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氢储能实现多类型能源互联

北极星储能网  来源:亮报    2021/7/28 9:38:37  我要投稿  

北极星储能网讯:氢能能量密度高,运行维护成本低,可长时间存储且可实现过程无污染。氢储能被认为是极具潜力的新型大规模储能技术

“零”碳排放

7月23日,东京奥运会开幕式在东京新国立竞技场举行,奥运圣火熊熊燃起。

日本采用氢能点燃本届奥运圣火。在奥运历史上,奥运圣火的燃料经历了多次变革,开始是金属镁,后来使用过天然树脂、橄榄油等,近几届奥运会使用丙烷作为燃料。在本届奥运会上,日本将氢能作为奥运圣火的燃料。同时,奥运村使用氢能作为能源,为奥运村供电。氢气来源于6.8万块太阳能电池板,利用光伏发电制氢,摆脱对化石燃料的依赖。

与煤炭、石油和天然气相比,氢能在自然界不是天然存在,需要通过一次能源化学加工或转化产生,此外,氢燃烧时只产生水,不产生二氧化碳,因此,氢能是清洁的二次能源。氢能在能源、交通、工业、建筑等领域具有广泛的应用前景,可以作为能源互联转化的重要媒介,推动能源清洁高效利用,实现大规模深度脱碳。

氢能被广泛认为是未来最有发展潜力的二次能源,它具有储量丰富、能量密度高、可存储等多种优点。氢既可由可再生能源,如水能、风能、太阳能、生物质和地热能制取,也可由不可再生能源,如煤、天然气和核能制取,所以,氢的生产途径广泛,具备可再生、可持续性。另外,氢在使用后的排放物是水,可以达到“零”碳排放和“零”污染。世界各国普遍认为,氢能是最适合人类社会未来应用的新型清洁能源之一,对解决当前全球能源危机、环境恶化和温室效应问题具有重要作用。

氢气来源包括:煤、天然气等化石能源制氢,工业副产品制氢,电解水制氢,以及甲醇等其他方式制氢。现阶段氢气来源仍以化石能源制氢为主,在碳达峰碳中和目标驱动下,零碳制氢将是未来发展的主要趋势,灰氢→蓝氢→绿氢将成为未来发展的主要路径。

氢储能及应用

氢能对构建低碳高效现代能源体系具有重要作用。目前,我国氢用量2300万吨,约占全球用量的1/3,应用市场广阔;2030年绿氢占比预计达1.5%~2%,未来,氢能供应将成为能源行业竞争的新热点。

中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2019》预测,到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%,氢气需求量接近6000万吨,年经济产值超过10万亿元。

氢能能量密度高,运行维护成本低,可长时间存储且可实现过程无污染,是少有的能够储存上百吉瓦时以上,且可同时适用于极短或极长时间供电的能量储备。对可再生和可持续能源系统而言,氢气是一种极好的能量存储介质。氢储能被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。

氢储能技术即通过电解水制取氢气,将氢气存储或通过管道运输,制取的氢气可用于交通、钢铁、合成氨等领域,也可在有用能需求时通过燃料电池进行热电联供。氢储能技术适用于大规模储能和长周期能量调节,是实现电、气等多类型能源互联的关键。氢储能技术主要包含电解制氢、储氢及燃料电池发电技术,可用于可再生能源消纳、调峰调频辅助服务、削峰填谷、需求侧响应、微电网等场景。

可再生能源消纳。将电解制氢技术用于可再生能源发电场景,在提升可再生能源发电规模化消纳的同时,还能够优化风电/光伏场群的出线容量,从而降低电网外送输电容量的投资,提高输电线路的利用率。

调峰调频辅助服务。具备快速响应及启停能力的电解制氢系统,在用电高峰时可用于调峰调频辅助服务。大容量燃料电池发电系统可在电网超负荷运行时用作调峰机组,以满足发电需求。

削峰填谷、需求侧响应。电解制氢系统可在用户侧利用谷电制氢实现调峰,也可通过电力需求侧实时管理系统,作为灵活负荷参与需求侧响应。制取的氢气储存起来,还可用于加氢站加氢服务。

