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CIES2024|| 云南电科院郑欣:氢能在可再生能源存储和综合利用中的应用

来源: 聚展网 2024-04-16 16:32:24 75 分类: 气象资讯

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数字储能网讯: 3 10-13 日,由工业和信息化部节能与综合利用司指导,中国化学与物理电源行业协会主办并联合 500 余家机构共同支持的第十四届中国国际储能大会暨展览会(简称“ CIES ”)在杭州国际博览中心召开。

CIES 大会以“共建储能生态链,共创储能新发展”为主题,针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨,分享可持续发展政策机制、资本市场、国际市场、成本疏导、智能化系统集成技术、供应链体系、商业模式、技术标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和深化应用。

来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的 2011 余家产业链供应链企业, 53417 位线上注册嘉宾将参加本届 CIES 大会,储能网视频号线上直播 11 万人参与观看与交流。其中 300 余家企业集中展示了储能产品,涵盖系统集成、电芯、 PCS BMS 、集装箱、消防、检测认证、飞轮储能、液流电池、熔盐储热、压缩空气储能等新型储能全产业链。

3 11 日上午, 云南电网有限责任公司电力科学研究院技术专家郑欣 受邀在”双碳与新型电力系统暨南网储能与可再生能源专场”分享主题报告,报告题目为《 氢能在可再生能源存储和综合利用中的应用 》。以下为报告主要内容:

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郑欣 :大家中午好!我的演讲内容分为以下几部分:

一、氢能与可再生能源融合的发展背景

2021 年习总书记在中共中央政治局第三十六次集体学习时强调:要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置,积极有序发展氢能源、可再生能源。 2022 年国家发改委、 能源局发布了《“十四五”现代能源体系规划》,提出强化储能、氢能等前沿科技攻关。着力攻克可再生能源制氢和氢能储运、应用及燃料电池等核心技术。开展高效可再生能源氢气制备、储运、应用和燃料电池等关键技术攻关及多元化示范应用。在可再生能源消纳、电网调峰等场景示范应用。氢能、电能、热能等异质能源互联互通示范。将绿色能源与氢能结合,是实现氢能全过程零碳化,促进可再生能源储存消纳,支持“双碳”和新型电力系统实现的重要路径。

二、氢能和可再生能源融合的要求

可再生能源目前最主要的利用形式是发电,所以氢能和可再生能源的结合,必须通过电网和电力来实现。在结合的过程中可再生能源通过电解水转化为氢,在这样一个过程中,电解水必须能够和电网、和可再生能源实现协调互动,这样的转化和结合才是有意义的。如果电解水只是稳定制氢的话,那么基于现有的电网供电就可以发展氢能。实际上这样的发展路径在成本上是不成立的,所以氢能和可再生能源的结合,首先要能够实现电氢的有效互动。同时通过电解水技术的发展和电氢有效互动来促进成本的下降。其次可再生能源向氢能转化的规模是庞大的,所以要解决氢能的安全储存问题,最后在氢能的利用环节要实现电、热、冷等多种形式的综合能源利用,来提高整个储能过程的效率。所以氢能和可再生能源结合要实现电氢有效互动,制氢成本下降储氢安全可靠和氢能综合利用 4 个关键点。

三、氢能与可再生能源结合的技术路径分析

1 、制氢技术要求

可再生能源向氢能转化的第 1 个环节是电解水制氢。电解水制氢从系统结构上可以分为并网制氢和离网制氢两种模式。在并网制氢模式下,电网负责收集传输可再生能源电力,电解水实际上通过电网获取可再生能源。在这种模式下,电解水制氢并不能仅仅是稳定运行,否则电力成本是不能承受的。电解制氢装置必须充分利用自身的特性,作为可调负荷参与到电网对可再生能源的消纳中,或者整合到虚拟电厂中,或者作为灵活性负荷参与电网的调节,同时通过这个过程获取额外的收益,降低制氢成本。

另外一种可再生能源制氢的形式是离网制氢。在这种结构下,可再生能源和电解制氢装置将和电网完全物理隔离。离网制氢又分为两种,一种是通过电池储能实现微电网的平衡,另外一种则是通过制氢装置本身的负荷调节能力,实现和可再生能源发电的实时平衡。从投资和运行成本上来说,可再生能源和电解槽直连制氢的方式具有最低的投资和运营成本,同时对运行控制要求也是最苛刻的。从我们的光伏直连制氢实践经验来说,这样一个直连制氢系统需要以 2s 为周期向电解槽下达运行指令,并且负荷调整的速度可以达到 15%/s ,调节的范围从 5%~100% 。离网模式的发展规模不受电网支撑能力的限制,在未来也可能成为可再生能源制氢的重要发展模式之一。

在制氢技术方面能够和可再生能源实现协调互动的包括碱性电解水制氢和离子交换膜电解水制氢两种方式。离子交换膜制氢包括 AEM PEM 两种方式。目前无论是碱性制氢还是离子交换膜制氢,都具有很高的负荷调节速率,在调节速率上没有显著的差异。碱性电解制氢技术比较成熟,设备成本低,主要问题在于启动速度慢,同时调节响应的范围比较窄,在 40%~100% 区间。以 PEM 为代表的离子交换膜制氢能够快速启动,并在 0~100% 的范围内实现很迅速的调节,但是目前的设备成本很高。在实际的工业化装置中,两种装置的能耗是差不多的,都在 1m3 4.5-5kWh 左右。

