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氢储能调峰站发展路径探索研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:氢能和燃料电池公众号 发布时间:2021-11-29 浏览:

中国储能网讯:氢能是现代能源体系的重要组成部分,将深刻影响中国能源应用的前景。氢储能是解决可再生能源消纳和缓解峰谷电差的有效方式之一,通过电转氢技术可以实现规模化、长期、广域的储能。氢储能或将成为未来重大创新技术,可有效弥补电能存储性能差的短板,有力支撑高比例可再生能源发展,有助于优化能源结构,提升能源系统整体效率,促进能源革命。

氢储能概述

目前氢气制取主要有以下三种较为成熟的技术路线:一是化石燃料制氢;二是工业副产氢尾气提纯制氢;三是电解水制氢。化石能源和副产氢提纯制取的氢气本质来源都是含碳化石原料,无法摆脱碳排放问题;并且这两种技术路线都是从一种易储存的能量物质,转换成另一种可存储的能量物质,不适用于氢储能,也不利于降低排放。而通过可再生能源电解水制氢,可实现电-氢绿色转换,将不易储存的电能转换为氢能存储起来,实现能源转换和存储。

储能发展的必要性

国家能源局统计结果显示,2019 年底,可再生能源发电装机达到 7.94 亿 kW,占比 39.5%;2019 年可再生能源发电量达 2.04 万亿 kWh,占比 27.9%。可再生能源快速发展的同时也带来了大量的问题,水力发电的季节性、风光发电的波动性和不确定性,对电力系统资源配置、安全稳定运行提出了更高要求。2019 年全年主要流域弃水电量 300 亿 kWh、弃风电量 169 亿 kWh,弃风率 4%;弃光电量 46 亿 kWh,弃光率 2%。发展切实有效的大规模储能技术,对消纳弃电、保障电力系统稳定具有重要意义。

储能的种类和特点

下表给出了几种储能方式的综合比较:

(注:* 表示电站通常设计使用寿命;** 碱性电解设备寿命15 年,燃料电池发电受制于现阶段的技术成熟度,寿命约 6年,综合取 10 年。)

目前较为成熟的储能方式主要有抽水蓄能和电化学储能两大类。抽水蓄能电站需要具有发达的水系和优良的地质条件,并且建设周期长;电化学储能近些年发展迅速,但由于成本较高,电池寿命只有五年左右,并且废旧电池处理面临诸多环保问题,目前在容量需求小的调频率储能应用较多,大规模调峰储能应用不具有经济可行性。其他方式的储能包括压缩空气储能、电磁储能(超级电容器、超导储能)和热储能等,受制于技术成熟度、成本、效率等方面因素影响,目前难以做到大规模商业化应用。

氢储能优缺点

氢储能技术是利用电力和氢能的互变性而发展起来的。利用电解制氢,将间歇波动、富余电能转化为氢能储存起来;在电力输出不足时,利用氢气通过燃料电池或其他发电装置发电回馈至电网系统。电解水制氢技术成熟,工艺简单,清洁环保,制取的氢气和氧气纯度高,而且设备单机容量大,市场成熟产品可做到 5 MW/ 台,制氢量 1000 Nm3/h,可大规模使用。

氢储能目前存在的问题是效率较低、造价高。电解水制氢效率达 65%~75%,燃料电池发电效率为 50%~60%,单过程转换效率相对较高,但电 - 氢 -电过程存在两次能量转换,整体效率较低。制氢设备的单位造价约 2000 元 /kW,储氢和辅助系统造价为 2000 元 /kW,燃料电池发电系统造价约9000 元 /kW,燃料电池的投资占到氢储能系统总投资的接近 70%;且现阶段规模化燃料电池发电系统应用较少,技术成熟度、系统寿命有待验证。

