Armazenamento de energia de hidrogénio: o futuro das soluções de energia renovável
2024-11-26
Sendo uma nova energia e nova matéria-prima com baixo teor de carbono, a energia do hidrogénio é um veículo essencial para a realização da transformação energética e um importante complemento à energia eléctrica no futuro sistema de energia secundária. Como um novo método de armazenamento de energia, o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio tem as vantagens de um longo tempo de descarga, grande capacidade, elevada economia, armazenamento e transporte flexíveis e respeito pelo ambiente. Pode complementar eficazmente as deficiências de outros sistemas de armazenamento de energia e desempenhará um papel importante na construção de novos sistemas energéticos.
Atualmente, o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio encontra-se em fase de aplicação de demonstração. No futuro, com o desenvolvimento da tecnologia e a aplicação em larga escala, o custo do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio irá diminuir significativamente, o que é de grande importância para servir o pico de carbono e a neutralidade de carbono.
1. O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio é desenvolvido utilizando a conversão mútua de eletricidade e energia de hidrogénio.
O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio pode armazenar eletricidade e hidrogénio e seus derivados (como o amoníaco e o metanol).
O sistema estreito de armazenamento de energia de hidrogénio baseia-se no processo de conversão de "eletricidade, hidrogénio e eletricidade" (Power-to-Power, P2P), incluindo principalmente eletrolisadores, tanques de armazenamento de hidrogénio e células de combustível.
O excedente da nova energia eléctrica no período fora de ponta é utilizado para electrolisar a água para produzir hidrogénio, que é armazenado ou utilizado pelas indústrias a jusante; durante o período de pico do consumo de electricidade, a energia do hidrogénio armazenada pode ser utilizada para gerar electricidade através de células de combustível e incorporada na rede eléctrica pública.
A definição ampla de sistema de armazenamento de energia de hidrogénio enfatiza a conversão unilateral de "eletricidade e hidrogénio", armazenando hidrogénio em formas gasosas, líquidas ou sólidas (Power-to-Gas, P2G), ou convertendo-o em derivados químicos como metanol e amoníaco (Power-to-X, P2X) para um armazenamento mais seguro.
2. O valor de aplicação do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio é extremamente elevado e é um complemento importante para o novo sistema de energia
O novo sistema de energia é um componente importante do novo sistema de energia. Utiliza nova energia como principal fonte de energia. A chave reside no desenvolvimento coordenado do armazenamento de energia com diferentes posicionamentos funcionais, na introdução de meios emergentes inter-regionais de redução de picos em grande escala, na realização do equilíbrio de potência e energia em diferentes escalas de tempo e na integração orgânica com outros sistemas profundamente variedades de energia descarbonizadas para atingir o objetivo final da neutralidade carbónica.
À medida que o armazenamento de energia se torna o quarto elemento indispensável do novo sistema de energia de fonte, rede, carga e armazenamento, o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio pode alcançar um armazenamento intersazonal a longo prazo, de horas a estações, com métodos de transporte diversificados, não restritos por a rede de transmissão e distribuição de energia e pode desempenhar um papel auxiliar na suavização da flutuação da produção de energia eólica e solar, acompanhando a curva de produção planeada, fornecendo capacidade auxiliar de redução de pico, participando na resposta à procura de energia e aliviando o congestionamento das linhas de transmissão e distribuição do lado da fonte de alimentação, do lado da rede e do lado do utilizador. Tornar-se-á um complemento importante ao novo sistema energético.
O sistema de armazenamento de energia a hidrogénio reduz o abandono de energia e suaviza as flutuações no lado da fonte de alimentação. Como a produção de novas fontes de energia, como a energia fotovoltaica e a energia eólica, tem volatilidade natural, o problema do abandono da luz e do vento sempre existiu no sistema energético. A utilização de sistemas de armazenamento de energia de hidrogénio para converter electricidade que não pode ser ligada à rede em hidrogénio verde no local pode não só resolver o problema do novo consumo de energia, mas também fornecer energia de hidrogénio limpa e barata às indústrias locais, transportes, construção e outros campos.
Ao mesmo tempo, o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio absorve energia quando o parque eólico e a central fotovoltaica estão no pico de produção e produz energia quando a sua produção está baixa. A curva de potência combinada após a adição da energia eólica e solar total à energia de armazenamento de hidrogénio torna-se suave, melhorando assim a facilidade de utilização da nova energia e apoiando a transmissão de nova energia em grande escala.
