Almacenamiento de energía a partir de hidrógeno: el futuro de las soluciones energéticas renovables
2024-11-26
Como nueva energía baja en carbono y nueva materia prima, la energía del hidrógeno es un portador clave para lograr la transformación energética y un complemento importante a la energía eléctrica en el futuro sistema de energía secundaria. Como nuevo método de almacenamiento de energía, el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno tiene las ventajas de un largo tiempo de descarga, gran capacidad, alta economía, almacenamiento y transporte flexibles y respeto al medio ambiente. Puede complementar eficazmente las deficiencias de otros sistemas de almacenamiento de energía y desempeñará un papel importante en la construcción de nuevos sistemas de energía.
En la actualidad, el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno se encuentra en la etapa de aplicación de demostración. En el futuro, con el desarrollo de la tecnología y la aplicación a gran escala, el costo del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno disminuirá significativamente, lo que es de gran importancia para servir al pico de carbono y la neutralidad de carbono.
1. El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno se desarrolla utilizando la conversión mutua de electricidad y energía de hidrógeno.
El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno puede almacenar tanto electricidad como hidrógeno y sus derivados (como amoníaco y metanol).
El estrecho sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno se basa en el proceso de conversión de “electricidad, hidrógeno y electricidad” (Power-to-Power, P2P), incluyendo principalmente electrolizadores, tanques de almacenamiento de hidrógeno y pilas de combustible.
El excedente de electricidad nueva en el período de baja demanda se utiliza para electrolizar agua para producir hidrógeno, que se almacena o utiliza en industrias posteriores; durante el período pico de consumo de electricidad, la energía del hidrógeno almacenada se puede utilizar para generar electricidad utilizando pilas de combustible e incorporarla a la red eléctrica pública.
La definición amplia del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno enfatiza la conversión unidireccional de "electricidad e hidrógeno", almacenando hidrógeno en forma gaseosa, líquida o sólida (Power-to-Gas, P2G) o convirtiéndolo en derivados químicos como metanol y amoníaco (Power-to-X, P2X) para un almacenamiento más seguro.
2. El valor de aplicación del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno es extremadamente alto y es un complemento importante para el nuevo sistema de energía.
El nuevo sistema eléctrico es un componente importante del nuevo sistema energético. Utiliza la nueva energía como fuente principal de energía. La clave reside en el desarrollo coordinado de sistemas de almacenamiento de energía con diferentes posiciones funcionales, la introducción de medios emergentes de reducción de picos de demanda a gran escala y en distintas regiones, la realización de un equilibrio energético y de potencia en diferentes escalas temporales y la integración orgánica con otras variedades de energía profundamente descarbonizadas para alcanzar el objetivo final de la neutralidad de carbono.
El nuevo sistema eléctrico es un componente importante del nuevo sistema energético. Utiliza la nueva energía como fuente principal de energía. La clave reside en el desarrollo coordinado de sistemas de almacenamiento de energía con diferentes posiciones funcionales, la introducción de medios emergentes de reducción de picos de demanda a gran escala y en distintas regiones, la realización de un equilibrio energético y de potencia en diferentes escalas temporales y la integración orgánica con otras variedades de energía profundamente descarbonizadas para alcanzar el objetivo final de la neutralidad de carbono.
El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno reduce el abandono de energía y suaviza las fluctuaciones en el lado del suministro de energía. Dado que la producción de nuevas fuentes de energía, como la fotovoltaica y la eólica, tiene una volatilidad natural, el problema del abandono de la luz y el viento siempre ha existido en el sistema eléctrico. El uso de sistemas de almacenamiento de energía de hidrógeno para convertir la electricidad que no se puede conectar a la red en hidrógeno verde en el sitio no solo puede resolver el problema del consumo de nueva energía, sino también proporcionar energía de hidrógeno limpia y barata para las industrias locales, el transporte, la construcción y otros campos.
Al mismo tiempo, el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno absorbe energía cuando el parque eólico y la central fotovoltaica están en su nivel máximo de producción y la genera cuando su nivel de producción es bajo. La curva de potencia combinada después de sumar la energía eólica y solar total a la energía de almacenamiento de hidrógeno se suaviza, lo que mejora la compatibilidad con las nuevas energías y respalda la transmisión de energía de nuevas energías a gran escala.
