氫能儲運技術(shù)現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

氫能儲運技術(shù)現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用摘要：氫能是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?，氫能的利用發(fā)展不僅可以解決可再生電力能源消納和儲存的問題，還可助力保障國家能源安全和推動碳中和目標的實現(xiàn)。由于氫特殊的物理性質(zhì)，如密度小、能量密度大等，其安全高效的儲運及應(yīng)用技術(shù)是氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵。針對氫能儲運關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀在電力工業(yè)中的應(yīng)用，介紹了氫能利用發(fā)展的背景及意義，整理并解讀了我國氫儲運及電力應(yīng)用的相關(guān)政策，梳理并對比了現(xiàn)有主流氫能儲運技術(shù)，其中包括高壓氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運、有機液態(tài)儲運、金屬氫化物儲運的原理及經(jīng)濟性分析，分析氫能的電力應(yīng)用，包括氫燃料電池發(fā)電及氫燃氣輪機發(fā)電技術(shù)。關(guān)鍵詞：氫能；氫氣儲運；氫能發(fā)電；氫燃料；燃料電池；燃氣輪機氫能具有能量密度大、熱值高、儲量豐富、來源廣泛、轉(zhuǎn)化效率高等特點,是清潔的二次能源,目前,全球每年生產(chǎn)氫氣約為1.17億t,其中副產(chǎn)氫氣0.48億t,專門制氫約為0.69億t。全球約98%的純氫是通過碳密集型方法,使用天然氣或煤為原料生產(chǎn)的灰色氫能,其余2%的氫能則通過電解方式生產(chǎn)的綠色氫能。中國每年約生產(chǎn)2500萬t氫,其中灰氫約占96%以上。目前制氫原料仍以化石燃料為主,存在制氫成本高、碳排放污染等問題,而氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提是清潔無污染,制氫原料應(yīng)從化石燃料向可再生能源(風(fēng)能、太陽能、水能等)方向逐漸轉(zhuǎn)變。為引導(dǎo)氫能產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展,多地結(jié)合多能互補示范基地建設(shè)開展可再生能源制氫示范項目,不僅提高了風(fēng)光等新能源的消納能力,體現(xiàn)綜合能源項目的示范效果,還豐富了氫能的來源氫氣是推動全球綠色低碳轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)我國“碳中和”目標的潛在支撐,可為電力、交通、鋼鐵、建筑等行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型提供助力。世界各國積極出臺氫能發(fā)展規(guī)劃,推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來,隨著政策的引導(dǎo)與技術(shù)的進步,我國氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。但仍存在氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)亟待突破,關(guān)鍵材料尚未自主,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有待加強等諸多問題。因此,本文總結(jié)分析了國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展動態(tài),重點研究了綠色氫能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,結(jié)合我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了典型的應(yīng)用場景和發(fā)展建議,以期對我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒與參考。1氫能儲運關(guān)鍵技術(shù)1.1氫能儲存①高壓氣態(tài)儲氫高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)比較成熟，是目前我國最常用的儲氫技術(shù)。高壓氣態(tài)儲氫即通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器中，高壓容器內(nèi)氫以氣態(tài)儲存，氫氣的儲量與儲罐內(nèi)的壓力成正比。通常采用氣罐作為容器，簡便易行，其優(yōu)點是存儲能耗低、成本低(壓力不太高時),且可通過減壓閥調(diào)控氫氣的釋放，因此，高壓氣態(tài)儲氫已成為較為成熟的儲氫方案。②低溫/有機液態(tài)儲氫低溫液態(tài)儲氫是先將氫氣液化，然后儲存在低溫絕熱真空容器中。該方式的優(yōu)點是氫的體積能量很高，由于液氫密度為70.78，是標況下氫氣密度的近850倍，即使將氫氣壓縮，氣態(tài)氫單位體積的儲存量也不及液態(tài)儲存。但液氫的沸點極低(?252.78℃)，與環(huán)境溫差極大,對儲氫容器的絕熱要求很高。目前最大的液化儲氫罐是位于美國肯尼迪航天中心的儲氫罐，儲氫容積達12000L。有機液態(tài)儲氫是通過加氫反應(yīng)將氫氣與甲烷(TOL)等芳香族有機化合物固定，形成分子內(nèi)結(jié)合有氫的甲基環(huán)己烷（MCH）等飽和環(huán)狀化合物，從而可在常溫和常壓下，以液態(tài)形式進行儲存和運輸，并在使用地點在催化劑作用下通過脫氫反應(yīng)提取出所需量的氫氣。