Do lado da rede, o sistema de armazenamento de energia a hidrogénio proporciona capacidade de redução de picos e alivia o congestionamento nas linhas de transmissão e transformação. A capacidade da rede para receber e absorver nova energia depende em grande parte da sua capacidade de redução de picos. Com a penetração de novas energias em grande escala e as mudanças na estrutura do consumo de eletricidade industrial, a diferença pico-vale da rede continuará a expandir-se, e o armazenamento de energia de hidrogénio tem as características de alta densidade, grande capacidade e longo prazo. Além disso, em algumas áreas, o crescimento da capacidade de transmissão de energia não consegue acompanhar o ritmo de crescimento da procura de energia. Durante o pico de procura de energia, o sistema de transmissão e distribuição estará congestionado e bloqueado, afetando o funcionamento normal do sistema de energia. Portanto, um sistema de armazenamento de energia de hidrogénio de grande capacidade pode atuar como uma “linha de transmissão virtual” e ser instalado a jusante do fluxo da secção bloqueada do sistema de transmissão e distribuição. A energia elétrica é armazenada em troços sem congestionamentos de transmissão e distribuição. O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio liberta energia eléctrica durante os picos de procura de energia, reduzindo assim os requisitos de capacidade do sistema de transmissão e distribuição e aliviando o congestionamento do sistema de transmissão e distribuição.
O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio pode realizar a arbitragem da diferença de preço da eletricidade e servir como fonte de energia de reserva de emergência do lado do utilizador. Actualmente, a maioria dos utilizadores industriais implementou o sistema de preços de electricidade de ponta para incentivar os utilizadores a planearem o seu consumo de electricidade em diferentes períodos de tempo. Com o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio, os utilizadores podem utilizar dispositivos de armazenamento de energia de hidrogénio para armazenar eletricidade durante o período do vale, quando os preços da eletricidade são mais baixos, e utilizar células de combustível para libertar eletricidade durante os períodos pico, realizando assim a arbitragem do preço da eletricidade no vale do pico.
Além disso, os geradores a diesel, as baterias de chumbo-ácido ou as baterias de lítio são atualmente a corrente principal dos sistemas de energia de reserva de emergência, que apresentam defeitos como ruído elevado, emissões elevadas de poluição ou vida útil curta, baixa densidade de energia e baixa resistência. As células móveis a combustível de hidrogénio são ecológicas, silenciosas e têm uma longa durabilidade, o que as torna uma das alternativas mais ideais. Já existem casos práticos, como por exemplo uma fonte de alimentação de emergência móvel de célula de combustível de hidrogénio única com uma potência de pilha única superior a 120 kW.
3. O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio tem vantagens e desvantagens evidentes, e a indústria está em fase de aplicação de demonstração
O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio tem vantagens evidentes em termos de capacidade de armazenamento, tempo de descarga e outros indicadores de desempenho, mas existe uma certa lacuna no custo de investimento e na eficiência de conversão. A densidade de energia do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio pode chegar aos 140MJ/kg, o que é mais de 100 vezes superior ao armazenamento de energia eletroquímica, como as baterias de lítio. Pode armazenar mais energia num volume menor, evitando eficazmente o fenómeno do desperdício de energia.
Em termos de poder calorífico, o poder calorífico do hidrogénio pode atingir 120MJ/kg, o que é 3-4 vezes superior ao da energia fóssil tradicional, como o carvão, o gás natural e o petróleo. As vantagens do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio no tempo de descarga (horas a quartos) e na escala de capacidade (nível de cem gigawatts) são óbvias em comparação com outros sistemas de armazenamento de energia. Em termos de eficiência de conversão, a eficiência de conversão de energia de armazenamento bombeado, armazenamento de energia de volante, baterias de lítio, baterias de enxofre de sódio e vários armazenamentos de energia eletromagnética está acima dos 70%.
A eficiência de produção de hidrogénio da eletrólise de água alcalina, eletrólise de água PEM e eletrólise de água de óxido sólido (SO) no processo de conversão "eletricidade-hidrogénio" do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio é de 63% -70% , 56% -60% e 74% -81% respetivamente, enquanto a eficiência de geração de energia da célula de combustível do processo de conversão "hidrogénio-eletricidade" é de apenas 50% -60%, e a perda de energia é superior do que outras tecnologias de armazenamento de energia normalmente utilizadas. A aplicação em larga escala necessita ainda de melhorias técnicas. Em termos de custo, o custo do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio é de cerca de 1850USD/kW, o que é muito mais elevado do que outros métodos de armazenamento de energia, como o armazenamento bombeado (1000USD/kW) e o armazenamento de energia eletroquímica (286USD/kW).
