有320万千瓦的风电机组不能出力，比例占到80%，而夜间正是草原上风力最大、最稳定的黄金时刻，大唐电力集团公司规划部门表示电网扩建跟不上风电发展，甘肃西部和内蒙东部一些风电场不得不时处于停产或半停产状态。
第二个难以破解的问题是风电成本。大型风电场的投资动辄几十亿，几百上千亿元，加上又要建设智能特高压电网，其投入与产出都不成比例。尽管有国家政策性的上网电价补贴，但长久下去不易维系。
另一渠道是出卖碳减排量，因大型风电场大多建设在经济不发达的戈壁、沙漠或大草原上，按照联合国碳交易规则其收益和兑现不是补偿其投入的份额范围，为此国家发改委接受一些行业资深人士建议，新能源产业不能凭空发展，需要联系传统产业，才能带来切实可观的经济效益。因此，新能源产业的振兴措施尚在进一步研讨修订之中。
2.1：对于大型风电场生产的电力综合利用问题，早就引起甘肃省老科协的老专家和专业工程技术人员的关注。通过对酒泉风电场的实地考察，反复的调研论证，我们认为，发展风电是防止地球持续变暖、减碳限排大力推广绿色清洁能源的必由之路，目前的发展状态仅仅是个开始，甘肃酒泉的风能储量应该快速大力的进行开发，应该为国家的经济建设提供大规模的绿色能源。
但在风电利用方式，或者是模式上不能只走并网这一条路，应该大力开发除并网之外的风电能源多种利用的模式，并且应该考虑市场对清洁能源（包括多种能源产品）之急需的综合利用之道。
这里提出“利用风电进行电解水制氢气、氧气，立即、快速、直接产生巨大的经济效益和社会效益”的方案，探索为甘肃循环经济发展创新的一个新的模式和新的产业群的崛起做一肤浅的介绍。
2.2：风电制氢——率先创新氢能源新时代。
毋庸置疑，现在的大型风电场直接并网的方式因为缺少一个大型的“储能、调控”环节，不稳定的风电是电网不欢迎和不愿意接受的。
那么加上一个这样的系统如何呢？好像也不现实，实用技术方面有“抽水蓄能”方式，这是一个成熟的技术方案，但是受特定的条件限制，首先要有大量的水源，还要有合适的地形高差，才能够实现利用水流的落差能量进行调控发电，从而得到稳定的可控制的电能，从规模上看也是差距太大。如刘家峡水电站十分巨大的水坝和5台水轮发电机组，其总设计发电量也就是130万千瓦，实际上平均发电量不足100万千瓦，假设要将1千万千瓦的电能进行这样的抽水储能，那就要搞十个刘家峡水电站和储能水库，是现有刘家峡水电站的十倍规模的上、下水库和10倍的发电机组才能够满足需要，大概的想一想就知道，这几乎是不可能的事。
拿现在已经规划和建设中的三个国内最大的“千万千瓦级风电场”来说，都是在极度缺水的地区（一个在甘肃酒泉两个在内蒙），平坦的地形（风能资源好的地方都是平坦的地形、地貌），也没有落差高的地形环境，所以不能应用“抽水储能”方式调控风电，我们认为“抽水储能”方式调控风电只能够小规模的、在特殊的有条件的地区才行。
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，商业化的应用究竟会不会影响到环境还是未知数。
其它的储能方式，如压缩空气储能；飞轮储能等等都因为效率太低、容量太小，也是不能使用的。
2.3：其实转变思路，利用风电进行大规模制氢，走“氢能源”方式，不一定非走“风电上网”这一条路，问题即可迎刃而解，通过我们的分析和计算，可以发现在“并网方式疑无路时，更有柳暗花明又一村”的美好前景。
人类使用能源方式除了碳能源的方式即现在大量使用的化石能源方式外还有氢能源方式，这是一种最干净的，可以循环的可大规模利用的能源方式。将水进行电解就可以得到氢和氧两种气体，一公斤水完全电解后可以得到1立方米氢气和0.45立方米氧气还有0.03公斤的固体物（拿海水来说固体物就是海盐）。
