我国可再生能源及可再生能源制氢发展概况

宋时莉　李黎明　赵宇　朱艳兵

摘要：化石燃料的大量使用已引起全球气候变暖、局部地区气候异常、极端天气等问题。我国提出将在未来的能源发展中实施绿色低碳战略，目标之一是到2020年，非化石能源占一次能源消费比达到15%。为实现该目标，必须进行的一项任务就是优化能源结构，积极发展清洁可再生能源。本文对我国可再生能源的开发利用现状进行介绍，并对部分地区存在的弃风、弃光、弃水问题进行分析，最后介绍了水电解制氢在解决弃电问题中的应用，并展望其发展前景。

关键词：可再生能源；弃风；氢储能；风电制氢；水电解

自工业革命以来，全球化石燃料的大量使用已使全球大气中二氧化碳的含量增加了40%，由此引起的诸如全球气候变暖、局部地区气候异常、极端天气等问题逐渐变得严重，对人类经济和社会的发展带来了诸多不利影响。国际社会为了控制碳排放，将温室气体浓度控制在使气候系统免遭破坏的水平上，最新达成了应对气候变化的国际法律文本《巴黎协定》，该协定规定欧美发达国家继续率先减排并开展绝对量化减排，并为发展中国家提供资金支持，而中印等发展中国家应该根据自身情况提高减排目标，逐步实现绝对减排或者限排目标。中国作为负责任的发展中国家，在协定中承诺到2030年，单位国内GDP碳排放较2005年降低60%～65%。要实现《巴黎协定》规定的碳减排目标，必须减少化石燃料的使用量，转而开发应用清洁的可再生能源。

我国在2013年制定了《能源发展战略行动计划（20142020年）》，在该计划中，我国提出将在未来的能源发展中实施绿色低碳战略，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，到2020年，非化石能源占一次能源消費比达到15%。为实现该目标，必须进行的一项任务就是优化能源结构，积极发展清洁可再生能源。

目前，我国已开发的清洁能源主要有风能、太阳能、水能、核能、海洋能、地热能、生物质能等，其利用形式多是将其转化为电能，例如风力发电、太阳能发电、水力发电、核能发电等。相对来说，水电和核电比较稳定，可以直接并网使用，而风电和光电的波动性较大，并网输送会对电网造成冲击，引起电网的安全性等问题。这就导致了部分风电和光电因不能并网使用而被浪费，由此产生了弃电或垃圾电的说法。本文重点对我国风电、光电和水电的开发利用现状进行介绍，并对部分地区的弃风、弃光、弃水问题进行分析，最后介绍了水电解制氢在解决弃电问题中的应用，并展望其发展前景。

1 可再生能源发展概况

1.1 风电

风能是一种清洁可再生能源，进入本世纪后，我国逐渐加大风能资源的开发力度，全国风电装机容量和风力发电量逐年增加。据国家能源局统计[1]，2016年，全国风电保持健康发展势头，全年新增风电装机1930万千瓦，累计并网装机容量达到1.49亿千瓦，占全部发电装机容量的9%，全年风电发电量（上网电量）2410亿千瓦时，占全部发电量的4%。另外，2016年全国风电平均利用小时数为1742小时，比2015年增加14小时。

总体来看，我国风电主要分布在“三北”及东南沿海地区，这与我国风能资源的地域分布特点相吻合。但由于我国风电开发建设的高度集中，加之当地负荷水平低、外输电网建设落后以及电力公司体制机制等方面的原因，使得我国的风电并网和消纳一直存在较严重的弃风问题。据国家能源局统计，2016年全年的弃风电量为497亿千瓦时，同比增加158亿千瓦时，平均弃风率17.1%，同比增加2.1个百分点。图1为2016年我国部分省区市的风电并网运行统计数据，可以看出，全国弃风较为严重的地区是甘肃、新疆、吉林和内蒙古。另外，河北、山西、陕西、宁夏、辽宁、黑龙江等地也存在不同程度的弃风状况。

