Waterstofenergieopslag: de toekomst van oplossingen voor hernieuwbare energie
2024-11-26
Als koolstofarme nieuwe energie en nieuwe grondstof is waterstofenergie een belangrijke drager voor het realiseren van energietransformatie en een belangrijke aanvulling op elektrische energie in het toekomstige secundaire energiesysteem. Als nieuwe energieopslagmethode heeft het waterstofenergieopslagsysteem de voordelen van een lange ontladingstijd, grote capaciteit, hoge economie, flexibele opslag en transport en milieuvriendelijkheid. Het kan de tekortkomingen van andere energieopslag effectief aanvullen en zal een belangrijke rol spelen bij de constructie van nieuwe energiesystemen.
Op dit moment bevindt het waterstofenergieopslagsysteem zich in de demonstratietoepassingsfase. In de toekomst, met de ontwikkeling van technologie en grootschalige toepassing, zullen de kosten van het waterstofenergieopslagsysteem aanzienlijk dalen, wat van groot belang is voor het dienen van koolstofpiek en koolstofneutraliteit.
1. Waterstofenergieopslagsystemen worden ontwikkeld door gebruik te maken van de wederzijdse omzetting van elektriciteit en waterstofenergie.
Waterstofenergieopslagsystemen kunnen zowel elektriciteit als waterstof en de derivaten daarvan (zoals ammoniak en methanol) opslaan.
Het smalle waterstofenergieopslagsysteem is gebaseerd op het omzettingsproces van "elektriciteit, waterstof en elektriciteit" (Power-to-Power, P2P), waarbij voornamelijk elektrolysers, waterstofopslagtanks en brandstofcellen worden gebruikt.
De overtollige nieuwe elektriciteitsenergie in de daluren wordt gebruikt om water te elektrolyseren om waterstof te produceren. Deze waterstof wordt opgeslagen of gebruikt door de verwerkende industrie. Tijdens de piekuren van het elektriciteitsverbruik kan de opgeslagen waterstofenergie worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met behulp van brandstofcellen. Deze energie kan worden aangesloten op het openbare elektriciteitsnet.
De brede definitie van waterstofenergieopslagsysteem benadrukt de eenrichtingsconversie van "elektriciteit en waterstof", waarbij waterstof wordt opgeslagen in gasvormige, vloeibare of vaste vorm (Power-to-Gas, P2G), of wordt omgezet in chemische derivaten zoals methanol en ammoniak (Power-to-X, P2X) voor veiligere opslag.
2. De toepassingswaarde van waterstofenergieopslagsystemen is extreem hoog en het is een belangrijke aanvulling op het nieuwe energiesysteem
Het nieuwe energiesysteem is een belangrijk onderdeel van het nieuwe energiesysteem. Het gebruikt nieuwe energie als de belangrijkste energiebron. De sleutel ligt in de gecoördineerde ontwikkeling van energieopslag met verschillende functionele positionering, de introductie van grootschalige, regio-overschrijdende opkomende piekafvlakkingsmiddelen, de realisatie van energie- en energiebalans op verschillende tijdschalen en de organische integratie met andere diep gedecarboniseerde energievariëteiten om het uiteindelijke doel van koolstofneutraliteit te bereiken.
Omdat energieopslag het vierde onmisbare element wordt van het nieuwe energiesysteem van bron, net, belasting en opslag, kan het waterstofenergieopslagsysteem langdurige, seizoensoverschrijdende opslag bereiken van uren tot seizoenen, met gediversifieerde transportmethoden, niet beperkt door het elektriciteitstransmissie- en distributienetwerk, en kan het een ondersteunende rol spelen bij het gladstrijken van de fluctuatie van wind- en zonne-energie-output, het volgen van de geplande outputcurve, het leveren van piekafvlakkingshulpcapaciteit, het deelnemen aan de vraagrespons op elektriciteit en het verlichten van transmissie- en distributielijncongestie aan de kant van de elektriciteitsvoorziening, netzijde en gebruikerszijde. Het zal een belangrijke aanvulling worden op het nieuwe energiesysteem.
Het waterstofenergieopslagsysteem vermindert het opgeven van stroom en egaliseert schommelingen aan de kant van de stroomvoorziening. Omdat de output van nieuwe energiebronnen zoals fotovoltaïsche energie en windenergie een natuurlijke volatiliteit heeft, heeft het probleem van opgegeven licht en wind altijd bestaan in het energiesysteem. Het gebruik van waterstofenergieopslagsystemen om elektriciteit die niet op het net kan worden aangesloten, ter plaatse om te zetten in groene waterstof, kan niet alleen het probleem van nieuw energieverbruik oplossen, maar ook schone en goedkope waterstofenergie leveren voor lokale industrieën, transport, bouw en andere sectoren.
Tegelijkertijd absorbeert het waterstofenergieopslagsysteem energie wanneer het windpark en de fotovoltaïsche energiecentrale op piekvermogen zijn, en levert energie wanneer hun vermogen laag is. De gecombineerde vermogenscurve na toevoeging van de totale wind- en zonne-energie aan het vermogen van de waterstofopslagenergie wordt vloeiend, waardoor de vriendelijkheid van nieuwe energie wordt verbeterd en grootschalige nieuwe energie-energietransmissie wordt ondersteund.