En el lado de la red, el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno proporciona capacidad de reducción de picos y alivia la congestión en las líneas de transmisión y transformación. La capacidad de la red para recibir y absorber nueva energía depende en gran medida de su capacidad de reducción de picos. Con la penetración de nueva energía a gran escala y los cambios en la estructura del consumo eléctrico industrial, la diferencia de pico a valle de la red seguirá expandiéndose, y el almacenamiento de energía de hidrógeno tiene las características de alta densidad, gran capacidad y almacenamiento a largo plazo, lo que puede proporcionar una considerable capacidad auxiliar de reducción de picos. Además, en algunas áreas, el crecimiento de la capacidad de transmisión de energía no puede seguir el ritmo del crecimiento de la demanda de energía. Durante la demanda máxima de energía, el sistema de transmisión y distribución se congestionará y bloqueará, lo que afectará el funcionamiento normal del sistema eléctrico. Por lo tanto, un sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno de gran capacidad puede actuar como una "línea de transmisión virtual" y se instalará aguas abajo del flujo de la sección bloqueada del sistema de transmisión y distribución. La energía eléctrica se almacena en secciones sin congestión de transmisión y distribución. El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno libera energía eléctrica durante los picos de demanda de energía, reduciendo así los requisitos de capacidad del sistema de transmisión y distribución y aliviando la congestión del sistema de transmisión y distribución.
El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno puede realizar un arbitraje de la diferencia de precio de la electricidad y servir como una fuente de energía de respaldo de emergencia en el lado del usuario. En la actualidad, la mayoría de los usuarios industriales han implementado el sistema de precio de electricidad de pico-valle para alentar a los usuarios a planificar su uso de electricidad en diferentes períodos de tiempo. Con el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno, los usuarios pueden usar dispositivos de almacenamiento de energía de hidrógeno para almacenar electricidad durante el período valle cuando los precios de la electricidad son más bajos, y usar celdas de combustible para liberar electricidad durante los períodos pico, logrando así un arbitraje de precio de electricidad de pico-valle.
Además, los generadores diésel, las baterías de plomo-ácido o las baterías de litio son la corriente principal de los sistemas de energía de respaldo de emergencia en la actualidad, que tienen defectos como alto nivel de ruido, altas emisiones de contaminación o corta vida útil, baja densidad de energía y poca resistencia. Las pilas de combustible de hidrógeno móviles son respetuosas con el medio ambiente, silenciosas y tienen una larga duración, lo que las convierte en una de las alternativas más ideales. Ya existen casos prácticos, como un suministro de energía de emergencia móvil con una sola pila de combustible de hidrógeno con una potencia de pila única de más de 120 kW.
3. El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno tiene ventajas y desventajas obvias, y la industria se encuentra en la etapa de aplicación de demostración.
El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno tiene ventajas obvias en cuanto a capacidad de almacenamiento, tiempo de descarga y otros indicadores de rendimiento, pero existe una cierta brecha en el costo de inversión y la eficiencia de conversión. La densidad energética del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno puede alcanzar los 140 MJ/kg, que es más de 100 veces la del almacenamiento de energía electroquímica, como las baterías de litio. Puede almacenar más energía en un volumen más pequeño, evitando eficazmente el fenómeno del desperdicio de energía.
En términos de valor calorífico, el poder calorífico del hidrógeno puede alcanzar los 120 MJ/kg, lo que es 3-4 veces el de las energías fósiles tradicionales, como el carbón, el gas natural y el petróleo. Las ventajas del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno en el tiempo de descarga (de horas a cuartos) y la escala de capacidad (nivel de cien gigavatios) son obvias en comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía. En términos de eficiencia de conversión, la eficiencia de conversión de energía del almacenamiento por bombeo, el almacenamiento de energía de volante de inercia, las baterías de litio, las baterías de azufre de sodio y varios sistemas de almacenamiento de energía electromagnética es superior al 70%.
La eficiencia de producción de hidrógeno de la electrólisis de agua alcalina, la electrólisis de agua PEM y la electrólisis de agua de óxido sólido (SO) en el proceso de conversión de "electricidad-hidrógeno" del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno es del 63%-70%, 56%-60% y 74%-81% respectivamente, mientras que la eficiencia de generación de energía de la pila de combustible del proceso de conversión de "hidrógeno-electricidad" es solo del 50%-60%, y la pérdida de energía es mayor que la de otras tecnologías de almacenamiento de energía de uso común. La aplicación a gran escala aún necesita mejoras técnicas. En términos de costo, el costo del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno es de aproximadamente 1850 USD/kW, que es mucho más alto que otros métodos de almacenamiento de energía como el almacenamiento por bombeo (1000 USD/kW) y el almacenamiento de energía electroquímica (286 USD/kW).