弃风意味着每年数以百亿计的财富流失，据测算2010年至2016年，全国因弃风损失的电量接近1500亿千瓦时，期间电费损失超700亿元人民币。根据国务院印发的《能源发展战略行动计划（20142020年）》，预计到“十三五”末，我国风电总装机容量可能达到2.5亿至2.8亿千瓦，若2.5亿千瓦的装机量有15%被“抛弃”，这意味着3750万千瓦装机被白白浪费，更意味着数以千亿计的财富打了水漂。因此，寻找有效解决弃风问题的科学方法已刻不容缓。

1.2 光电

除风能外，我国还大力开发利用太阳能。国家能源局统计[2]显示，2016年，我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量7742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。2016年，全年光伏发电量662亿千瓦时，约占我国全年总发电量的1%，就发电量而言我国已经是全球最大的太阳能发电国。在此基础上，我国还将继续扩大太阳能发电规模。国家能源局印发的《太阳能发展“十三五”规划》中提出，到2020年底，我国太阳能发电装机要达到1.1亿千瓦以上，其中光伏发电装机达到1.05亿千瓦以上，太阳能热发电装机达到500万千瓦，届时太阳能年利用量达到1.4亿吨标准煤以上。[3]

从地域方面来看，我国光伏发电呈现东中西部共同发展格局，其中，西部地区主要发展集中式光伏发电，新疆、甘肃、青海、宁夏的累计装机容量均超过500万千瓦，而中东部地区除集中式光伏发电外，还重点建设分布式光伏发电，江苏、浙江、山东、安徽的分布式光伏装机规模已超过100万千瓦。

我国光伏发电集中开发的西北地区也存在严重的弃光问题。根据中国光伏行业协会发布的报告，我国的弃光现象主要集中于西北的新疆、甘肃、青海、宁夏和陕西五省区。据统计，2016年，五省区光伏发电量287.17亿千瓦时，弃光电量70.42亿千瓦时，弃光率为19.81%，各省区光伏发电并网运行数据如表格所示。可以看出，新疆、甘肃光伏发电运行较为困难，弃光电量绝对值高，弃光率分别达到32.23%和30.45%。

1.3 水电

截止2016年底，全国水电装机容量累计已达3.2亿千瓦，2016全年水电发电量为10518亿千瓦时，约占全国发电总量的18%。西部、西南部和南部是我国水电主要分布地区，四川、湖北、云南、福建、广西、贵州、湖南、青海、甘肃、重庆等地的水电装机容量和发电量在全国排名前列，其中四川、湖北、云南三省的发电量占全国水电发电量的50%以上。

与风电光电类似，我国水电大规模开发的地区也是我国弃水问题较突出的地区。作为我国最大的水电生产基地，四川省的水电消纳矛盾日益突出，弃水电量连年大幅上扬，2016年全省弃水电量更是达到260亿千瓦时，较上年大增155%。云南的弃水情况同样严峻，初步统计全省2016年弃水电量也超过250亿千瓦时。随着《水电发展“十三五”规划（20162020年）》的实施，我国水电装机规模将继续增长，四川、云南及其它省份的弃水问题在“十三五”期间也将愈演愈烈。

2 水电解制氢在解决弃电问题中的实际应用

氢储能，是近年受德国等欧洲国家氢能综合利用项目影响提出的新概念，它是利用水电解制氢技术，使用多余的电能电解水制取氢气，从而将不能储存的电能转换为可以储存的氢能，再通过将制取的氢气供给燃料电池等用户使用，实现富余电能的转化、储存、再利用。氢储能示意图如图2所示。氢储能技术已被认为是解决弃电问题的最有效途径，目前我国和欧美国家均开展了广泛研究，并在部分地区建成了示范运行项目。