Aan de netwerkzijde biedt het waterstofenergieopslagsysteem piekafvlakcapaciteit en verlicht het congestie in transmissie- en transformatielijnen. Het vermogen van het netwerk om nieuwe energie te ontvangen en te absorberen, hangt grotendeels af van zijn piekafvlakcapaciteit. Met de penetratie van grootschalige nieuwe energie en veranderingen in de structuur van industrieel elektriciteitsverbruik, zal het piek-tot-dalverschil van het netwerk blijven toenemen en heeft waterstofenergieopslag de kenmerken van hoge dichtheid, grote capaciteit en langetermijnopslag, die aanzienlijke piekafvlakhulpcapaciteit kunnen bieden. Bovendien kan de groei van de transmissiecapaciteit in sommige gebieden de groei van de vraag naar elektriciteit niet bijhouden. Tijdens piekvraag naar elektriciteit zal het transmissie- en distributiesysteem overbelast en geblokkeerd raken, wat de normale werking van het elektriciteitssysteem beïnvloedt. Daarom kan een waterstofenergieopslagsysteem met grote capaciteit fungeren als een "virtuele transmissielijn" en stroomafwaarts van de stroom van het geblokkeerde gedeelte van het transmissie- en distributiesysteem worden geïnstalleerd. Elektrische energie wordt opgeslagen in secties zonder transmissie- en distributiecongestie. Het waterstofenergieopslagsysteem geeft elektrische energie vrij tijdens piekstroomvraag, waardoor de capaciteitsvereisten van het transmissie- en distributiesysteem worden verlaagd en de congestie van het transmissie- en distributiesysteem wordt verlicht.
Het waterstofenergieopslagsysteem kan arbitrage van elektriciteitsprijsverschillen realiseren en dienen als een noodreservestroombron aan de gebruikerszijde. Momenteel hebben de meeste industriële gebruikers het piek-dal elektriciteitsprijssysteem geïmplementeerd om gebruikers aan te moedigen hun elektriciteitsgebruik in verschillende tijdsperioden te plannen. Met het waterstofenergieopslagsysteem kunnen gebruikers waterstofenergieopslagapparaten gebruiken om elektriciteit op te slaan tijdens de dalperiode wanneer de elektriciteitsprijzen lager zijn, en brandstofcellen gebruiken om elektriciteit vrij te geven tijdens piekperiodes, waardoor piek-dal elektriciteitsprijsarbitrage wordt gerealiseerd.
Daarnaast zijn dieselgeneratoren, loodzuuraccu's of lithiumbatterijen momenteel de hoofdmoot van noodstroomsystemen, die gebreken hebben zoals veel lawaai, hoge vervuilingsuitstoot of een korte levensduur, lage energiedichtheid en slechte duurzaamheid. Mobiele waterstofbrandstofcellen zijn milieuvriendelijk, stil en hebben een lange levensduur, waardoor ze een van de meest ideale alternatieven zijn. Er zijn al praktische gevallen, zoals een enkele waterstofbrandstofcel mobiele noodstroomvoorziening met een enkelvoudig stapelvermogen van meer dan 120 kW.
3. Het waterstofenergieopslagsysteem heeft duidelijke voor- en nadelen en de industrie bevindt zich nog in de demonstratietoepassingsfase
Het waterstofenergieopslagsysteem heeft duidelijke voordelen in opslagcapaciteit, ontladingstijd en andere prestatie-indicatoren, maar er is een zekere kloof in investeringskosten en conversie-efficiëntie. De energiedichtheid van het waterstofenergieopslagsysteem kan 140 MJ/kg bereiken, wat meer dan 100 keer zo groot is als die van elektrochemische energieopslag zoals lithiumbatterijen. Het kan meer energie opslaan in een kleiner volume, waardoor het fenomeen van energieverspilling effectief wordt vermeden.
Qua calorische waarde kan de calorische waarde van waterstof 120 MJ/kg bereiken, wat 3-4 keer zo hoog is als die van traditionele fossiele energie zoals steenkool, aardgas en olie. De voordelen van waterstofenergieopslagsystemen in ontladingstijd (uren tot kwartalen) en capaciteitsschaal (honderd gigawattniveau) zijn duidelijk vergeleken met andere energieopslag. Qua conversie-efficiëntie is de energieconversie-efficiëntie van pompaccumulatie, vliegwielenergieopslag, lithiumbatterijen, natriumzwavelbatterijen en verschillende elektromagnetische energieopslag boven de 70%.
Qua calorische waarde kan de calorische waarde van waterstof 120 MJ/kg bereiken, wat 3-4 keer zo hoog is als die van traditionele fossiele energie zoals steenkool, aardgas en olie. De voordelen van waterstofenergieopslagsystemen in ontladingstijd (uren tot kwartalen) en capaciteitsschaal (honderd gigawattniveau) zijn duidelijk vergeleken met andere energieopslag. Qua conversie-efficiëntie is de energieconversie-efficiëntie van pompaccumulatie, vliegwielenergieopslag, lithiumbatterijen, natriumzwavelbatterijen en verschillende elektromagnetische energieopslag boven de 70%.