这种技术是很成熟的技术，以前总认为需要消耗大量的电力，以前的技术水平是要消耗5度电才能够电解出1立方米氢气，最近的报道有电解产氢气一立方米只需要2.51度电能的新技术问世，继续进行电解技术研发，还可以降低耗电量。
如果我们改变思维，利用大规模的风电进行大规模的电解水制氢，会得到大量的最干净的能源——氢气和氧气。
有了风电制氢产生的这些氢气能源（数量巨大），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（利用氢气能源替代传统的煤炭能源发电并网或者是使用燃气轮机发电并网），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。
地球上有70%的面积是水，作为一种能量的转换物质（载体），可以说是取之不尽、用之不竭也是目前所知最廉价的物质，风电在这里只是起到了一种能量的转换作用，还是可以循环往复利用的绿色能源。
将巨大的风能资源，通过风力发电→电解水→制氢制氧→氢气能源→发电、制热、炊事、取暖、交通工具使用等过程后又变成了水，这些水返回到大自然的水系统循环中为下一次的能量转换循环中再利用
电解水制氢的同时还可以得到大量的氧气，这也是生产和生活中必不可少的一种宝贵资源，炼钢时就需要大量的氧气、金属加工中的切割、焊接等方面都需要大量的氧气，氧气在医疗方面已经越来越使用的广泛，而电解水产生的氧气（含氢气）是质量最高的。
2.4：经济效益分析
氢气燃烧热值很高，除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kJ/kg（32352大卡/kg），是汽油发热值的3倍。
氢气的比重小，纯氢的密度仅为空气的1/14，为0.0899g/L。
1立方米（合1000升）氢气重89.9g，热值为12797.355kJ(2956大卡)。
1公斤水电解后不但可以得到1立方米的氢气并且还可以得到0.45立方米的氧气和0.03公斤的固体物。
拿千万千瓦级风电场来说，1小时就是1千万度电（按设计指标计算），用2.5度电能产生1立方米氢气，就可以得到4百万立方米氢气。
1000万度电/2.5度=400万立方米氢气。
1立方米氢气的热值是2956大卡，标煤的热值是7000大卡，大约2.36立方米氢气的热值相当于1公斤标煤的热值。
7000大卡/2956大卡=2.36（倍）
拿400万立方米氢气除2.36得1694915.2公斤标煤（我国是按煤当量“标煤”计算热值的），大约相当于1700吨标煤的热值能量。
市场上的优质煤炭热值一般是5500大卡计算。
5500大卡/2956大卡=1.86（倍）。
400万立方米氢气/1.86=2750537.6公斤。大约相当于2750吨普通优质煤炭。
即相当于2750吨优质煤炭的能量，也就是说“千万千瓦级的风电场”1小时所发出的电力进行风电制氢模式，就能够产生近3000吨优质煤炭的热值能量，1天24小时就能够产生：
3000吨X24小时=72000吨优质煤炭的能量。
相当于72000吨优质煤炭热值能量的氢气能量，不可否认，风电因为时大时小，时有时无，不能按每天的全部时间计算，这里只按每天1/3的实际使用时间计算，每天也有24000吨优质煤炭热值的氢气能量，一年就是8760000吨优质煤炭能量（2万4千吨乘以365天），即相当于876万吨优质煤炭能量。
这些氢能源是能够储存的，可以在需要的时候用来替代传统的煤炭进行发电（最成熟的技术），产生的电力在电网高峰需要时大量的并入电网（这是高质量的特别平稳、可调、可控的电流，是电网十分欢迎和笑纳的高质量电能），得到良好的经济效益，又可以在电网低谷时脱离电网，将氢气给大量的使用氢能源的汽车、火车、飞机、轮船等移动交通工具加氢气能源，立马就变成实实在在的真金白银收入，或者是通过管道方式输送到城市、居民点，提供给千千万万的家庭生活使用，更可以源源不断的供应炼钢、炼钨、炼钼、医疗或者是军工企业使用。
