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风电制氢一:率先创新氢能源时代

时间:2011-07-14 17:10:16来源:郑尔历
时代、社会的需要是科学技术发生、发展的催生婆,高科技的发展和新技术的出现都是根据社会需要发展起来的,新技术、新概念的提出往往都是在现有实践中发现的问题和不足中为改变这种不足提出的“假设、假定、幻想等形式开始的。
幻想是创新科技之母,本文是一篇幻想型原创文章,作为抛砖引玉的砖头抛出,意在引起广泛的关注,为转型到“氢能源”时代进行先期预想型的的讨论、议论、辩论和探索,作为纯技术层面的讨论,“发一些不着边际的幻想,索少许切合实际的方法”,其中肯定有许多“不着边际、胡言乱语、胡说八道”的垃圾观点,欢迎批评驳斥,更欢迎大力斧正。
现行风力发电机并网模式的缺点和不足:
众所周知近年来,国家大力发展风电,有大规模的资金扶持,几万千瓦级、几十万千瓦级甚至千万千瓦级的风电场相继大量上马,不但从国外引进先进的大型发电机组,还在国内大量的制造更多的大型风力发电机组,近几年的情况是制造风力发电机或引进风力发电机的企业大有斩获,获得了不菲的收益,而接受和运行、管理这些机组的企业(风电场)的实际情况,却是不大乐观的。
当这些风力发电机组竖立在风电场后,其实际的发电效益究竟怎样?是不是达到了预期的效果?是不是像宣传方面报道的那样,产生了巨大的经济效益?多少绿色的风电进入了人们的生活?少烧了多少煤炭?减少了多少二氧化碳的排放?
详细而具体的情况究竟是怎么样的?至今无人给于认真而实际的报道和评论,笔者很关注这个问题,近期在多篇“风能通讯”上看到很多并不乐观的消息:
如:因为风能、风况的大小与大电网用电高峰的不同步,在电网高峰需要大量电力时风电场并不能及时的提供,而在电网本身处于“用电低谷”时虽然风电并网了,但是没有什么实际的经济效益,有人说,像现在的这种方式投资的风电场,要想收回投资最快得50年以上,很可能在100年以后了,实际的利用风电的投入与产出的效益肯定是不高的。
另外,在大容量的不稳定的风电并入电网时会引起电网电压的大幅度波动,为了调控和抑制这种大量电能的波动,还得建造比风电场总容量大2-3倍的“调压控制电站”(当然是常规能源的电站了)以解决风力发电输出电能不稳定问题,而这些调控电站需要更多的常规能源来支持,仔细的算一算,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,走到初衷的反面。
去年曾经看到一条信息,内蒙电网在国庆期间的十天里,不允许任何风力发电机并网,怕影响到对北京的供电质量,论坛里面有人干脆称现在的这种风电是“垃圾电”,更不用说内陆的风电场远离大城市和用电中心,还需要大规模的输电网络进行输电,这一项投入将比建立风电场投入更大。
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,笔者曾参观过“刘家峡水电站”,十分巨大的水坝和5台水轮发电机组,其总发电量也就是130万千瓦,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,这实在是不可能的事。
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(两个在内蒙一个在甘肃酒泉),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,能够使用“抽水储能”方式调控风电的方式不可能大规模的采用,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,看起来真是“山穷水尽疑无路”了。
柳暗花明又一村的----风电制氢方式:
哥本哈根会议的召开,说明了全球都在关注环境,更确切的说就是“碳减排”的问题,如何从根本上解决问题,笔者认为“必须改变现在的碳能源方式、转化到氢能源方式”才是最根本的解决问题的办法。
煤炭、石油、天然气还有正在开发的可燃冰等等,是现在社会能源的基础,目前占我们使用的能源的绝大部分,这些都是以碳元素进行能源转化和能源利用的,这些能源最大的特点就是,只能是一次性使用的传统化石能源,用完就没有了,不能够循环再利用,不改变这种方式就谈不上从根本上改变全球的“碳排放”,其实除了碳能源的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1/9公斤氢气和8/9公斤氧气还有0.3/10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2.5度电能的新技术问世,笔者认为继续进行电解技术研发,还可以大幅度的降低耗电量。
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,1公斤水电解后不但可以得到1/9公斤的氢气(1立方米)并且还可以得到8/9公斤的氧气(0.45立方米)和0.3/10公斤的盐。
有了风电制氢产生的这些氢气能源(数量不小),我们就能够实现大规模的能量储存,解决现在模式的风电并网难题并且不会对环境有任何影响。
氢气能源可以长时间储存、可以管道长距离输送,可以直接用来大规模发电,更可以提供给汽车、火车、飞机、轮船等移动的交通运输工具使用,氢气燃烧利用后除产生能量外,只产生水蒸气,冷凝后就是纯水,实在是最清洁、最环保的能源。