4. Ainda há um longo caminho a percorrer antes da aplicação em larga escala do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio, e a tecnologia e o custo são as maiores limitações
O sistema de armazenamento de energia de hidrogénio inclui principalmente três partes: sistema de produção de hidrogénio, sistema de armazenamento de hidrogénio e sistema de geração de energia de hidrogénio. Isto requer a integração de toda a cadeia da indústria da energia do hidrogénio para realizar o fluxo de energia através dos dois caminhos da cadeia da energia eléctrica e da cadeia da indústria do hidrogénio.
Embora o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio seja o caminho principal para o armazenamento de energia em grande escala no futuro, o custo do sistema de produção de hidrogénio e da geração de energia é elevado, o método convencional de transporte automóvel é dispendioso e ineficiente , garrafas de armazenamento de hidrogénio de alta pressão estão em a necessidade urgente de iteração e atualização, e equipamentos de processamento, como materiais de fibra de carbono, equipamentos de enrolamento de fibra de carbono e tanques de alta pressão, são altamente dependentes de importações. Os problemas técnicos do transporte e armazenamento de hidrogénio a longa distância tornaram-se também um factor importante que restringe o desenvolvimento da indústria nesta fase. Com a exploração de estações integradas de produção e hidrogenação de hidrogénio, estações de energia integradas de óleo de hidrogénio leve, ou através de centrais eléctricas a carvão de corte de pico junto a bases de energia eólica fotovoltaica para gerar electricidade através da mistura de hidrogénio com combustão, a indústria da energia do hidrogénio está a desenvolver-se em direção a centrais de energia integradas, e o modelo de desenvolvimento do consumo próximo pode ser capaz de resolver o dilema atual e alcançar redução de custos e melhoria de eficiência.
A adaptabilidade dos sistemas de armazenamento de energia de hidrogénio às grandes flutuações de energia dos parques eólicos necessita de ser melhorada. Devido à forte incerteza da energia eólica e solar, o intervalo de flutuação da produção de energia é muito grande. As alterações aleatórias levam a alterações frequentes na potência de entrada do dispositivo de eletrólise da água alcalina, resultando em alterações na pressão do diafragma de amianto e na concentração da solução alcalina, afetando a eficiência da eletrólise da água e a vida útil e a segurança de funcionamento do dispositivo de eletrólise. Ao mesmo tempo, a eletrólise da água requer uma fonte de alimentação CC estável para fornecer energia suficiente para conduzir a reação de eletrólise. As flutuações frequentes de energia terão um grande impacto na vida operacional do equipamento e na pureza e qualidade do hidrogénio.
Por conseguinte, é necessário realizar uma investigação aprofundada sobre a adaptabilidade dos equipamentos de produção de hidrogénio às flutuações de energia, desenvolver tecnologia de produção de hidrogénio por eletrólise de água alcalina industrial de alta potência, baixo custo e eficiente, e desenvolver a eletrólise de água por membrana de troca de protões produção de hidrogénio tecnologia que pode responder rapidamente às flutuações de energia, de modo a melhorar a adaptabilidade dos equipamentos de produção de hidrogénio por eletrólise da água às flutuações intermitentes de energia.
5. Perspetivas futuras do sistema de armazenamento de energia de hidrogénio
Nos últimos dois anos, o número de projetos de sistemas de armazenamento de energia de hidrogénio aumentou gradualmente, cultivando um novo modelo de aplicação integrado de "geração de energia eólica e solar + armazenamento de energia de hidrogénio + armazenamento bombeado", desenvolvendo a indústria de energia eólica enquanto constrói armazenamento de energia de hidrogénio centrais eléctricas do sistema e utilizando a energia do hidrogénio para alcançar a regulação da carga de pico e a conversão da electricidade da rede eléctrica em áreas com condições de recursos adequadas.
No contexto da neutralidade carbónica e do armazenamento de energia, à medida que a tecnologia de componentes-chave, como as "oito partes principais" (as oito partes principais referem-se a catalisadores, camadas de difusão, membranas de permuta de protões, eléctrodos de membrana, placas bipolares, células de combustível, ar compressores e bombas de circulação de hidrogénio) nas células de combustível melhorar gradualmente, o custo global da cadeia da indústria de energia de hidrogénio continuará a diminuir, o upstream será acoplado à produção de hidrogénio eólico e solar, e o downstream explorará aplicações de carbono zero em vários campos, e o sistema de armazenamento de energia de hidrogénio inaugurará um mercado do oceano azul.
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