4. Er is nog een lange weg te gaan voordat waterstofenergieopslagsystemen op grote schaal kunnen worden toegepast, en technologie en kosten vormen de grootste beperkingen
Het waterstofenergieopslagsysteem omvat hoofdzakelijk drie onderdelen: waterstofproductiesysteem, waterstofopslagsysteem en waterstofenergieopwekkingssysteem. Dit vereist de integratie van de gehele waterstofenergie-industrieketen om de energiestroom door de twee paden van de elektrische energieketen en de waterstofindustrieketen te realiseren.
Hoewel het waterstofenergieopslagsysteem in de toekomst het gangbare pad is voor grootschalige energieopslag, zijn de kosten van het waterstofproductiesysteem en de opwekking van elektriciteit hoog, is de gangbare autotransportmethode kostbaar en inefficiënt, hebben waterstofopslagflessen onder hoge druk dringend behoefte aan herhaling en upgrading, en zijn verwerkingsapparatuur zoals koolstofvezelmaterialen, koolstofvezelwikkelapparatuur en hogedruktanks sterk afhankelijk van import. De technische problemen van waterstoftransport over lange afstanden en waterstofopslag zijn ook een belangrijke factor geworden die de verdere ontwikkeling van de industrie in dit stadium beperkt. Met de verkenning van geïntegreerde waterstofproductie- en hydrogeneringsstations, geïntegreerde energiecentrales voor lichte waterstofolie, of via de piekafschavende kolengestookte elektriciteitscentrales naast fotovoltaïsche windenergiebases om elektriciteit op te wekken door waterstof te mengen met verbranding, ontwikkelt de waterstofenergie-industrie zich richting geïntegreerde energiestations, en het ontwikkelingsmodel van nabijgelegen consumptie kan het huidige dilemma mogelijk oplossen en kostenreductie en efficiëntieverbetering bereiken.
De aanpasbaarheid van waterstofenergieopslagsystemen aan grote vermogensschommelingen van windparken moet worden verbeterd. Vanwege de sterke onzekerheid van wind- en zonne-energie is het bereik van de vermogensschommelingen erg groot. Willekeurige veranderingen leiden tot frequente veranderingen in het ingangsvermogen van het alkalische waterelektrolyseapparaat, wat resulteert in veranderingen in asbestmembraandruk en alkali-oplossingconcentratie, wat de waterelektrolyse-efficiëntie en de levensduur en operationele veiligheid van het elektrolyseapparaat beïnvloedt. Tegelijkertijd vereist waterelektrolyse een stabiele DC-voeding om voldoende vermogen te leveren om de elektrolysereactie aan te drijven. Frequente vermogensschommelingen hebben een grote impact op de levensduur van de apparatuur en de zuiverheid en kwaliteit van waterstof.
Daarom is het noodzakelijk om diepgaand onderzoek te doen naar de aanpasbaarheid van waterstofproductieapparatuur aan vermogensschommelingen, om industriële alkalische waterelektrolyse waterstofproductietechnologie met een hoog vermogen, lage kosten en efficiëntie te ontwikkelen en om waterelektrolyse waterstofproductietechnologie met protonuitwisselingsmembraan te ontwikkelen die snel kan reageren op vermogensschommelingen, om zo de aanpasbaarheid van waterelektrolyse waterstofproductieapparatuur aan intermitterende vermogensschommelingen te verbeteren.
5. Toekomstperspectief van waterstofenergieopslagsysteem
De afgelopen twee jaar is het aantal projecten voor waterstofenergieopslagsystemen geleidelijk toegenomen. Er is een nieuw geïntegreerd toepassingsmodel ontwikkeld van 'opwekking van wind- en zonne-energie + waterstofenergieopslag + pompaccumulatie'. De windenergiesector is verder ontwikkeld en er zijn waterstofenergieopslagsystemen gebouwd. Ook is waterstofenergie gebruikt om piekbelasting te reguleren en elektriciteit uit het elektriciteitsnet om te zetten in gebieden met geschikte omstandigheden.
In de context van koolstofneutraliteit en energieopslag zal de technologie van belangrijke componenten zoals de 'acht hoofdonderdelen' (de acht hoofdonderdelen zijn katalysatoren, diffusielagen, protonenuitwisselingsmembranen, membraanelektroden, bipolaire platen, brandstofcellen, luchtcompressoren en waterstofcirculatiepompen) in brandstofcellen geleidelijk verbeteren. Hierdoor zullen de totale kosten van de waterstofenergieketen blijven dalen. De upstream zal worden gekoppeld aan wind- en zonne-waterstofproductie en de downstream zal koolstofvrije toepassingen in meerdere velden onderzoeken. Het waterstofenergieopslagsysteem zal een 'blauwe oceaan'-markt inluiden.
Wat is een flow-batterij?
Thermisch energieopslagsysteem: een nieuwe richting voor toekomstig energiegebruik
Gerelateerd artikel
