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關于酒泉風電場電力制氫可行性的探討

2010-07-15 來源:蘭州利國電子有限責任公司 技術(shù)開發(fā)部 瀏覽數(shù):3129

    拿現(xiàn)在已經(jīng)規(guī)劃和建設中的三個國內(nèi)最大的“千萬千瓦級風電場”來說,都是在極度缺水的地區(qū)(一個在甘肅酒泉兩個在內(nèi)蒙),平坦的地形(風能資源好的地方都是平坦的地形、地貌),也沒有落差高的地形環(huán)境,所以不能應用“抽水儲能”方式調(diào)控風電,我們認為“抽水儲能”方式調(diào)控風電只能夠小規(guī)模的、在特殊的有條件的地區(qū)才行。
    使用蓄電池怎樣呢?鉛酸電池肯定不行,沒有這么大的功率容量,并且價格特別貴,大量的使用還有鉛污染問題:鎳氫電池與鋰離子電池受限于這兩種元素的數(shù)量限制(全球的儲量也是不多的)和特別昂貴的價格的限制,也不能夠采用;最近還有全釩氧化還原液流電池在研發(fā)中,但是多次還原過程中的離子膜污染問題也一直沒有很好解決,要達到實用的程度還要相當長的時間,商業(yè)化的應用究竟會不會影響到環(huán)境還是未知數(shù)。
    其它的儲能方式,如壓縮空氣儲能;飛輪儲能等等都因為效率太低、容量太小,也是不能使用的。
    2.3:其實轉(zhuǎn)變思路,利用風電進行大規(guī)模制氫,走“氫能源”方式,不一定非走“風電上網(wǎng)”這一條路,問題即可迎刃而解,通過我們的分析和計算,可以發(fā)現(xiàn)在“并網(wǎng)方式疑無路時,更有柳暗花明又一村”的美好前景。
    人類使用能源方式除了碳能源的方式即現(xiàn)在大量使用的化石能源方式外還有氫能源方式,這是一種最干凈的,可以循環(huán)的可大規(guī)模利用的能源方式。將水進行電解就可以得到氫和氧兩種氣體,一公斤水完全電解后可以得到1立方米氫氣和0.45立方米氧氣還有0.03公斤的固體物(拿海水來說固體物就是海鹽)。
    這種技術(shù)是很成熟的技術(shù),以前總認為需要消耗大量的電力,以前的技術(shù)水平是要消耗5度電才能夠電解出1立方米氫氣,最近的報道有電解產(chǎn)氫氣一立方米只需要2.51度電能的新技術(shù)問世,繼續(xù)進行電解技術(shù)研發(fā),還可以降低耗電量。
    如果我們改變思維,利用大規(guī)模的風電進行大規(guī)模的電解水制氫,會得到大量的最干凈的能源——氫氣和氧氣。
    有了風電制氫產(chǎn)生的這些氫氣能源(數(shù)量巨大),我們就能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的能量儲存(指儲存氫氣和氧氣),既可以解決現(xiàn)在模式的風電并網(wǎng)難題(利用氫氣能源替代傳統(tǒng)的煤炭能源發(fā)電并網(wǎng)或者是使用燃氣輪機發(fā)電并網(wǎng)),又能夠直接利用將氫能源利用在其它許多方面,如工業(yè)上的煉鎢和煉鉬都需要大量的氫氣,移動的交通工具(汽車、火車、輪船甚至飛機都可以使用氫氣能源,生活中的炊事、取暖等都能夠使用。
    地球上有70%的面積是水,作為一種能量的轉(zhuǎn)換物質(zhì)(載體),可以說是取之不盡、用之不竭也是目前所知最廉價的物質(zhì),風電在這里只是起到了一種能量的轉(zhuǎn)換作用,還是可以循環(huán)往復利用的綠色能源。
    將巨大的風能資源,通過風力發(fā)電→電解水→制氫制氧→氫氣能源→發(fā)電、制熱、炊事、取暖、交通工具使用等過程后又變成了水,這些水返回到大自然的水系統(tǒng)循環(huán)中為下一次的能量轉(zhuǎn)換循環(huán)中再利用
    電解水制氫的同時還可以得到大量的氧氣,這也是生產(chǎn)和生活中必不可少的一種寶貴資源,煉鋼時就需要大量的氧氣、金屬加工中的切割、焊接等方面都需要大量的氧氣,氧氣在醫(yī)療方面已經(jīng)越來越使用的廣泛,而電解水產(chǎn)生的氧氣(含氫氣)是質(zhì)量最高的。
    2.4:經(jīng)濟效益分析
