淺談電-氫-電技術
發(fā)布時間：
2024-08-13
氫儲能是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的。廣義的氫儲能強調(diào)“電氫”單向轉(zhuǎn)換，以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等形式存儲氫氣(Power-to-Gas，P2G)，或者轉(zhuǎn)化為甲醇和氨氣等化學衍生物(Power-to-X，P2X)進行更安全地儲存。狹義的氫儲能是基于“電氫電”(Power-to-Power，P2P)的轉(zhuǎn)換過程，利用低谷期富余的新能源電能進行電解水制氫，儲存起來或供下游產(chǎn)業(yè)使用；在用電高峰期時，儲存起來的氫能可利用燃料電池進行發(fā)電并入公共電網(wǎng)。我們這里主要介紹狹義的氫儲能，即電-氫-電技術，其包括三個主要環(huán)節(jié)：電解水制氫、氫氣儲存以及燃料電池發(fā)電。
電解水制氫
電解水制氫是整個流程的起點，也是能耗最大的環(huán)節(jié)之一。目前，進入商業(yè)化應用主要有兩種電解技術：堿性電解和質(zhì)子交換膜(PEM)電解。
堿性電解水技術相對成熟，效率范圍在65%到80%之間。其電解槽的電耗為48.4到60.5kWh/kg氫。這種技術成本較低，但效率相對較低，且對水質(zhì)要求較高。
質(zhì)子交換膜電解水技術效率更高，在70%到85%之間。其電解槽電耗為46.2到56.1kWh/kg氫。PEM技術具有更高的電流密度、更快的響應速度和更好的兼容性，特別適合與可再生能源配套使用。然而，其成本較高，且對催化劑和膜材料的要求更嚴格。
研究人員正在努力提高電解效率，開發(fā)新型催化劑和膜材料，以降低成本并提高性能。未來，高溫電解和固體氧化物電解等新興技術可能會帶來更高的效率。
氫氣儲存
氫氣儲存是電-氫-電技術鏈中的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響系統(tǒng)的整體效率和經(jīng)濟性。
高壓氣態(tài)儲氫是目前最常用的方法，能耗相對較低，約為1到3kWh/kg。這種方法適用于中小規(guī)模的儲存需求，但對容器材料和安全性要求較高。
低溫液態(tài)儲氫能夠大幅提高儲存密度，但能耗顯著增加，達到12到15kWh/kg。液氫主要用于長距離運輸和大規(guī)模儲存，但需要復雜的絕熱系統(tǒng)和嚴格的溫控。
值得注意的是，如果使用高壓PEM電解設備，產(chǎn)生的氫氣可以直接存儲和使用，幾乎可以忽略壓縮過程的能耗，這為提高系統(tǒng)整體效率提供了可能。
燃料電池發(fā)電
燃料電池是電-氫-電技術鏈的最后一環(huán)，將氫氣中的化學能轉(zhuǎn)化為電能。目前，燃料電池系統(tǒng)的整體效率在40%到60%之間。這意味著1kg氫氣可以產(chǎn)生13.3到19.9kWh的電力。
燃料電池技術正在快速發(fā)展，不同類型的燃料電池適用于不同的應用場景。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因其低溫運行、快速啟動等特點，在交通和便攜式應用中占據(jù)主導地位。固體氧化物燃料電池(SOFC)則因其高效率和良好的熱電聯(lián)產(chǎn)性能，在固定式發(fā)電領域展現(xiàn)出巨大潛力。
研究人員正致力于提高燃料電池的效率、降低成本、延長壽命，并探索新型催化劑和膜材料。
（燃料電池發(fā)電系統(tǒng)示意圖）
展望未來
盡管電-氫-電技術目前面臨效率和成本方面的挑戰(zhàn)，但它在可再生能源集成、季節(jié)性儲能和碳中和目標實現(xiàn)等方面具有獨特優(yōu)勢。隨著技術進步和規(guī)模化應用，預計其效率將進一步提高，成本將顯著下降。
此外，氫能在工業(yè)、交通和建筑等多個領域的應用潛力，使得電-氫-電技術成為構建綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分。未來，隨著可再生能源占比提高，電網(wǎng)靈活性需求增加，電-氫-電技術有望在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更加重要的作用。
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