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凭借氢解决可再生能源的输出变动问题

2019/10/16 13:52:202347

据日经技术在线报道：日本和欧盟各国在积极引进光伏发电及风力发电等可再生能源。这些容易受天气影响的电力并入系统电网时，导致电网不稳定的问题日益明显。为了解决这个问题，业界讨论了蓄电池、智能电网等多种方法，最近，氢基础设施也作为一种强有力的手段成为候选。法国科西嘉岛2012年启动了“MYRTE（Mission hYdrogene Renouvelable pour l’inTegration au reseau Electrique：以并网为目的的可再生氢任务）”项目，该项目将光伏发电和储氢技术组合起来，目的是使光伏发电的电力变动平均化，从而顺利并入电网。 MYRTE项目由科西嘉大学主导实施，该项目的目标是使源自可再生能源的不稳定电力占到电网中电量的30％以上。该项目在技术和资金方面得到了法国阿海珐（Areva）公司的协助。 MYRTE项目共设置了560kW的太阳能电池板，利用其剩余电力，用50kW的电解装置将水分解成氢气和氧气，分别储存在储气罐中(图1、图2)。电池板与15000V的电网联动，在需要电力时，向100kW的PEFC（Polymer Electrolyte Fuel Cell：高分子固体电解质型）系统提供氢和氧进行发电。电解和燃料电池发电时的废热作为温水回收，储藏在温水罐中。

图1：输出功率为560kW的太阳能电池板

图2：储氢罐和储氧罐使光伏发电的电力变动平均化的过程如下：提前一天向为科西嘉岛供电的法国电力公司（Electricite de France，EDF）提供光伏发电以及向电网供电的预测数据。一般是根据天气预报和过去的实际数值等预测光伏发电的输出功率，向EDF提供利用水电解装置和燃料电池进行了平均化的供应电力的输出预测数据。 利用电解装置和燃料电池实现平均化 在当天的运行中，以向EDF提出的并网供电预测曲线为基准，当实际发电量高于预测曲线时，利用高出的剩余电力电解水制造氢和氧，储存在储藏罐中。反之，当实际发电量低于预测曲线时，则利用储藏罐中储存的氢和氧，通过燃料电池发电，然后提供给系统电网。下面以当天是晴天的2013年7月16日的数据为基础，来看一下运行情况。前一天向EDF提出的平均化和梯形化后的并网供电量的预测曲线为图3的红线。

图3：使光伏发电的电力变动平均化后提供给系统电网的模式 2013年7月16日的案例。红色梯形图是前一天提供给EDF的数据。淡蓝色曲线是当天的太阳能输出，深蓝色的输出是利用电解装置或燃料电池进行了平均化的实际供电曲线当天的光伏发电输出曲线为淡蓝色，早上7点左右开始发电，之后发电量逐渐增加，到正午前后达到峰值，然后逐渐降低，到晚上7点左右停止发电。这一天的天气比预想的要好，发电量基本都高于预测曲线。因此，利用剩余电力来电解水，实际并入电网的电力曲线为图中深蓝色的线。虽然多少还有些变动，但基本接近预测曲线，Poggi认为，平均化的验证正在按计划推进。今后打算进一步改进平均化过程，并把这种方法应用于实际业务中。 解决太阳能的剩余电力 在日本，随着光伏发电等的大量导入，在春季和秋季的假日等电力需求较低的时期，会有大量的剩余电力流入系统电网，这个问题越来越严重。为解决这个问题，开始探讨利用氢基础设施相关事宜。在“北九州智能社区创造事业”中，岩谷产业公司在东田地区的老年人护理设施“爱香苑”中设置了每小时可产生2Nm³（标准状态的气体体积）氢气的水电解装置、储氢罐以及额定输出功率为4kW的燃料电池，于2013年度启动了验证实验。通过与CEMS（地区能源管理系统）进行联动控制，在当地电力有剩余时，将剩余电力转换成氢储藏起来，在需求增加时则利用燃料电池供电，目的是为地区的电力供需调整做出贡献。 应对价格变动 北九州的这个项目实施了“动态定价”，即根据地区的电力供需情况改变电力价格。在2013年秋季的假日里，启动了在需求骤降的日子降低价格以促进需求的“CBP（Critical Bottom Pricing）”。岩谷产业为应对价格骤变，开发出了可自动切换运行模式的控制软件。由于CBP启动后价格会降低，因此立即由运行燃料电池切换为运行水电解装置，制造氢气并储藏起来。这种方法不但能使系统稳定，还有望促使消费者有效利用低价电力，享受到成本优势。岩谷产业今后将进一步追求成本优势，并探讨对消费者有利的使用方法。 通过调整燃料电池输出为供求稳定做贡献 此外，北九州项目在2013年度还利用设置在北九州市生命之旅博物馆中的100kW的磷酸型燃料电池开展了验证实验（图4）。具体来说就是与CEMS和EMS（大厦能源管理系统）联动，当地区内的电力需求较大时提高燃料电池的输出功率，使之高于平时的输出，从而为地区的电力供需稳定做出贡献。

图4：北九州市生命之旅博物馆中设置的100kW的磷酸型燃料电池

磷酸型燃料电池的额定输出功率为105kW，不过平时只以35％的输出功率运转，当电力需求紧迫时，根据CEMS发出的信号，提高到100％运转。此次对这种运转模式进行了验证。

北九州通过这些实证项目逐步确认，燃料电池和氢基础设施完全有可能为地区的电力供需稳定和二氧化碳的削减做出贡献。