广义氢储能

传统意义的氢储能是电 -氢 -电的转换,前文已论述存在效率低、价格高的问题。效率主要问题是两次能量转换,整体效率低;价格主要问题是燃料电池投资占比高。相较于传统储能,广义氢储能强调电-氢单向转换,由于广义氢储能系统效率高和成本低,上游与可再生能源发电结合,下游瞄准高纯氢市场需求,具有广阔的应用场景,受到国内外学术界、产业界的广泛关注和研究。电解制氢将难以储存的电能转化为可存储的氢气,氢作为能源和原料,供氢燃料电池交通、燃料电池应急备用电源、天然气掺氢燃料、化工原料、工业还原保护气体等场景使用。

氢储能调峰站

中国三北地区风光资源丰富,西南部水资源丰富。但是由于我国的经济发展存在地域间的较大差异,西部地区的经济发展程度相对较为落后,可再生能源在中西部地区难以就地消纳;另外,可再生能源具有季节性、波动性特点,使其无法在市场中准确申报电量,造成了可再生能源一定程度上的弃电浪费。电网系统为应对大规模可再生能源上网,保障配套投资增加,火电、燃机深度调峰,无法高效最优运行,以至排放增加。

在可再生资源丰富地区就近建设大规模电解水制氢站,消纳清洁能源,减缓风光发电间歇波动,对电网稳压性的影响是广义氢储能的一种应用方式。

氢储能调峰站系统

据国家能源局统计,2017 年我国大部分特高压工程利用小时数不足 5000 h,部分工程投运后最大输电功率未达到预期;谷电时段电网通道负荷率更低,而此时段正是风资源发电量高峰时段。2020 年 8 月,国家发展和改革委员会、国家能源局联合发布《关于开展“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”的指导意见(征求意见稿)》,提出要提高输电通道利用效率、电力需求响应能力,挖掘新能源消纳能力。

我国具有强大、完善、覆盖面广的电力输送系统,发挥我国电网基建优势,谷电时间段通过“西电东送”“北电南送”特高压通道,将三北地区的清洁能源输送到高纯氢市场需求端电解制氢储能,变氢能输送为电能输送,解决可再生能源消纳和氢储运面临的技术、成本、安全等难题。当前国家电投正依托乌兰察布风电基地项目,实施“蒙电进京、谷电制氢、用氢示范”,为京津冀地区氢能交通示范运用,提供可再生能源的氢气保障。

氢储能调峰站典型设计方案

东部经济发达地区用电负荷量大,峰谷电差也大。以某沿海城市为例,日均用电负荷功率13500 MW,峰谷电差达 4000 MW,调峰问题日益突出。利用氢的储能特性和电 -氢灵活转化关系,发挥氢储能在电网中“填谷”作用。谷电时段,电网将可再生能源电能输送到高纯氢需求端,通过电解水制氢储能,供燃料电池交通和电子等行业使用,提高可再生能源消纳和输电通道利用率。电解制氢的副产氧纯度在 98.5% 以上,主要杂质为 H2O 和 H2,提纯成本低,经济价值高。

在峰电时段,由于氢燃料电池发电成本较高,可以采用天然气掺氢富氢燃机发电向电网送电。富氢燃机具有以下优点:

造价约 3000 元 /kW,远低于燃料电池;

可利用城市天然气管网提供燃料;

天然气掺氢 20%,可提高燃烧效率,降低碳排放和污染物排放;

掺氢比例可根据需求在 0~20% 之间调节;

可热电联供,提高综合效率。日本川崎、三菱、西门子等公司在天然气掺氢、纯氢燃气轮机方面,都具有相应的成功应用示范。

氢储能调峰站配套质子膜氢燃料电池(PEMFC)发电作为应急备用电源,替代传统的柴油发电机备电。PEMFC 燃料电池利用储存的氢气发电,相比柴油发电具有运行安静、零排放、燃料成本低(PEMFC 度电成本 1 元,柴油发电度电成本 2 元)等优点。