液態(tài)有機物儲氫使得氫可在常溫常壓下以液態(tài)輸運，儲運過程安全、高效，但還存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等技術(shù)瓶頸。若能解決上述問題，液態(tài)有機物儲氫將成為氫能儲運領(lǐng)域最有希望取得大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)之一。③固體材料儲氫根據(jù)固態(tài)材料儲氫機制的差異，主要可將儲氫材料分為物理吸附型儲氫材料和金屬氫化物基儲氫合金兩類，其中，金屬氫化物儲氫是目前最有希望且發(fā)展較快的固態(tài)儲氫方式。1.2氫能運輸①氣氫輸送氣態(tài)輸運分為長管拖車和管道輸運2種，長管拖車運輸壓力一般為，我國長管拖車運輸設(shè)備產(chǎn)業(yè)較為成熟，但在長距離大容量輸送時，成本較高，整體落后于國際先進水平；而管道運輸是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離輸送的重要方式。管道運輸時，管道運輸壓力一般為，輸氫量大、能耗低，但是建造管道一次性投資較大。在管道輸運發(fā)展初期，可以積極探索摻氫天然氣方式。②液氫輸送液態(tài)輸運適合遠距離、大容量輸送，可以采用液氫罐車或者專用液氫駁船運輸。采用液氫輸運可以提高加氫站單站供應(yīng)能力,日本美國已經(jīng)將液氫罐車作為加氫站運氫的重要方式之一。日本千代田公司于2009年成功研發(fā)出LOHC(液態(tài)有機氫載體)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，全球首條氫供應(yīng)鏈示范項目采用了千代田公司的SPERA技術(shù)探索液態(tài)有機氫載體的商業(yè)化示范，在2020年實現(xiàn)了210t/年的氫氣輸運能力。③固氫輸送通過金屬氫化物存儲的氫能可以采取更加豐富的運輸手段，駁船、大型槽車等運輸工具均可以用以運輸固態(tài)氫。2氫能與電力2.1氫燃料電池發(fā)電氫能發(fā)電可以用來解決電網(wǎng)削峰填谷、新能源穩(wěn)定并網(wǎng)問題，還可以提高可再生能源所發(fā)電力并網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)安全性、靈活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氫燃料電池發(fā)電技術(shù)與新能源耦合發(fā)電技術(shù)，使用燃料電池發(fā)電技術(shù)，可以減少CO2對煤炭的使用，減少的排放，且發(fā)電效率很高。根據(jù)電解質(zhì)種類不同，燃料電池分為質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池等。目前重點關(guān)注的是PEMFC技術(shù)和SOFC技術(shù)。PEMFC工作溫度低、啟動快，適用于交通領(lǐng)域；SOFC能量轉(zhuǎn)化率高、全固態(tài)，是一種清潔高效的發(fā)電裝置，一般用于大型集中供電、分布式發(fā)電等作為固定電站。國內(nèi)學(xué)者于2020年提出了一種利用SOFC燃料電池的新型發(fā)電系統(tǒng)，通過高效制氫和廢熱梯級利用，系統(tǒng)發(fā)電效率可達61.2%。2.2氫燃氣輪機發(fā)電以清潔能源氫燃料替代天然氣用于燃氣輪機發(fā)電也是氫能在電力領(lǐng)域的研究重點。燃氣輪機具有很好的負荷調(diào)節(jié)能力，15min左右即可將負荷從零拉滿，亦可以氫儲能作為中間環(huán)節(jié)，將氫燃氣輪機與新能源混合發(fā)電，即可解決棄風(fēng)棄光問題，也能改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此燃氫燃氣輪機發(fā)電是燃氣輪機發(fā)電的未來發(fā)展趨勢。燃氣輪機系統(tǒng)工作過程為：①壓氣機連續(xù)地從大氣中吸入空氣并壓縮；②壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣；③高溫燃氣流入燃氣渦輪中膨脹做工，推動渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)輸出電力接入負載。例如一種風(fēng)–氫–燃氣輪機耦合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的思想即是把風(fēng)電場發(fā)出的質(zhì)量較差的電接入電解槽電解制氫，通過氫儲能技術(shù)儲存電力，在電網(wǎng)需要時再由氫燃氣輪機發(fā)電并網(wǎng)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的削峰填谷以及對新能源的消納，可以作為一種新型儲能發(fā)電形式與風(fēng)力、光伏等可再生能源配合發(fā)電。結(jié)語：氫能是一種理想的新型能源，具有清潔低碳、便于存儲等優(yōu)點。氫能的最佳利用方式是通過燃料電池技術(shù)進行氫電轉(zhuǎn)化，近年來燃料電池技術(shù)的不斷成熟也使得氫燃料電池成本快速下降，美、德、日等部分國家相繼出臺氫能戰(zhàn)略布局，我國也加速布局氫能戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔化、低碳化的氫能供應(yīng)體系，這對我國能源安全及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。參考文獻：任大偉,侯金鳴,肖晉宇,等.能源電力清潔化轉(zhuǎn)型中的儲能關(guān)鍵技術(shù)探討[J/OL].高電壓技術(shù):1-10[2020-12-28].邵志剛,衣寶廉.氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望