挪威在优特西拉岛建设了一套风力发电和氢气发电全面结合的供电系统，该系统利用多余的风电通过水电解技术制取氢气并储存起来，在风力太小时，燃料电池会利用储存的氢气生产必需的电力，从而保证孤岛居民获得稳定可靠的电力。[4]这套系统典型示范了氢储能及氢能分布式电站技术，有效解决了弃风问题，对此类项目的推广极具参考意义。另外，欧美国家的弃电制氢示范项目还包括德国意昂集团“Power to Gas”项目、丹麦“BioCat”项目、美国南加州气体公司Power to Gas（P2G）项目和法国“朱庇特1000”项目等，这些项目均是利用过剩的风电或光电驱动水电解制氢设备生产氢气，并将氢气储存起来，最后将生产的氢气用于燃料电池、天然气掺氢等。[5]通过这些弃电制氢项目，均有效解决了可再生能源开发中存在的弃电问题，提高了能源利用效率，避免产生新的浪费。

我国自2014年也加快了可再生能源制氢示范项目的建设。中国节能环保集团公司、河北建投新能源有限公司和金风科技股份有限公司在河北、吉林等地相继开展了风电制氢示范项目的建设工作。其中，中国节能环保集团公司风电制氢示范项目还得到国家863计划的支持，其项目名称为“风电耦合制/储氢燃料电池发电柔性微网系统开发及示范”，项目合作单位包括中国船舶重工集团公司第七一八研究所、浙江大学、同济大学、上海财经大学和武汉理工大学。本项目建立了一套风电制储氢与燃料电池集成系统，它是以风电作为电解水的电力来源，制取的氢气储存于氢气钢瓶，燃料电池再利用氢气产生电力供给下游用户使用。该项目为我国风能资源的有效利用提供了技术参考途径和相应工程示范。

此外，国家电网公司也在“十三五”规划中列入了氢储能技术，并将该技术认为是智能电网和可再生能源发电规模化发展的重要支撑，未来将成为多个国家能源科技创新和产业支持的焦点。国网智能电网研究院也于2014年启动了“氢储能关键技术及其在新能源接入中的应用研究”项目，正式介入可再生能源制氢领域。

3 水电解制氢解决弃电问题的展望

基于弃电制氢的重要意义，国家也积极制定顶层规划，推动此类项目的研究和应用。2016年，国家发改委、国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016～2030年）》中，将氢能与燃料电池技术创新作为未来我国能源技术发展的重点任务之一，明确提出了研究基于可再生能源及先进核能的制氢技术，实现大规模、低成本氢气的制取。在技术应用推广上，国家对于可再生能源制氢和氢能综合利用的重视程度也在不断提高，国家能源局多次强调要加快推进风电制氢的示范工作，进一步积累经验。可以确信，在国家的大力支持下，弃电制氢将逐渐成为可再生能源开发的重要支撑技术，对解决弃风、弃光和弃水问题将起到决定性作用。

参考文献：

[1]国家能源局.2016年风电并网运行情况[EB/OL].

[2]国家能源局.2016年光伏发电统计信息[EB/OL].

[3]國家能源局.太阳能发展“十三五”规划[EB/OL].

[4]M. Korpas，C.J.Greiner.Opportunities for hydrogen production in connection with wind power in weak grids [J].Renewable Energy，2008，33（6）：11991208.

[5]蔡国伟，孔令国，薛玉，等.风氢耦合发电技术研究综述[J].电力系统自动化，2014，38（21）：127135.

References：

[1]National Energy Administration，The situation of wind power grid connected operation in 2016 in China [EB/OL].

[2]National Energy Administration，The information of photovoltaic power generation in 2016 in China [EB/OL].

[3]National Energy Administration， The solar energy development planning in "the 13th FiveYear" [EB/OL].

[4]M. Korpas，C.J.Greiner.Opportunities for hydrogen production in connection with wind power in weak grids [J].Renewable Energy，2008，33（6）：11991208.

[5]Cai Guowei，Kong Lingguo，Xue Yu， et al. Overview of Research on Wind Power Coupled with Hydrogen Production Technology [J].Power System Automation，2014，38（21）：127135.

作者简介：宋时莉（1989），女，硕士，助理工程师，2014年毕业于太原理工大学机械工程专业，现主要从事水电解制氢装置研发工作。