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氢能在综合能源系统中的应用前景

氢能在综合能源系统中的应用前景

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  • 发布时间:2023-03-13 10:52
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近年来,在能源政策、市场和氢能使用相关技术的推动下,氢能为难以在综合能源系统中实现电气化的行业和应用创造了更可行和适用的选择[8-9]。截至2019年底,已有50多个国家制定了相应的政策激励措施,以支持在能源系统中使用氢能[2]。文献[10-12]总结了氢储能系统的关键技术,比较了电解制氢与其他制氢技术的成本,并讨论了基于燃气轮机或燃料电池的热电联产(CHP)技术的氢储能在能源和能源工业中的应用。文献[13-15]讨论了氢作为能量载体的作用以及氢能源系统的经济性。据估计,到2050年,相当于78 EJ的氢气可满足全球最终能源需求的18%,相应的二氧化碳减排潜力为6 Gt/年。

文献[16-17]全面分析了氢能在日本和德国未来能源系统中的作用,比较了氢供应链不同条件下的温室气体排放强度,并指出了未来可能的清洁氢供应国。在未来的能源系统中,氢能将主要用于日本的发电,其中一小部分用于运输和工业,而德国将主要用于运输,其中一部分用于发电和工业。

文献[18-19]包括作为研究对象的综合能源系统中氢能的35个使用案例,讨论了氢能价值链的成本动态以及各个环节之间的相互关系,并给出了氢能产业链的总体结构。据估计,到2030年,氢能的价格将达到1.8美元/千克,占全球能源需求的15%。

能源系统脱碳的深层需求以及将大量挥发性可再生能源整合到电网中,将成为氢能快速发展的动力。研究氢能在未来能源系统中的应用前景具有重要意义。首先,比较了氢储能和其他储能方法的技术特点和关键参数,未来氢能应用的关键节点以及对国内氢能产业发展的解释。

1氢储能与常规储能的比较

1.1常规储能技术

能量存储系统(ESS)具有以电荷形式存储电能并在需要能量时允许放电的能力。随着技术的不断发展,有许多类型的储能方法。常见的机械储能方法包括抽水蓄能(PHS)、压缩空气蓄能(CAES)、飞轮储能(FES)[20]等。电磁储能包括超级电容器(Super-C)、超导磁储能器(SMES)等。电化学储能主要指电池储能系统,包括铅酸电池、镍铬电池(NiCd)、锂离子电池(Li离子)、钠硫电池(NaS)等。目前,熔盐主要用于储能;三种常见的化学储能类型是氢气、氨气和合成气,其中氢气是最有吸引力的储能方法之一。

1.2储能技术比较

1.2.1技术成熟度

联合ESS的技术成熟度。大规模储能技术中的PHS和CAES技术相对成熟,但都是基于特定的地址条件,其大规模发展受到限制。然而,中国国家电网公司和中国南方电网公司仍在陆续投资多个PHS,因为它们具有灵活的启动和停止、快速响应和调峰填谷、应急准备和黑启动功能。

为了提高效率并更好地调整电网频率,研究人员正在开发变速涡轮机。PHS存储容量超过180 GW,其中80%位于欧洲、中国、日本和美国。其他成熟的系统是电池存储。由于市场上原材料供应充足,技术进步迅速,成本进一步降低,电池储能系统正在进一步发展。最近,Elkhorn电池存储项目(182 MW/730 MW·h)获得了太平洋天然气和电力公司(PG&E)的批准,将为世界著名的硅谷技术中心提供电力。随着氢利用技术的发展和进一步成熟,以及可再生能源氢供应成本的降低,人们已经认识到氢能源可以在未来清洁和安全的能源系统中发挥更重要的作用,技术成熟度快速增长,并呈现出规模经济[21]。

1.2.2系统效率和使用寿命

普通ESS的系统效率和使用寿命的比较。ESS循环的最高效率是SMES,它将电流存储在流过超导线圈的电流产生的磁场中。由于超导线圈没有电阻,损耗几乎为零,仅为AC/DC转换器等辅助电流设备造成的损耗的2%至3%[22]。FES和锂离子的系统效率也很高。ESS的能量损失主要由不同部件之间的能量传递引起。调整装载和卸载过程中的能量损失可以提高ESS的效率。在机械储能方法中,PHS和CAES的使用寿命最长,分别为40~80年和25~60年。随着工作时间的延长,电池的化学性能变差,使用寿命相对较短,通常不到20年。氢储能系统的循环效率为35%~55%[20,23],低于传统ESS。它主要受到氢价值链中各种技术路径的使用的影响。例如,汽车中氢燃料电池的效率约为60%,而通过内燃机驱动的效率约20%。如果综合考虑氢能的价值链,氢能储存的寿命为15~50年[24]。

 

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