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划重点氢储能系统关键技术介绍!
2021/8/2 11:34:33

划重点氢储能系统关键技术介绍,在可再生能源高占比的电力系统中,弃风弃光问题随着风电、光伏装机总容量的不断增加而日益突出。由于风电、光伏出力的预测准确程度有限,其出力随机性会对电网造成一定冲击。氢储能系统可利用新能源出力富余的电能进行制氢,储存起来或供下游产业使用;当电力系统负荷增大时,储存起来的氢能可利用燃料电池进行发电回馈电网,且此过程清洁高效、生产灵活。

当前氢储能系统的关键技术主要包含制氢、储运氢和燃料电池技术3个方面:

1、制氢
利用可再生能源发电制氢是氢能制备的重要途径,制氢成本约为1.1~2.2元/m3,对比煤制氢0.69~1.18元/m3和天然气制氢0.8~1.7元/m3,优势并不明显,但因其为“绿氢”,综合价值较高。
目前电解水制氢主要分为碱水电解、固体氧化物电解和PEM(ProtonExchangeMembrane,简称PEM)纯水电解技术3种。其中,碱水电解制氢发展成熟、商业化程度高、成本较低,是可再生能源制氢项目的首选方式。河北沽源风电制氢项目(200MW风电、10MW制氢)的建成、吉林舍力风光制氢储能示范项目(50MW风电、1MW制氢和1MW/(MW·h)储能)的核准批复均对提高可再生能源消纳、促进氢储能系统发展起到引领促进作用。未来随着可再生能源规模化装机及电解水能源转换效率的提高,“绿氢”制造成本会呈现持续下降趋势。
2、储运氢
储运氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁,至关重要。可通过氢化物的生成与分解储氢,或者基于物理吸附过程储氢。储氢方式比较如表2所示。

氢能源具有质量能量密度大但体积能量密度小的特点,制约其储运技术发展的关键在于兼顾安全、经济的前提下,提高氢气的能量密度。综合表 2 及当前行业情况分析,高压气态储氢技术成熟、成本较低、应用最多,但并非最佳方案。有机液态储氢凭借其安全性、便利性及高密度的特点,具有较大发展潜力,是当前研究的重要方向。此外,基于我国现有的天然气管道进行氢气的传输是否可行,也是值得探讨的课题。
3、燃料电池
燃料电池通过电化学反应将氢气的化学能直接转化为电能,清洁无污染,能量转化效率高,是氢能源的最佳利用方式,在全球范围内具有广阔的应用前景。2009—2018 年全球燃料电池出货量统计如图 2 所示,由图可见出货量统计数据增势明显。燃料电池类型主要包括碱性电解质、质子交换膜、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池,区别在于电解质和工作环境温度不同,适合的应用场景也有差异。

各类型燃料电池相比较,质子交换膜燃料电池发电效率为 40%~50%,启动快,比功率高,结构简单,处于商业化前沿,在可再生能源领域的氢储能系统中应用较多。固体氧化物燃料电池发电效率为55%~65%,余热利用价值高,热电联供效率高,但运行温度高,启动速度较慢,适用于热电联供模式。近年来我国氢能燃料电池技术整体上取得了长足发展,但存在主要部件依赖进口、电堆和系统可靠性需提高、标准体系需健全完善等问题,仍是制约氢储能系统发展的关键因素。


氢储能系统在电力行业中的应用:
风电、光伏等可再生能源已成为我国新增电力的主力,新增装机容量及累计装机容量均排名世界第一,清洁能源替代作用日益显现。氢储能系统在电力系统中与能源供给侧配合、与分布式能源发电和电网发展相结合,可减少新能源出力不稳定等问题,其应用价值愈加突出。
1、可再生能源高占比电力系统应用模式
如截至 2019 年底,张家口市可再生能源发电总装机容量达 1500 万 kW,占区域内全部发电装机容量的 70% 以上,预计 2030 年实现零碳排放,形成以可再生能源为主的能源供应体系。在此种可再生能源高占比的电力系统中,风电、光伏的出力不确定性对电网安全稳定运行造成一定影响,将氢储能系统作为消纳高比例可再生能源的重要载体是可行的。
风电、光伏出力受限时,利用富余的可再生能源进行制氢,并作为备用能源储存下来;在负荷高峰期发电并网,提高新能源的消纳能力,减少弃风、弃光,增强电网可调度能力并确保电网安全。未来随着规模化的氢储能系统的应用,可利用储氢实现跨季调峰等应用。
此外,利用大规模不可控的可再生能源来制氢是完全清洁无污染的,是真正意义的“绿氢”,同时可为煤化工和石油化工提供洁净的原料氢,减少二氧化碳的排放,对于我国实现碳中和的目标是有利的。
2、区域综合能源系统应用模式
氢储能系统具有可长期存储、能量密度高等优势,将其作为一种电能存储方案进行推广利用,进而解决区域电源和负荷的匹配问题,可一定程度上延缓较为偏远地区微电网的电力设备投资。例如英国的柯克沃尔小镇氢能生态社区,因其位置相对偏远,小镇利用弃风和潮汐发电进行制氢,再通过燃料电池为汽车、船舶提供动力,并实现热电联供。
3、热电联供应用模式
利用氢燃料电池为建筑、社区等供热,并作为备用电源,与电力、热力等能源品种实现互联互补,提高能源利用效率。虽然与应用较多的供热锅炉相比,此模式优势不够明显,但能够将供热方式从热电厂集中供热向分布式供热转变,可以解决热力管网、电网等基础设施建设的高额投资问题,是一种值得研究的发展思路。此外,在满足供热需求的同时,也可承担部分负荷进行供电。如日本自2009年开始推广家用燃料电池热电联供系统,普通家庭 40%~60% 的能源消耗可由此系统供给,商业化应用推广较为成功。
4、能源互联网应用模式
能源互联网是充分将互联网思想和能源产、输、储、用各环节以及能源市场深度融合的发展新形态。氢能源低碳、环保,能促进可再生能源利用,无额外环境负担,可作为能源互联媒介实现跨能源网络的协同优化。
5、氢燃料电池汽车应用模式
到 2030 年,我国燃料电池汽车保有量预计将达到 200万辆。利用可再生能源发电制造“绿氢”,可将富余氢能源供给氢燃料电池汽车使用,既促进了可再生能源与氢储能系统协同发展,又实现了汽车绿色环保零排放。通过氢能源交通的布局发展,推动燃料电池关键材料、核心零部件国产化,促进氢能源产业链快速发展。

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