Система хранения водорода - это технология долгосрочного и крупномасштабного хранения энергии посредством двустороннего преобразования электрической и химической энергии, которая имеет важное стратегическое значение в новой энергетической системе. Ниже приводится анализ технических деталей, сценариев применения, преимуществ и проблем:

I. Состав системы и основные технологии

1. Система производства водорода

- Технические маршруты: в основном используется электролитическая вода для получения водорода, включая щелочной электролиз (AE), протонный мембранный электролиз (PEM), высокотемпературный твердый оксидный электролиз (SOEC) и другие технологии. Среди них технология щелочного электролиза зрелая и недорогая, но эффективность (около 60%) и динамическая отзывчивость ограничены; ПЭМ имеет высокую эффективность электролиза (около 80%), небольшие размеры, но зависит от катализаторов драгоценных металлов; Теоретическая эффективность SOEC превышает 90%, но требует работы при высокой температуре (800 - 950 °C), все еще находится на стадии разработки.

- Эффективность и себестоимость: Текущая эффективность электролизера составляет 65% - 85%, системная стоимость составляет около 855 долларов США / кВт (2020 год), и ожидается, что к 2030 году она может снизиться до 305 долларов США / кВт (кривая обучения 20%).

2. Системы хранения водорода

- Способ хранения:

- Хранение водорода в газообразном состоянии высокого давления: основная технология, плотность массы около 5% при 35 МПа, 70 МПа выпускает 38 кг / м³, но высокое потребление энергии сжатия (1 / 3 сжиженной энергии).

- хранение водорода в жидком состоянии при низких температурах: объемная плотность увеличивается до 800 раз в газообразном состоянии, но потребление сжиженной энергии составляет 1 / 3 тепла сгорания водорода, скорость потери испарения 1% - 2% в день.

- Хранение водорода в твердом состоянии: хранение с использованием металлических гидридов (например, LaNi5H6, MgH2), высокая безопасность, отсутствие потери испарения, но низкая плотность массы (около 5 - 10 кВт / кг)

- Водородные материалы: резервуары из композитных материалов из углеродного волокна широко используются, и в настоящее время демонстрируются крупномасштабные схемы хранения водорода, такие как подземные соляные ямы и заброшенные нефтегазовые месторождения.

3. Гидроэнергетические системы

- Технология топливных элементов: протонные мембранные топливные элементы (PEMFC) подходят для распределенной выработки электроэнергии с эффективностью 50% - 60%, высокой плотностью мощности, но полагаются на платиновый катализатор; Твердые оксидные топливные элементы (SOFC) с эффективностью 65% и высоким коэффициентом использования остаточного тепла подходят для комбинированного теплоснабжения.

- Эффективность выработки электроэнергии: общая эффективность топливных элементов зависит от чистоты водорода, управления температурой и других факторов, текущая эффективность системы около 35 - 50%.

Сценарии применения и типичные случаи

1. Пиковая ЧМ - модуляция энергосистемы

- Механизм действия: производство водорода с использованием избыточной электроэнергии, выработка электроэнергии на топливных элементах в пиковые периоды потребления электроэнергии или непосредственное участие в настройке пиков в энергосистеме. Например, в Тибете, Цинхае и других районах с высоким уровнем выброса воздуха (коэффициент выброса в 2022 году более 8%) волатильные источники энергии могут быть устранены за счет хранения энергии водорода.

- Пример: проект по производству водорода из возобновляемых источников энергии в Чжанцзякоу (200 МВт ветроэнергетики + 10 МВт производства водорода), который обеспечивает межсезонную настройку пиков путем хранения водорода.

2. Реагирование на спрос со стороны пользователя и комбинированное снабжение холодильной тепловой энергией

- Производство водорода в долине: Производство водорода на стороне пользователя с использованием дешевого электричества в ночное время, подача тепла через топливные элементы в течение дня для достижения хеджирования пиковой долины. Например, промышленные парки могут строить микросети для хранения энергии водорода и снижать затраты на электроэнергию.

- комбинированное энергоснабжение: остаточное тепло на топливных элементах удовлетворяет потребности в отоплении зданий, а совокупная энергоэффективность составляет более 80 процентов.

3. Межрегиональное распределение энергии

- Производство водорода морским ветром: далеко идущий морской ветер производит водород путем электролиза воды, преодолевая ограничения на передачу электроэнергии. Например, европейский проект по производству водорода из ветровой энергии Северного моря (1 ГВт ветроэнергетики + 1 млн. тонн водорода в год) предусматривает сезонное регулирование с использованием хранения водорода в соляных пещерах.

- Трансформация нефтегазовых месторождений: истощенные нефтегазовые месторождения могут быть преобразованы в "водородные газовые месторождения", которые транспортируются путем смешивания водорода по трубопроводам (< 15%), что снижает транспортные издержки.

III. Преимущества и проблемы

1. Основные преимущества

- Длительное хранение энергии: Подходит для хранения энергии от 4 часов до квартального масштаба, может сглаживать сезонные колебания ветровой и фотоэлектрической энергии.

- Крупномасштабная и межрегиональная: емкость хранения 100 ГВт, водород может быть развернут в разных местах по трубопроводам и цистернам, чтобы преодолеть географические ограничения.

- Экологичность: полный цикл процесса "электро - водород - электричество" производит только воду, а при производстве водорода с использованием возобновляемых источников энергии может быть достигнут нулевой выброс углерода.

2. Основные проблемы

- Эффективность и себестоимость: текущая общая эффективность "Электро - водород - электричество" около 30% - 40%, градусная себестоимость электроэнергии 1,8 юаня (2020 год), намного выше, чем литиево - электрическая аккумулирующая энергия (0,5 юаня) и аккумулирующая энергия насоса (< 0,25 юаня).

- Технические узкие места: материалы для хранения водорода, ключевые компоненты топливных элементов (например, мембранные электроды, биполярные пластины) зависят от импорта, скорость локализации должна быть повышена.

- Безопасность: водород легковоспламеняется и взрывоопасен, необходимо оптимизировать конструкцию резервуара, управление перевозкой и технологию мониторинга утечки.