氢储能调峰站潜在挑战

用地性质制约

虽然 2020 年 3 月修订的《能源法》将氢气作为能源一词列入诸种能源之一,但仍未改变其危化品管控属性,规模化制氢站须入在化工园区,这限制了氢储能调峰站的选址,尤其在电、氢负荷中心的东部经济发达城市选址更加困难。

制氢设备技术成熟度

电解水制氢技术根据电解质不同,主要可分为碱性(ALK)、质子交换膜(PEM)、固体氧化物(SOEC)电解三大类,SOEC 电解可以利用外供热源效率最高,PEM 和 ALK 次之。

电解水制氢设备技术参数表

其中碱性电解技术成熟、成本低,是国内商业化应用的主流产品;但是其动态响应速度慢,在需要频繁启停、变负荷运行的氢储能调峰站中应用有较大弊端。PEM 制氢动态响应速度快、抗电源负荷波动性强,适合在氢储能调峰站使用;但目前国内 PEM 制氢设备技术成熟待工程化应用验证,其高昂的价格限制了大规模工程化推广。

产业下游高纯氢市场消纳风险

电解制取的高纯氢,理想的市场消纳方式是高纯电子氢和能源氢,高纯电子氢市场需求相对稳定,未来市场增长点集中于能源氢在氢燃料电池领域的应用。2018 年至今,全国诸多省、市纷纷出台氢能和燃料电池发展规划和激励政策,中国氢能联盟 2019 年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测,到 2025 年我国加氢站将达 200 座,按照每座加氢站 800 kg/d 的加氢量,交通领域年氢气需求 5.84 万 t,可以消纳 50 个20 MW 氢储能调峰站氢气量。据目前技术和市场分析,氢能源交通的普及仍然有着巨大的困难:氢燃料电池汽车的技术成熟度和使用寿命有待应用验证;在政府补贴逐渐退去的情况下,燃料电池车成本能否低至与燃油车、电动车竞争,有待市场检验。能源氢终端应用市场的增长仍有一定的不确定性。

结论和建议

氢储能是支撑高比例可再生能源发展有效方式之一。传统电 -氢 -电的储能方式综合效率低、造价高,现阶段不具备经济适用性。借助我国跨区域特高压输电通道优势,将可再生资源丰富地区的电能输送到高纯氢负荷中心,建设氢储能调峰站,谷电时段制氢储能(P2H),峰电时段天然气掺氢富氢燃机发电回馈电网,可以实现可再生能源消纳,提高输电通道利用率,缓解东部城市峰谷电差大的问题,解决氢气远距离运输成本、安全等难题。

针对氢储能调峰站发展面临的挑战,建议如下:

开展用户端制氢试点探索

河北省为发展氢能产业,支持可再生能源绿色制氢和风光可再生能源消纳,率先发布风力发电配套制氢项目可不进化工园区。建议在认真做好技术评估、满足安全要求的前提下,有序推进非化工园区制氢试点探索,开展用户端制氢的示范,参照天然气管理方式,在以能源方式利用时,将氢气纳入能源管理范畴。

发挥电网企业的作用

氢能和电能同属于清洁的二次能源,充分发挥电网企业在二次能源领域的调度经验,实现氢电之间深度耦合互补,提高能源综合利用效率。具体而言,建议电网企业在电网输送通道利用率低的谷电时段,降低清洁能源跨区域输送过网费;对以削峰填谷为目的的氢储能调峰站,建议减免容量费。

试点探索多元化商业模式

建议政府层面的氢能产业政策从燃料电池交通、加氢站向氢气清洁高效制取、氢能在能源体系中的耦合利用等“大氢能”产业扩展延伸。加快对新领域试点项目的论证和规范审批流程,促进示范落地;通过规划政策引领,消除能源行业间壁垒,促进能源产业融合,构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。

来源:国网综合能源服务集团有限公司:李娜,李志远,王楠,中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司

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