氢能储运技术现状及其在电力系统中的典型应用

氢能储运技术现状及其在电力系统中的典型应用摘要：氢能是21世纪最具发展潜力的能源之一，氢能的利用发展不仅可以解决可再生电力能源消纳和储存的问题，还可助力保障国家能源安全和推动碳中和目标的实现。由于氢特殊的物理性质，如密度小、能量密度大等，其安全高效的储运及应用技术是氢能产业大规模发展的关键。针对氢能储运关键技术现状在电力工业中的应用，介绍了氢能利用发展的背景及意义，整理并解读了我国氢储运及电力应用的相关政策，梳理并对比了现有主流氢能储运技术，其中包括高压气态储运、低温液态储运、有机液态储运、金属氢化物储运的原理及经济性分析，分析氢能的电力应用，包括氢燃料电池发电及氢燃气轮机发电技术。关键词：氢能；氢气储运；氢能发电；氢燃料；燃料电池；燃气轮机氢能具有能量密度大、热值高、储量丰富、来源广泛、转化效率高等特点,是清洁的二次能源,目前,全球每年生产氢气约为1.17亿t,其中副产氢气0.48亿t,专门制氢约为0.69亿t。全球约98%的纯氢是通过碳密集型方法,使用天然气或煤为原料生产的灰色氢能,其余2%的氢能则通过电解方式生产的绿色氢能。中国每年约生产2500万t氢,其中灰氢约占96%以上。目前制氢原料仍以化石燃料为主,存在制氢成本高、碳排放污染等问题,而氢能产业可持续发展的前提是清洁无污染,制氢原料应从化石燃料向可再生能源(风能、太阳能、水能等)方向逐渐转变。为引导氢能产业绿色健康发展,多地结合多能互补示范基地建设开展可再生能源制氢示范项目,不仅提高了风光等新能源的消纳能力,体现综合能源项目的示范效果,还丰富了氢能的来源氢气是推动全球绿色低碳转型和实现我国“碳中和”目标的潜在支撑,可为电力、交通、钢铁、建筑等行业低碳转型提供助力。世界各国积极出台氢能发展规划,推动氢能产业发展。近年来,随着政策的引导与技术的进步,我国氢能产业快速发展。但仍存在氢能产业核心技术亟待突破,关键材料尚未自主,基础设施建设有待加强等诸多问题。因此,本文总结分析了国内外氢能产业最新发展动态,重点研究了绿色氢能关键技术的发展现状与趋势,结合我国氢能产业发展提出了典型的应用场景和发展建议,以期对我国氢能产业的发展提供借鉴与参考。1氢能储运关键技术1.1氢能储存①高压气态储氢高压气态储氢技术比较成熟，是目前我国最常用的储氢技术。高压气态储氢即通过高压将氢气压缩到一个耐高压的容器中，高压容器内氢以气态储存，氢气的储量与储罐内的压力成正比。通常采用气罐作为容器，简便易行，其优点是存储能耗低、成本低(压力不太高时),且可通过减压阀调控氢气的释放，因此，高压气态储氢已成为较为成熟的储氢方案。②低温/有机液态储氢低温液态储氢是先将氢气液化，然后储存在低温绝热真空容器中。该方式的优点是氢的体积能量很高，由于液氢密度为70.78，是标况下氢气密度的近850倍，即使将氢气压缩，气态氢单位体积的储存量也不及液态储存。但液氢的沸点极低(−252.78℃)，与环境温差极大,对储氢容器的绝热要求很高。目前最大的液化储氢罐是位于美国肯尼迪航天中心的储氢罐，储氢容积达12000L。有机液态储氢是通过加氢反应将氢气与甲烷(TOL)等芳香族有机化合物固定，形成分子内结合有氢的甲基环己烷（MCH）等饱和环状化合物，从而可在常温和常压下，以液态形式进行储存和运输，并在使用地点在催化剂作用下通过脱氢反应提取出所需量的氢气。液态有机物储氢使得氢可在常温常压下以液态输运，储运过程安全、高效，但还存在脱氢技术复杂、脱氢能耗大、脱氢催化剂技术亟待突破等技术瓶颈。若能解决上述问题，液态有机物储氢将成为氢能储运领域最有希望取得大规模应用的技术之一。③固体材料储氢根据固态材料储氢机制的差异，主要可将储氢材料分为物理吸附型储氢材料和金属氢化物基储氢合金两类，其中，金属氢化物储氢是目前最有希望且发展较快的固态储氢方式。