    氫氣燃燒熱值很高,除核燃料外,氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,為142351kJ/kg(32352大卡/kg),是汽油發(fā)熱值的3倍。
    氫氣的比重小,純氫的密度僅為空氣的1/14,為0.0899g/L。
    1立方米(合1000升)氫氣重89.9g,熱值為12797.355kJ(2956大卡)。
    1公斤水電解后不但可以得到1立方米的氫氣并且還可以得到0.45立方米的氧氣和0.03公斤的固體物。
    拿千萬千瓦級風電場來說,1小時就是1千萬度電(按設計指標計算),用2.5度電能產(chǎn)生1立方米氫氣,就可以得到4百萬立方米氫氣。
    1000萬度電/2.5度=400萬立方米氫氣。
    1立方米氫氣的熱值是2956大卡,標煤的熱值是7000大卡,大約2.36立方米氫氣的熱值相當于1公斤標煤的熱值。
    7000大卡/2956大卡=2.36(倍)
    拿400萬立方米氫氣除2.36得1694915.2公斤標煤(我國是按煤當量“標煤”計算熱值的),大約相當于1700噸標煤的熱值能量。
    市場上的優(yōu)質(zhì)煤炭熱值一般是5500大卡計算。
    5500大卡/2956大卡=1.86(倍)。
    400萬立方米氫氣/1.86=2750537.6公斤。大約相當于2750噸普通優(yōu)質(zhì)煤炭。
    即相當于2750噸優(yōu)質(zhì)煤炭的能量,也就是說“千萬千瓦級的風電場”1小時所發(fā)出的電力進行風電制氫模式,就能夠產(chǎn)生近3000噸優(yōu)質(zhì)煤炭的熱值能量,1天24小時就能夠產(chǎn)生:
    3000噸X24小時=72000噸優(yōu)質(zhì)煤炭的能量。
    相當于72000噸優(yōu)質(zhì)煤炭熱值能量的氫氣能量,不可否認,風電因為時大時小,時有時無,不能按每天的全部時間計算,這里只按每天1/3的實際使用時間計算,每天也有24000噸優(yōu)質(zhì)煤炭熱值的氫氣能量,一年就是8760000噸優(yōu)質(zhì)煤炭能量(2萬4千噸乘以365天),即相當于876萬噸優(yōu)質(zhì)煤炭能量。
    這些氫能源是能夠儲存的,可以在需要的時候用來替代傳統(tǒng)的煤炭進行發(fā)電(最成熟的技術(shù)),產(chǎn)生的電力在電網(wǎng)高峰需要時大量的并入電網(wǎng)(這是高質(zhì)量的特別平穩(wěn)、可調(diào)、可控的電流,是電網(wǎng)十分歡迎和笑納的高質(zhì)量電能),得到良好的經(jīng)濟效益,又可以在電網(wǎng)低谷時脫離電網(wǎng),將氫氣給大量的使用氫能源的汽車、火車、飛機、輪船等移動交通工具加氫氣能源,立馬就變成實實在在的真金白銀收入,或者是通過管道方式輸送到城市、居民點,提供給千千萬萬的家庭生活使用,更可以源源不斷的供應煉鋼、煉鎢、煉鉬、醫(yī)療或者是軍工企業(yè)使用。
    電解制氫的同時除產(chǎn)生單項的純氫氣外,還有純氧氣產(chǎn)生(電解水方式產(chǎn)生的是純氫氣和純氧氣,是質(zhì)量最高的),每產(chǎn)生1立方米氫氣,同時就可以產(chǎn)生0.45立方米氧氣,在產(chǎn)生400萬立方米氫氣的同時還產(chǎn)生160萬立方米的氧氣。
    400萬立方米X0.45=160萬立方米。
    這些氧氣是也是可以直接賣的商品,大量的機械加工企業(yè)的鋼鐵切割和有色金屬的焊接就需要大量的氧氣,其它在醫(yī)療衛(wèi)生、化工還原、污水處理方面都需要大量的氧氣,即便是在“高效燃料電池”(指非傳統(tǒng)的利用純氫、純氧工作的燃料電池)工作時也需要大量的氧氣。
    此外,在電解水時還可以回收大量的熱能,這是因為電解的過程中,會有一部分能量變成熱能,這些熱量可以通過熱交換器置換出來,既提高了電解的效率,又得到數(shù)量很大的熱能,冬季可以取暖、供魚池加溫等,夏季可以為洗浴提供熱能等,用途是十分廣泛的,總之是一種很有價值的能源,也是風電制氫、制氧同時的副產(chǎn)品,有實在而直接的經(jīng)濟效益。