2 、储氢系统要求

在实现了可再生能源制氢之后,下一个要解决的问题是储氢。储氢目前有多种技术方式,不同技术方式有各自的特点。各种技术从本质上来讲都是压缩氢分子的间距,提高储存的体积密度和质量密度。适应可再生能源制氢的储氢方式主要有以下 4 个需求。第 1 个是响应迅速,在这里的响应迅速,不单只是放氢迅速,主要还是在储氢过程。可在生能源制氢产生的氢气流是不稳定的,所以储氢系统需要能迅速的吸收不稳定的氢气流,从这个角度来说,高压气态储氢并不是一个很好的储存方式。压缩机的工况调节能力是有限的,为了适应不稳定的输入气流,在系统结构和运行可靠性上都会付出代价。第 2 点是温和高效,需要储氢方式能够有低的储存压力,并且能够在近室温的条件下完成放氢,同时具有较高的释放压力、较低的热效应。第 3 点是高密度,对于可再生能源制氢储氢,体积密度比质量密度更重要,因为首先要解决的是大规模就地储存的问题。第 4 点是安全可靠,这直接涉及到整个系统的安全性,主要要求是低压常温,然后能够尽量减少、甚至没有动密封。

适应可再生能源储存的储氢技术

现有可用储氢技术包括合金储氢、高压气态储氢和化学储氢在内,各有各的优缺点,并没有哪种技术具有全场景的良好的适应性。从可再生能源制氢储存的角度,材料储氢和化学储氢具有比较好的发展前景,储氢材料主要是室温型的储氢合金,优势是系统简单、压力低,对吸放的响应都非常迅速,适合就地的制氢储存。化学储氢,包括有机液体储氢、液态阳光、 P2G 等技术则具有很高的稳定性和安全性,适合大规模长时间的可再生能源储存,同时也便于氢能向其他的用能方式转化和工业去碳化结合。

3 、用氢技术

在用氢方面主要包括燃料电池和氢内燃机两种技术路线,两种方式的发电效率都不高,在 40%~60% 之间。因此要实现氢能的储能应用,热电联供或者冷热电联供的综合供能方式是必由之路。

四、氢储能的特点与目标

1 、特点

从氢能的整体技术分析,氢储能有以下的特点。一个是储能密度高固态合金储氢系统的储能密度可以达到 800 瓦时每升。在 12 米的集装箱范围内,按照我们现有的装置水平的话,我们可以集成超过 15 兆瓦时的储氢单元。甚至更高的话可以达到 2 兆瓦时以上。同时氢能对能量的储存是很稳定的,不存在随时间衰减的问题。在缺点方面的话,则体现在电电转化的效率低。按统一的能量标准折算的话,电解制氢过程的效率大概 70% ,氢能发电的效率大概 45% ,因此即便是设计非常良好的氢储能系统,在电电转化效率上也很难超过 25% ,这也要求在氢储能系统中必须实现热电等多种能量形式的利用,才能实现系统的高效率。

2 、目标

在氢储能的应用目标上,首先我们要明确的是氢能不是一种短时的储能调节方式。氢储能和电池储能在应用场景和目标上是完全不重合的,不存在冲突和替代。

我们认为氢储能主要有两个应用方式:

1 种是在分布式可再生能源系统中用氢能作为长时储能方式来满足长周期能量调节。最终以热电联产形式,取得高的能量效率,同时满足不同形式的用能需求。这里氢储能主要作为一种长时储能方式,满足供能时长超过 48 小时以上的多种能源需求,同时在以月为单位的时间范围内调节分布式发电的不平衡。

2 种是用于大规模的年度储能,无关可再生能源的季节性发电能力差异是客观存在的,也不可能通过互补实现完全的平衡,在用户侧,特别是工业用户不可能完全接受按照可再生能源发电能力调节生产能力。通过氢能实现长周期的可再生能源差异的调节,满足多种形式的用能需求,可以很大程度上解决这样的冲突。在国家能源局发布的新型电力系统发展蓝皮书中也提出了氢储能是否作为长周期大规模储能形式的观点。

3 、氢储能的远期展望

在未来的能源体系中,氢能作为一种能源方式,会紧密地和电网和可再生能源结合在一起,电网会作为可再生能源和其他各种能源形式的收集和输送的主干以氢能实现对可再生能源的消纳和长期储存,完成可再生能源的年度调节。同时氢转化为不同的能源形式提供给电网、化工冶金、交通、居民等能源用户,在稳定能源供应、实现工业、交通等多场景去碳化方面发挥巨大的作用。通过多场景的应用,氢储能的基础设施建设运行成本能够得到分摊,设施利用率能够得到提升,可以极大消除消除长周期储能技术投资成本高、利用率低的问题。这也是氢能作为长周期储能技术最吸引人的地方。

以上就是我今天的分享,谢谢大家!

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