1.2氢能运输①气氢输送气态输运分为长管拖车和管道输运2种，长管拖车运输压力一般为，我国长管拖车运输设备产业较为成熟，但在长距离大容量输送时，成本较高，整体落后于国际先进水平；而管道运输是实现氢气大规模、长距离输送的重要方式。管道运输时，管道运输压力一般为，输氢量大、能耗低，但是建造管道一次性投资较大。在管道输运发展初期，可以积极探索掺氢天然气方式。②液氢输送液态输运适合远距离、大容量输送，可以采用液氢罐车或者专用液氢驳船运输。采用液氢输运可以提高加氢站单站供应能力,日本美国已经将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。日本千代田公司于2009年成功研发出LOHC(液态有机氢载体)系统关键技术，全球首条氢供应链示范项目采用了千代田公司的SPERA技术探索液态有机氢载体的商业化示范，在2020年实现了210t/年的氢气输运能力。③固氢输送通过金属氢化物存储的氢能可以采取更加丰富的运输手段，驳船、大型槽车等运输工具均可以用以运输固态氢。2氢能与电力2.1氢燃料电池发电氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，还可以提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氢燃料电池发电技术与新能源耦合发电技术，使用燃料电池发电技术，可以减少CO2对煤炭的使用，减少的排放，且发电效率很高。根据电解质种类不同，燃料电池分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池等。目前重点关注的是PEMFC技术和SOFC技术。PEMFC工作温度低、启动快，适用于交通领域；SOFC能量转化率高、全固态，是一种清洁高效的发电装置，一般用于大型集中供电、分布式发电等作为固定电站。国内学者于2020年提出了一种利用SOFC燃料电池的新型发电系统，通过高效制氢和废热梯级利用，系统发电效率可达61.2%。2.2氢燃气轮机发电以清洁能源氢燃料替代天然气用于燃气轮机发电也是氢能在电力领域的研究重点。燃气轮机具有很好的负荷调节能力，15min左右即可将负荷从零拉满，亦可以氢储能作为中间环节，将氢燃气轮机与新能源混合发电，即可解决弃风弃光问题，也能改善电力系统稳定性，因此燃氢燃气轮机发电是燃气轮机发电的未来发展趋势。燃气轮机系统工作过程为：①压气机连续地从大气中吸入空气并压缩；②压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；③高温燃气流入燃气涡轮中膨胀做工，推动涡轮叶轮旋转输出电力接入负载。例如一种风–氢–燃气轮机耦合发电系统，该系统的思想即是把风电场发出的质量较差的电接入电解槽电解制氢，通过氢储能技术储存电力，在电网需要时再由氢燃气轮机发电并网，可以实现对电网的削峰填谷以及对新能源的消纳，可以作为一种新型储能发电形式与风力、光伏等可再生能源配合发电。结语：氢能是一种理想的新型能源，具有清洁低碳、便于存储等优点。氢能的最佳利用方式是通过燃料电池技术进行氢电转化，近年来燃料电池技术的不断成熟也使得氢燃料电池成本快速下降，美、德、日等部分国家相继出台氢能战略布局，我国也加速布局氢能战略，加快构建清洁化、低碳化的氢能供应体系，这对我国能源安全及可持续发展战略具有重大意义。参考文献：任大伟,侯金鸣,肖晋宇,等.能源电力清洁化转型中的储能关键技术探讨[J/OL].高电压技术:1-10[2020-12-28].邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望