4. Todavía queda un largo camino por recorrer antes de la aplicación a gran escala del sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno, y la tecnología y el costo son las mayores limitaciones.
El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno incluye principalmente tres partes: sistema de producción de hidrógeno, sistema de almacenamiento de hidrógeno y sistema de generación de energía de hidrógeno. Esto requiere la integración de toda la cadena de la industria de energía de hidrógeno para lograr el flujo de energía a través de las dos rutas de la cadena de energía eléctrica y la cadena de la industria del hidrógeno.
Aunque el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno es la vía principal para el almacenamiento de energía a gran escala en el futuro, el costo del sistema de producción de hidrógeno y la generación de energía son altos, el método de transporte en automóvil convencional es costoso e ineficiente, las botellas de almacenamiento de hidrógeno a alta presión necesitan una iteración y actualización urgentes, y los equipos de procesamiento como los materiales de fibra de carbono, los equipos de bobinado de fibra de carbono y los tanques de alta presión dependen en gran medida de las importaciones. Los problemas técnicos del transporte de hidrógeno a larga distancia y el almacenamiento de hidrógeno también se han convertido en un factor importante que restringe el desarrollo futuro de la industria en esta etapa. Con la exploración de estaciones integradas de producción e hidrogenación de hidrógeno, estaciones de energía integradas de petróleo de hidrógeno ligero o mediante las plantas de energía a carbón que reducen los picos de demanda junto a las bases de energía eólica fotovoltaica para generar electricidad mezclando hidrógeno con combustión, la industria de la energía del hidrógeno se está desarrollando hacia estaciones de energía integradas, y el modelo de desarrollo del consumo cercano puede ser capaz de resolver el dilema actual y lograr una reducción de costos y una mejora de la eficiencia.
Es necesario mejorar la adaptabilidad de los sistemas de almacenamiento de energía de hidrógeno a las amplias fluctuaciones de potencia de los parques eólicos. Debido a la fuerte incertidumbre de la energía eólica y solar, el rango de fluctuación de la potencia de salida es muy grande. Los cambios aleatorios provocan cambios frecuentes en la potencia de entrada del dispositivo de electrólisis de agua alcalina, lo que da como resultado cambios en la presión del diafragma de amianto y la concentración de la solución alcalina, lo que afecta la eficiencia de la electrólisis del agua y la vida útil y la seguridad de funcionamiento del dispositivo de electrólisis. Al mismo tiempo, la electrólisis del agua requiere una fuente de alimentación de CC estable para proporcionar suficiente energía para impulsar la reacción de electrólisis. Las fluctuaciones frecuentes de energía tendrán un gran impacto en la vida útil del equipo y en la pureza y calidad del hidrógeno.
Por lo tanto, es necesario realizar una investigación en profundidad sobre la adaptabilidad de los equipos de producción de hidrógeno a las fluctuaciones de energía, desarrollar tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua alcalina industrial de alta potencia, bajo costo y eficiente, y desarrollar tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones que pueda responder rápidamente a las fluctuaciones de energía, a fin de mejorar la adaptabilidad de los equipos de producción de hidrógeno por electrólisis de agua a las fluctuaciones de energía intermitentes.
5. Perspectivas futuras del sistema de almacenamiento de energía a partir de hidrógeno
En los últimos dos años, el número de proyectos de sistemas de almacenamiento de energía de hidrógeno ha aumentado gradualmente, cultivando un nuevo modelo de aplicación integrada de "generación de energía eólica y solar + almacenamiento de energía de hidrógeno + almacenamiento por bombeo", desarrollando la industria de la energía eólica mientras se construyen centrales eléctricas de sistemas de almacenamiento de energía de hidrógeno y utilizando la energía del hidrógeno para lograr la regulación de la carga máxima y la conversión de la electricidad de la red eléctrica en áreas con condiciones de recursos adecuadas.
En el contexto de la neutralidad de carbono y el almacenamiento de energía, a medida que la tecnología de componentes clave como las "ocho partes principales" (las ocho partes principales se refieren a catalizadores, capas de difusión, membranas de intercambio de protones, electrodos de membrana, placas bipolares, celdas de combustible, compresores de aire y bombas de circulación de hidrógeno) en las celdas de combustible mejora gradualmente, el costo general de la cadena de la industria de la energía del hidrógeno seguirá disminuyendo, el upstream se acoplará con la producción de hidrógeno eólico y solar, y el downstream explorará aplicaciones de carbono cero en múltiples campos, y el sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno marcará el comienzo de un mercado de océano azul.
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