地球上有70%的面积是水,作为一种能量的转换物质,可以说是取之不尽、用之不竭的,风电在这里只是起到了一种能量的转换,将巨大的风能资源,通过风力发电→电解海水→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。
所以在目前的风电困局中,我们只要改变思路,将这样大量由风能产生的廉价电能转化为氢能源,从根本上脱离原先的碳能源模式,进入到氢能源模式,才是新能源利用的“柳暗花明又一村”的光明大道,也是最环保的能源利用的境界,舍此别无它途。
当然这里介绍的方式有人认为是“天方夜谭、痴人说梦”离我们还很遥远,笔者试从以下几个方面议论一下,试分析一下,以经济效益和技术层面的问题作一试解:
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1/9公斤的氢气并且还可以得到8/9公斤的氧气和0.3/10公斤的固体物。
拿千万千瓦级风电场来说,假设是满发,1小时就是1千万度电,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,1立方米氢气的热值是2956大卡,标煤的热值是7000大卡,大约2.4立方米氢气的热值相当于1公斤标煤的热值,拿4百万除2.4得1666666.6公斤标煤(我国是按煤当量“标煤”计算热值的),相当于1千6百吨标煤的热值能量,(市场上的优质煤炭热值一般是5500大卡计算)相当于2千1百吨优质煤炭的能量,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2千吨优质煤炭(按煤当量计算)的热值能量,1天24小时就能够产生相当于4万八千吨优质煤炭热值能量的氢气能量,就算是只有50%的效率,每天也有2万吨优质煤炭热值的氢气能量,一年就是720万吨优质煤炭能量(2万吨乘以365天)。
    这些氢能源是能够储存的,既可以直接提供给发电厂发电(燃气轮机方式,省去烧蒸汽的环节最好),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大城市,提供给千千万万的家庭炊事使用,这种模式就是氢能源模式。
电解制氢的同时除去产生单项的氢气外,还有8/9的氧气产生(纯氧),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4百万立方米氢气的同时还产生160万立方米的氧气,这些氧气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,在高效“燃料电池”工作时也需要大量的氧气,现在市场上一瓶氧气(容量6-8立方米)已经卖到15-20元了,160万立方米氧气,每瓶装8立方米就是20万瓶氧气,价值400万元,这仅仅是这个风电场1小时电解水产生的氧气效益,1天24小时就是9千6百万元的氧气收入,一年仅凭氧气就可以收入近300亿元,打一半折也有150亿的氧气收益,这样实实在在的产生氧气的收益也是风电制氢效益的一部分。
如果此方案得以实现,笔者还建议,应该有意的排放一部分氧气到大气中,以补充大量的、各个方面的氧气消耗,大量的氧气排入地球大气,还可以修复臭氧空洞(大量的氧气在太阳紫外线照射下可以转化为臭氧,修补臭氧空洞),为全球的环境保护做巨大的贡献,功莫大焉。
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,总之也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4百万立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),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。
风电制氢可以大幅度降低风力发电机组的造价和技术难度:
风力发电机产生的电能用来制氢的模式与并网的模式,是两个技术和成本相差很大的方式,尤其是制造成本相差巨大,拿一台1000千瓦的风力发电机组来说,如果是传统的并网模式,那么就必须加上高精度的电能控制设备(千瓦级容量的电子调控设备),需要将风电调整到与电网一致的电压、周率、波形、相序,还要调整有功和无功功率,达到电网最基本的并网需求,才能够并入电网,这些都是大功率的电子调控设备,价格极高,又极容易损坏,这部分占到整个机组造价的50%左右,现在的1000千瓦机组的市场价大概是800-1000万元/台。
特别是利用风能的效率方面更是有太大的差别,并网模式在风速小时产生的电能不够,不能并网,风速太大时并网发电机组因为安全问题会进行“自动保护动作”(就是在极短的时间里甩掉负荷,保护发电机组不会损坏)突然脱离电网,这也是电网最讨厌的地方,巨大容量的电能突然脱离电网,会造成电网电压的大幅度下降,影响整个电网的平稳,进行了“自动保护动作”的发电机组这时也是谈不上什么效率、效益的,这样两下折扣一打,真正的发电效率(实际送入电网的真正起作用的电能)是很低的,相对于制氢模式来说是一个“质次价高、投入大、产出小”的很差的方式。
