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基于高温电解的大规模电力储能技术

该文受国家自然科学基金(51577096,51761135015)、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(2016YFE0102600)资助。

原文发表在《全球能源互联网》2018年第1卷第3期,欢迎品读。(点击查看)


本文引文信息

邢学韬,林今,宋永华,等. 基于高温电解的大规模电力储能技术[J]. 全球能源互联网,2018,1(3):303-312.


XING Xuetao, LIN Jin, SONG Yonghua, et al. Large Scale Energy Storage Technology Based on High-Temperature Electrolysis[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2018, 1(3): (in Chinese).

作者:邢学韬1,林今1,宋永华1,2,戚若玫1池映天13,周友4,牟树君4  

单位:1. 清华大学电机工程与应用电子技术系;2. 澳门大学电子与计算机工程系;3. 浙江臻泰能源科技有限公司;4. 北京低碳清洁能源研究所


引言


     电转气技术(power to gas,P2G)通过以电解池为核心的电转气硬件系统,可以将电能转化为氢气(H2)或甲烷(CH4)中的化学能,二者都是重要的气体燃料和工业原料,可以进入到后续的化工、交通、发电、供热、储气等丰富多样的终端应用中。此外,P2G的负荷功率相对灵活,可以快速跟踪特定的功率调节指令,作为灵活负荷资源参与到电网调度中,从而改善电网灵活性,促进可再生能源消纳。整个电转气环节是绿色环保的,主要原料是水,生成燃烧清洁的H2,几乎没有碳排放;或者在碳捕集而来的CO2参与下制取CH4,虽然CH4将来燃烧会排出CO2,但整个循环仍然是碳中性的。因此,可再生能源与电转气技术的整合是未来低碳化能源供给的美好愿景。

    电转气是实现可再生能源规模化消纳的重要技术手段之一,其核心是电解技术。根据反应温度,电解技术可以分为相对成熟的低温电解技术和相对前沿的高温电解技术。

    本文主要从工作原理、电池结构、转换模式、系统接入等方面介绍高温电解的技术特点及其在电力储能中的潜在应用。


1.高温电解的工作原理


高温电解采用固体氧化物电解质在高温下直接对气态水进行电解(如图1所示),借助高温对电解反应在动力学和热力学方面的提升,显著降低电解电压、提高电解效率,并具有高度可逆、可还原CO2等独特优势,且更便于参与高品位热量的多级利用。高温电解技术的实用化仍受制于高温下的材料退化问题和可靠密封工艺,但其应用潜力巨大。

图1 高温电解电池的原理示意图


2.高温电解池的技术分类

高温电解池可以根据结构分为板式、管式、扁管式3种。板式电池采用平面电解质、电极堆叠而成,具有面电阻低、功率密度大、易于成堆等优点,但高温下难以密封;管式电池为圆管式电解质构造,电极分别位于内、外壁,实现了低温端密封、可靠性高,但成堆要求圆管之间良好接触,因此组堆难度较高、电阻较大,功率密度较低。扁管式电池兼具了以上两种结构的优点(如图2所示),是极具潜力的新型高温电池结构。

图2 扁管式电池实物图


3.高温电解系统的转换模式


在高温电解实际运行需要必要的外围辅助系统,如图3所示。

完整的高温电解系统可工作在以下三种主要转换模式:

1

H2O电解制H2:高温电解基本转换模式,电解池效率可达85%~95%,良好的热管理设计下可达75%~83%的系统效率。

2

CO2电解制CO:高温电解技术的独特转换模式,需控制组分比例防止电池积碳,可用于航天等场景。

3

H2O+CO2共电解制合成气:高温电解通过共电解制取CO、H2合成气,也可在电池内部加压直接甲烷化,降低了反应器成本。

图3 一种外围辅助系统设计示意图


4.高温电解系统的系统接入模式


电力系统中,高温电解系统可通过以下方式接入:

1

纯电电解接入:用电为辅机及电解供能,转换为化学能储存,同时产生高温余热。

2

余热辅助电解接入:与核电、火电等相结合,利用外部热源维持高温环境,提升系统产氢效率和经济效益。

3

加压可逆储气发电:利用高温电解的可逆性储能,加压下循环效率可达80%,放电时间可达1000h,储能成本约3美分/kWh,如图4所示。

图4 储能技术对比


5.总结与展望


因其独特的技术优势,高温电解能够在高效消纳可再生能源的同时提供丰富的灵活性资源,其大规模储能方面的应用指日可待。


作者简介

邢学韬


1992,男,博士研究生


主要从事电转气系统的优化运行、电转气参与可再生能源消纳等相关技术研究工作。

林   今


1985,男,博士,副教授


主要从事新能源电力系统的运行控制、氢能的接入与控制、能源物联网等相关技术研究工作。

宋永华


1964,男,博士,教授


英国皇家工程院院士,主要从事智能电网、电力市场、多能源系统等相关技术研究工作。

戚若玫


1995,女,本科生


主要从事高温电解系统的运行调度等相关技术研究工作。

池映天


1996,男,本科生


主要从事高温电解池建模等相关技术研究工作。

吴   剑


1985,男,博士


主要从事能源互联网、高温燃料电池、电堆组件等方面的研发生产工作。

周   友


1973,男,博士


主要从事能源系统设计、分布式能源、电力电子和储能技术的研究工作。

牟树君


1984,男,博士


主要从事氢能接入与控制、电机电磁系统设计等研究工作。

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编辑赵杨

审核:白恺


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