电解制氢的同时除产生单项的纯氢气外，还有纯氧气产生（电解水方式产生的是纯氢气和纯氧气，是质量最高的），每产生1立方米氢气，同时就可以产生0.45立方米氧气，在产生400万立方米氢气的同时还产生160万立方米的氧气。
400万立方米X0.45=160万立方米。
这些氧气是也是可以直接卖的商品，大量的机械加工企业的钢铁切割和有色金属的焊接就需要大量的氧气，其它在医疗卫生、化工还原、污水处理方面都需要大量的氧气，即便是在“高效燃料电池”（指非传统的利用纯氢、纯氧工作的燃料电池）工作时也需要大量的氧气。
此外，在电解水时还可以回收大量的热能，这是因为电解的过程中，会有一部分能量变成热能，这些热量可以通过热交换器置换出来，既提高了电解的效率，又得到数量很大的热能，冬季可以取暖、供鱼池加温等，夏季可以为洗浴提供热能等，用途是十分广泛的，总之是一种很有价值的能源，也是风电制氢、制氧同时的副产品，有实在而直接的经济效益。
电解水制氢的过程中也是对水的浓缩过程，拿海水来说，其含盐量是3%，1公斤海水中含盐30克，每小时制氢4百万方米时需要消耗海水约4百万公斤合4000吨海水，每吨海水中含盐300公斤，就算是只提炼出来一半，也是150公斤，4000吨乘以150公斤等于60万公斤=600吨（1小时的产量）按1/3计算也有200吨的纯盐，这又是一种伴随着制氢过程中产生的副产品，都是利用风电产生的，有实际价值的产品。
所以说风电制氢并不是仅仅提供一种能源，而是不但提供了大量的氢能源，还提供和产出多种有直接经济效益的产品和大幅度的降低了风力发电机组的制造成本，这样计算经济效益才比较客观，所以从这种模式的经济效益方面分析并不是大赔钱的生意，而是有很好的经济效益和很好的环保效益的好模式。
2.5：单台风力发电机组的效益分析（1000千瓦机组标准）
我们再来看看单台风力发电机组的情况，实际上风电机组的投入就是风力发电机组制作成本，只要竖起塔架，安装好风机就可以收集风中的能量，将其转化为源源不断的电力，在平均20年的设备折旧的成本分摊中，每度电的价格是极低的，下面试分析1000千瓦的风力发电机的度电成本：
假设：1000千瓦机组成本是300万元（制氢专用机组，并非并网机组，见《风电制氢—率先创新氢能源时代》一文中的介绍）。
20年分摊300万元，为每年15万元，每月为1.25万元（15/12个月）。
而其发电量每小时1000度（按满发计算）每天就是：
24小时×1000千瓦=24000度电。
30天（1个月）×24000度电=720000度电。
用720000度电除以1.25万元；
720000度电/12500元=57.6度电/元。
即1元钱可以生产出57.6度电！
实际上风力发电机不可能天天在转而且风能又是时大时小的，保守的计算只能是每月只有1/3的时间在正常工作，那也是1元钱可以生产出19.2度电（57.6/3=19.2）。
一元线的投入可以产生出19.2度电，那么每度电价格仅：
100分钱/19.2度电=5.2分钱/度电。
每度电仅为：5.2分钱！
通过计算我们可以知道，风电确实是最便宜的电能！
当然还得加上氢气的电解设备、存储设备、灌装设备等，每立方米的氢气制造成本怎么也不会超过3角钱（按3度电生产出一立方米氢气，只有15.6分钱）。
那么利用这样便宜的电能进行氢气的生产，不用多说任何人都知道是“一本万利”的事，况且风能又是“取之不尽用之不竭”的，更不必担心枯竭问题，良好的环保效益更是“节能减排”的最好方式。