而风电制氢就不一样了,风力发电机发出的风电只需进行最简单的变压、整流处理(很成熟的技术,设备的配件随处可以购买到),将电压通过变压器调整到所需电压,交流电整流为直流电即可,不需要昂贵的高精度的电子、电能调控设备,同时无论什么样的风速时,只要发电机发电就能够利用,风小电量小时电解的氢气数量较少,风大电量大时产生的氢气就很多,在整个的发电制氢过程中所有的电能都可以全部的转化为氢气,只是转化的快慢不同而已,这样的制氢风力发电机组最少比并网机组便宜一半甚至更多,大概花费300-500万元/台即可制造出来,还有大的降低成本的空间。
笔者“粗估冒算”分析了两种模式的差别,风电制氢模式起码比风电并网模式的电能利用效率高3倍以上,直白的说,“1台1000千瓦的风力发电机组,进行风电制氢模式时产生的真正有价值的能源,大于或者等于3台并网模式机组”。
所以综合分析两种模式的风能利用效益(能源和产品),投入和产出比,两者相差4-5倍甚至更大,从经济效益分析来看,也应该大力发展风电制氢模式。
风电制氢模式对风力发电机组简化控制方面还有特别好的辅助性能:
电解设备与风力发电机组连接后在制氢时实际上就成了机组的“功率阻尼器”(也可以叫电力制动器),随时在调整风力发电机的“出力”(功率输出),风速变大时这些电能功率会自动的加大产氢气的数量,风速变小时可以“随时减少机组的出力”降低产氢气的数量。
风能利用方面,很特别的地方就是“风力发电机的出力与风速是3次方的关系”,即风速增大一倍,功率增大八倍,这也是为什么在风速特别大时风力发电机需要快速卸载进行保护的原因,因为功率的变化幅度太大,速度又太快,如果不能够在极短的时间里“卸载”,超大的风能能量肯定会损坏机组,制氢方式正好可以迅速的对功率进行快速大幅度的调整,比如1台机组供应3台制氢电解罐,在小风、中风时只需要有1台电解罐工作即可,大风时2台罐工作,在电解时风速变化小时仅仅是产氢气的速度变化,风速瞬间变大为台风时,3台电解罐同时工作在最大负荷状态,利用“电力制动”效应拖住风机不致发生“飞车”,机组需要进行“偏头调速”(风力发电机的效果最好的调速方式,只是调速时间长)时在“电力制动”的制动力的“柔性刹车”作用下,机组有充裕的时间保证安全偏头调速进行安全停机,这也是并网机组无法实现的特点。
从整个的经济效益方面分析,不仅产出巨大,而且可以大幅度的降低风力发电机的制造成本,比如“千万千瓦级规模的风电场”如果采用并网模式大概得投入1000亿元,而采用制氢模式时,仅机组的制造成本就可以降低到300亿元甚至更少,更何况管理运行费用也比并网模式低得多,何乐不为呢?
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。
更有意义的是切实的达到了大量减少二氧化碳的目的,从能源总量上看,利用取之不尽用之不竭的大规模风能转化为氢能源,同样是利用取之不尽用之不竭的大量海水,海水在能量的转换中扮演了能量转换的中间角色,进行了大量能源的转换,尤其是氢能源有可储存、可调节的特点,很方便人们的使用,使用后又复原为水(还是纯水),可以继续在风电的电解下进行下一个循环、分解、利用,这才是真正的取之不尽用之不竭的可循环往复的可持续发展的干净能源,将造福于全人类。
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2005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:
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“863”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能,向电池充电,以电力驱动汽车行驶。
据悉,积极推动可再生能源发展已成为世界共识。在以氢为能源的“氢经济”时代中,氢燃料汽车必将扮演十分重要的角色。目前,世界各国都非常重视氢动力的开发。世界主要汽车公司都在氢动力方面做出探索,德国宝马汽车公司投资近20亿欧元,开发出六代氢内燃机,目前已经具备批量生产氢内燃机汽车的能力,福特、克莱斯勒都推出了氢内燃机车辆,马自达汽车公司研制的氢燃料转子内燃机已具备产业化能力。    早在2005年,长安就开始氢内燃机的研究,并正式获得国家“863”计划立项。长安汽车集团总裁徐留平表示,长安氢内燃机的成功点火,标志着长安的氢内燃机技术已达到国际先进水平,长安汽车坚持自主创新又取得了新的成果,更重要的是,将对中国汽车工业新能源的开发利用和中国节能环保事业的发展起到积极的推动作用。
 
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。
后语:

总之,利用大规模、数量巨大的风电,进行大规模的风电制氢,同时进行氢能源广泛使用的行动,使氢能源时代早日来临,是大量减排二氧化碳的根本方法,是从根本上解决能源危机的方式之一,也是从根本上走出能源困局的光明大道。

 

 

 


此篇文章是笔者根据自己多年来的工作经验和对风能的特别关注的情况下写的,希望能够引起各个方面的关注,进一步做好风能利用这个大项目,不足之处欢迎批评指正。
撰写人:全国高科技农业循环产业发展中心 能源技术顾问
        北京绿达源科技有限公司 能源技术顾问
        甘肃省老科协咨询服务部、环保能源分会理事
         兰州利国电子有限责任公司 技术开发部
             高级工程师    郑尔历

                              二〇一〇年二月二十二日

 

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