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2024-07-24 来源:三一氢能 浏览数:110
氢储能是利用电力和氢能的互变性而发展起来的。氢储能既可以储电,又可以储氢及其衍生物(如氨、甲醇)。狭义的氢储能是基于“电
氢储能是利用电力和氢能的互变性而发展起来的。氢储能既可以储电,又可以储氢及其衍生物(如氨、甲醇)。狭义的氢储能是基于“电氢电”(Power-to-Power,P2P)的转换过程,利用低谷期富余的新能源电能进行电解水制氢,储存起来或供下游产业使用;在用电高峰期时,储存起来的氢能可利用燃料电池进行发电并入公共电网。
(图:氢储能狭义“电氢电”示意图)
广义的氢储能强调“电氢”单向转换,以气态、液态或固态等形式存储氢气(Power-to-Gas,P2G),或者转化为甲醇和氨气等化学衍生物(Power-to-X,P2X)进行更安全地储存。
(图:氢储能广义“电氢”示意图)
电-氢-电技术作为一种新兴的能源转换和储存方式,正在全球范围内引起广泛关注。我们主要介绍这一技术路线,其包括三个主要环节:电解水制氢、氢气储运以及燃料电池发电。每个环节都涉及复杂的技术和效率考量,对整个系统的性能起着决定性作用。
电解水制氢
电解水制氢是整个流程的起点,也是能耗最大的环节之一。目前,进入商业化应用主要有两种电解技术:碱性电解和质子交换膜(PEM)电解。
碱性电解水技术相对成熟,效率范围在65%到80%之间。其电解槽的电耗为48.4到60.5 kWh/kg氢。这种技术成本较低,但效率相对较低,且对水质要求较高。
质子交换膜电解水技术效率更高,在70%到85%之间。其电解槽电耗为46.2到56.1 kWh/kg氢。PEM技术具有更高的电流密度、更快的响应速度和更好的兼容性,特别适合与可再生能源配套使用。然而,其成本较高,且对催化剂和膜材料的要求更严格。
研究人员正在努力提高电解效率,开发新型催化剂和膜材料,以降低成本并提高性能。未来,高温电解和固体氧化物电解等新兴技术可能会带来更高的效率。
氢气储运
氢气储存是电-氢-电技术链中的关键环节,直接影响系统的整体效率和经济性。
高压气态储氢是目前最常用的方法,能耗相对较低,约为1到3 kWh/kg。这种方法适用于中小规模的储存需求,但对容器材料和安全性要求较高。
低温液态储氢能够大幅提高储存密度,但能耗显著增加,达到12到15 kWh/kg。液氢主要用于长距离运输和大规模储存,但需要复杂的绝热系统和严格的温控。
值得注意的是,如果使用高压PEM电解设备,产生的氢气可以直接存储和使用,几乎可以忽略压缩过程的能耗,这为提高系统整体效率提供了可能。
在运输方面,能耗主要取决于距离和运输方式。对于局部电网平衡或小规模应用,如果制氢和发电设施位于同一区域,运输环节的能耗可以忽略不计。然而,对于大规模、长距离的氢能利用,如跨国氢能贸易,运输成本和能耗将成为重要考虑因素。
研究人员正在探索新型储氢材料和技术,如金属氢化物、有机液体氢载体等,以提高储存密度、降低成本和能耗。
(图:氢储能狭义“电氢电”示意图)
燃料电池发电
燃料电池是电-氢-电技术链的最后一环,将氢气中的化学能转化为电能。目前,燃料电池系统的整体效率在40%到60%之间。这意味着1kg氢气可以产生13.3到19.9 kWh的电力。
燃料电池技术正在快速发展,不同类型的燃料电池适用于不同的应用场景。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其低温运行、快速启动等特点,在交通和便携式应用中占据主导地位。固体氧化物燃料电池(SOFC)则因其高效率和良好的热电联产性能,在固定式发电领域展现出巨大潜力。
研究人员正致力于提高燃料电池的效率、降低成本、延长寿命,并探索新型催化剂和膜材料。
(图3 燃料电池发电系统示意)
系统效率分析
综合考虑各个环节的效率,电-氢-电技术的总体效率在21.2%到43%之间。这个范围反映了不同技术组合和运行条件下的性能差异。
值得注意的是,制氢效率通常以高热值(HHV)计算,而燃料电池效率则以低热值(LHV)计算。这种差异使得直接将各环节效率相乘可能导致误差。
在最理想的情况下,即采用高效的PEM电解制氢、直接高压储存、并使用高效燃料电池系统发电,电-氢-电技术的总效率可以达到43%。虽然这一效率低于某些传统储能技术(如抽水蓄能),但考虑到氢能的灵活性、可扩展性和长期储存能力,它在未来能源系统中仍具有重要地位。
展望未来
尽管电-氢-电技术目前面临效率和成本方面的挑战,但它在可再生能源集成、季节性储能和碳中和目标实现等方面具有独特优势。随着技术进步和规模化应用,预计其效率将进一步提高,成本将显著下降。
此外,氢能在工业、交通和建筑等多个领域的应用潜力,使得电-氢-电技术成为构建综合能源系统的重要组成部分。未来,随着可再生能源占比提高,电网灵活性需求增加,电-氢-电技术有望在能源转型中发挥更加重要的作用。
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