德国MERS多能互补示范项目——氢在综合能源系统里的“花式利用”

编者按：

“MEKS“是施普伦贝格多能互补集成发电系统（Multi-Energie-Kraftwerk Sperenberg）的缩写，项目坐落于德国东部小市阿姆梅伦塞的小镇施普伦贝格。该示范项目最重要的目的是为了通过具体场景实证氢能源在综合能源系统里面充当灵活性资源的有效性和可行性，并搜集更具体的数据资料，以期望氢可以在更广泛的场景中得到利用，平衡风电、光伏等资源带来的波动性。在整个项目构思中，一方面利用了先进的数字化系统智能系统，将风力发电和光伏所发电量实时馈入电网；另一方面通过电解氢等方式将多余的电量储存起来等到需要的时候再利用，或着与当地小型燃气轮机电厂产生的二氧化碳结合生成甲烷直接馈入当地天然气管道，同时，氢气也可以直接开发成氢燃料电池车，与电动汽车一起调节电网波动性。这三种技术路线的探索为调节电网波动性提供了新的解决思路，同时又带了新的发展契机。

何继江

多能互补是指按照不同资源条件和用能对象，采取多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾，合理保护和利用自然资源，同时获得较好的环境效益的用能方式。多能互补优点众多，包含了多种能源形式，构成丰富的供能结构体系，且多种能源之间相互补充和梯级利用。目前在欧洲已存在多个成功的示范项目，Meks就是其中之一。

一、为什么选择施普伦贝格 

        施普伦贝格地方虽小，但却拥有丰富的可再生能源资源。MEKS是曾经的一处军事基地，拥有完备的基础设施，附近有众多高中压变电站。建成的可再生能源电力系统，能够利用现有设施，按照需求方便的接入超高压、高压及中低压网络。同时，该地区靠近德国铁路的电网节点和德国燃气网络节点，为该系统的可再生能源消纳提供了保障。此外，离该地区不远处的小镇Thyrow（9公里）早已建有燃气轮机机组和管道储气系统，这些现有的基础设施，都为该项目提供了良好的先决条件。MEKS则为周边地区提供了经济发展和优化基础设施和连接的可能性。

二、MEKS系统里有些什么

电力网络基础设施：项目建有内部电力网络（中压布线），内部变电站（260MW）和110 kV内部高压线路（地线），附近有现成的中高压变电站，通过当地现有的变电站，可将系统方便地连接到公共网络的高电压电网。

风力发电场： 该项目建有风力发电场，风力发电机数量多达45台，这些风机皆采用了最新风力发电技术，每台发电机功率约为3-4 MW，可为12万户家庭提供足够的电量。

光伏发电场：该光伏发电场也采用了最新的光伏发电技术，面积辽阔，所发电量可供2.5万户家庭使用。

气体管道及储气装置：通过气体运输管道，可将制得的氢气送入燃气网供市政供热。或通过储气装置将氢气储存，供燃气轮机使用。

电解制氢装置：模块化5MW电解系统，可利用剩余的可再生电力生产绿色氢气，可结合燃气轮机，调节电网频率。

燃气轮机机组：该机组设备可作为氢气适配燃气轮机相关研究。此外，该燃气轮机机组一方面可消纳制得的氢气，另一方面可参加电网调频服务。

三、MEKS作为多能源发展厂的优点和特点：

风光组合发电： 风光结合，在同一地区将风光两种新能源同时利用，大大提高了资源利用率

产电功率较为平均： 可实现风光互补，由于白天太阳能较为充足，风能相对匮乏；而晚上风能叫足，无太阳能，一天之内发电功率较为平均。同理，一年之内，夏季太阳能充足，风能匮乏；而冬季风能充足，太阳能匮乏，组合发电功率相比一种新能源发电更为平均，提高了发电可靠性，为新能源参与市场交易提供了基础。

同时，MEKS系统备有制氢储氢装置及燃气轮机机组，大大提高了新能源的最终利用效率。

MEKS项目作为一个全新的能源系统概念，不仅为当地能源系统换上了一副全新的面孔，在造福当地能源系统的同时，也作为了德国森夫滕贝格大学的重点研究对象。德国森夫滕贝格的大学力求通过该项目为德国能源转型提供能源解决方案，其研究重点有多个方面，包括：

• 提高风力发电及太阳能发电的利用效率及经济效益。

• 开发面向未来能源市场需求的研究型电厂。

• 通过整合优化多种可再生能源，提高电网稳定性和供应安全性

• 通过电解制氢的方法，提高电网稳定性

• 提高氢气生产效率，馈入当地热网

• 提供环保的运输能源

四、氢能源反馈系统的探索

        MEKS项目在充分利用当地可再生能源打造零碳能源供应链的同时，也为整个系统设计融入了以氢为核心元素的反馈系统，同时氢电解系统与燃气轮机装置和当地天然气网络的配合使用又大大增强了氢——电——热之间的互动关系，从而增强了整个能源网络的稳定性。

该系统作为德国森夫滕贝格大学的重点研究对象，其目的是为德国能源转型提供能源解决方案，而在开发该项目过程中提出的多能源电厂的概念和实践也进一步为综合能源系统的开发和运用提供了基础支撑。

整个项目重点探讨的内容主要是：

• 探讨氢能源反馈系统对可再生能源系统（尤其是风力发电）的利用效率及经济效益的作用边际。
  

• 探讨优化多能源系统对电网稳定性和供应安全性的实质影响

氢储能系统对风电场及电网的平抑作用

上面四幅图分别对比了12MW电解装置和6MW电解装置对120MW风电场运行的平抑作用。表明，越是在风电场利用小时数减少的情况下，电解装置的满满负荷小时数越高，其经济性也大大提升，12MW电解装置在风电功率为0—36MW区间段的满负荷小时数占到了61%，而年均份额达到了42%。这说明在电解装置在风资源过剩的地区具有很好的利用效果。

这幅图对比了三种场景（1.基本电力系统的场景  2 10MWPV+10MW Wind+没有电解装置的场景 3 10MW PV+10MW Wind+ 5WM 电解装置），从2014年6月22日下午四点到凌晨的整个电网波动中可以看出，电解装置可以在15分钟内对电网进行调节，使电网迅速恢复到稳定状态。

上面四幅图显示了5MW的电解装置在整个MESK项目中一方面大大提高了当地配电网的稳定性，也同时减少了变压器的利用率，降低了整个系统的成本。

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公众号简介

推进能源革命，建设能源互联网，普及绿能，淘汰碳能。

这是何继江的个人微信公众号。也发布志同道合者的原创文章。

何继江：博士，副研究员。

清华大学能源互联网创新研究院政策发展研究室主任。

国家发改委等三部委《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》文件起草工作组成员、《国家能源局关于组织实施“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目的通知》文件起草工作组成员，对《可再生能源发展“十三五”规划》亦有贡献。

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