微电网。电解制氢+储氢+氢燃料电池发电用于构建微电网系统,分布式可再生能源消纳,进行氢、热、电联供,实现偏远地区可靠供能。

氢利用示范工程

由全球能源互联网研究院和国网浙江省电力有限公司共同研发的百千瓦级氢利用系统装备及管控技术成果,将在浙江台州大陈岛氢利用工程进行示范应用。示范工程制氢与发电功率100千瓦,储氢容量200立方米(标准状态),供电时长逾2小时,“制氢—燃料电池热电气联供”全系统综合能效超过72%,整体技术国际领先。

该工程是氢能在偏远地区供能的首次示范,也是国内首个针对海岛的氢能综合利用工程。工程采用先进质子交换膜电解制氢技术,具有动态调节响应快、启停时间短、功率可控范围宽等突出的先进性。工程不仅可实现新能源就地消纳、长时备电等应用,还可实现电、热、氢、氧的清洁供应,满足岛内用户多种用能需求。该工程以“绿氢”打造“全绿海岛”,降低海岛碳排放,将为可再生能源制氢、含氢能源网络化与规模化应用提供示范样板。

【专访】

围绕氢储能技术及应用,《亮报》对全球能源互联网研究院有限公司电力电子研究所副所长徐桂芝进行了专访。

《亮报》:据了解,美国、日本、德国等国家非常重视氢能发展,多年前开始出台各项政策。现在这些国家的氢储能技术及应用进展如何?

徐桂芝:当前,美国、日本、德国等国依据本国实际情况大力培育各自的氢储能产业,制定详细的发展路线图,发布氢能相关的产业政策。

美国氢能及燃料电池技术和市场全球领先,并具有完善的氢能技术产业链。目前美国每年氢气产量超过1000万吨,约占全球供应量的15%。美国Proton公司研制的PEM制氢设备已实现商品化,应用到多个风电制氢场中。

日本在储运氢、燃料电池技术及商业化应用方面世界领先,尤其重视家庭用燃料电池热电联供系统发展。以家庭管道燃气现场重整制氢气为燃料,松下、东芝等用于照明供电和沐浴热水的燃料电池微型热电联供安装量已超5万台/年,价格折合人民币约4万元/台。日本于2020年2月完成福岛10兆瓦级制氢装置试运营,这是目前全球最大的光伏制氢装置。

德国近年来已逐步明确氢能发展路线,2020年发布《德国国家氢能战略》,明确了“绿氢”的优先地位,目标是2030年前将电解绿氢产能提高至5吉瓦,2040年达到10吉瓦。

总体上看,美国、日本、德国等国家已经将氢能技术上升为重要的国家战略,在技术研发、产业培育等方面正加快推进。

《亮报》:在氢储能研究及应用方面,我国主要取得了哪些方面的成就?下一步,还将实现哪些方面的重点突破?

徐桂芝:我国在氢储能领域取得了长足发展,在制氢、储氢及氢燃料电池方面具有专业化、有国际影响力的研究队伍,形成了一大批具有自主知识产权的新技术、新材料和新工艺。燃料电池电堆国产化程度大幅提高,培养了一大批具备核心技术的企业;在氢储能研究向实际应用发展方面,取得了重要的突破,国内已研制出百千瓦级制氢及氢利用设备,并启动兆瓦级示范应用。

目前,我国氢储能领域的关键技术与国际先进水平相比,仍有一定差距。装备方面仍需提升单体功率,提高关键部件/材料国产化水平;应用方面还需进一步完善基础设施和标准规范,提升氢电互动水平,降低绿氢制取成本等。

未来,应以实现氢储能技术规模化应用为最终目标,突破氢储能关键材料、部件在服役过程中的基础问题,攻克关键材料、部件及装备共性关键技术,实现核心部件及设备自主化研发,突破波动性能源电制氢、氢燃料电池冷热电联供、氢能主动支撑电网运行等核心技术,开展电氢融合能源枢纽及氢能综合利用示范,实现区域清洁能源、电网、氢能协同运行,提高能源利用效率,促进清洁能源消纳。

来源:全球能源互联网研究院、国网浙江电科院、《国家电网报》等,宋洁、王飞、刘敏、章雷其对本文有贡献

原标题:氢储能实现多类型能源互联

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