    電解水制氫的過程中也是對水的濃縮過程,拿海水來說,其含鹽量是3%,1公斤海水中含鹽30克,每小時制氫4百萬方米時需要消耗海水約4百萬公斤合4000噸海水,每噸海水中含鹽300公斤,就算是只提煉出來一半,也是150公斤,4000噸乘以150公斤等于60萬公斤=600噸(1小時的產(chǎn)量)按1/3計算也有200噸的純鹽,這又是一種伴隨著制氫過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,都是利用風電產(chǎn)生的,有實際價值的產(chǎn)品。
    所以說風電制氫并不是僅僅提供一種能源,而是不但提供了大量的氫能源,還提供和產(chǎn)出多種有直接經(jīng)濟效益的產(chǎn)品和大幅度的降低了風力發(fā)電機組的制造成本,這樣計算經(jīng)濟效益才比較客觀,所以從這種模式的經(jīng)濟效益方面分析并不是大賠錢的生意,而是有很好的經(jīng)濟效益和很好的環(huán)保效益的好模式。
    2.5:單臺風力發(fā)電機組的效益分析(1000千瓦機組標準)
    我們再來看看單臺風力發(fā)電機組的情況,實際上風電機組的投入就是風力發(fā)電機組制作成本,只要豎起塔架,安裝好風機就可以收集風中的能量,將其轉(zhuǎn)化為源源不斷的電力,在平均20年的設備折舊的成本分攤中,每度電的價格是極低的,下面試分析1000千瓦的風力發(fā)電機的度電成本:
    假設:1000千瓦機組成本是300萬元(制氫專用機組,并非并網(wǎng)機組,見《風電制氫—率先創(chuàng)新氫能源時代》一文中的介紹)。
    20年分攤300萬元,為每年15萬元,每月為1.25萬元(15/12個月)。
    而其發(fā)電量每小時1000度(按滿發(fā)計算)每天就是:
    24小時×1000千瓦=24000度電。
    30天(1個月)×24000度電=720000度電。
    用720000度電除以1.25萬元;
    720000度電/12500元=57.6度電/元。
    即1元錢可以生產(chǎn)出57.6度電!
    實際上風力發(fā)電機不可能天天在轉(zhuǎn)而且風能又是時大時小的,保守的計算只能是每月只有1/3的時間在正常工作,那也是1元錢可以生產(chǎn)出19.2度電(57.6/3=19.2)。
    一元線的投入可以產(chǎn)生出19.2度電,那么每度電價格僅:
    100分錢/19.2度電=5.2分錢/度電。
    每度電僅為:5.2分錢!
    通過計算我們可以知道,風電確實是最便宜的電能!
    當然還得加上氫氣的電解設備、存儲設備、灌裝設備等,每立方米的氫氣制造成本怎么也不會超過3角錢(按3度電生產(chǎn)出一立方米氫氣,只有15.6分錢)。
    那么利用這樣便宜的電能進行氫氣的生產(chǎn),不用多說任何人都知道是“一本萬利”的事,況且風能又是“取之不盡用之不竭”的,更不必擔心枯竭問題,良好的環(huán)保效益更是“節(jié)能減排”的最好方式。
    2.6:1000千瓦單臺風電機組制氫的實際收益:
    1000千瓦的風力發(fā)電機組按標準發(fā)電量是每小時1000度電(千瓦/時),每天是24000度電,1個月(按30天計算)是720000度電,我們有了720000度電(一個月的風電量),就可以生產(chǎn)出288000立方米的氫氣(按每立方米氫氣耗電2.5度計算),按每瓶裝入6立方米計算(現(xiàn)在市場的標準氫氣瓶,壓力是150公斤/平方厘米,容積是40L氫氣鋼瓶):
    288000立方米氫氣/6立方米容量=48000瓶氫氣(每瓶裝入6立方米氫氣);
    電解氫氣每瓶價格為120元:(2010年4月份價格)
    120元×48000瓶=5760000元(576萬元);

【延伸閱讀】

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閱讀上文 >> 被動“走出去”:中國風電企業(yè)出海
閱讀下文 >> 臺灣碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)淺談

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