O sistema de armazenamento de hidrogênio é uma tecnologia que permite o armazenamento de energia em larga escala através da conversão bidirecional de energia elétrica e química e tem um valor estratégico importante em novos sistemas de energia. A seguinte análise é feita em termos de detalhes técnicos, cenários de aplicação, vantagens e desafios:

Composição do sistema e tecnologia básica

1. Sistemas de hidrogênio

- Rota técnica: principalmente hidrogênio hidráulico eletrólito, incluindo eletrólise alcalina (AE), eletrólise de membrana de troca de prótons (PEM), eletrólise de óxido sólido de alta temperatura (SOEC) e outras tecnologias. A tecnologia de eletrólise alcalina é madura e de baixo custo, mas a eficiência (cerca de 60%) e a capacidade de resposta dinâmica são limitadas. Alta eficiência de eletrólise PEM (cerca de 80%), pequeno volume, mas dependente de catalisadores de metais preciosos; A eficiência teórica do SOEC é superior a 90%, mas é necessário operar a altas temperaturas (800-950 ° C) e ainda está em fase de pesquisa e desenvolvimento.

Eficiência e custo: a eficiência atual do eletrólito é de 65% a 85%, o custo do sistema é de cerca de US $ 855 / kW (2020) e espera-se que caia para US $ 305 / kW em 2030 (taxa de curva de aprendizagem de 20%).

2. Sistema de armazenamento de hidrogênio

- Modo de armazenamento:

Hidrogênio de armazenamento de gás de alta pressão: tecnologia principal, densidade de massa de cerca de 5% sob 35MPa, 70MPa até 38kg / m³, mas o consumo de energia de compressão é alto (1/3 da energia liqueficada).

Hidrogênio líquido de armazenamento a baixa temperatura: a densidade de volume aumentou para 800 vezes o gás, mas o consumo de energia liqueficada representa 1/3 do calor de queima do gás de hidrogênio, a taxa de perda de evaporação é de 1% -2% / dia.

- Armazenamento de hidrogênio em estado sólido: armazenamento com hidrogênio metálico (como LaNi5H6, MgH2), alta segurança, sem perda de evaporação, mas baixa densidade de massa (cerca de 5-10 kWh / kg)

- Materiais de armazenamento de hidrogênio: tanques de armazenamento de materiais compósitos de fibra de carbono são amplamente utilizados, e programas de armazenamento de hidrogênio em escala como cavernas de sal subterrâneas, campos de petróleo e gás residuais estão sendo demonstrados.

3. Sistemas de geração de energia de hidrogênio

Tecnologia de células de combustível: as células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) são adequadas à geração distribuída de energia, com eficiência de 50% -60%, alta densidade de potência, mas dependendo de catalisadores de platina; Células de combustível de óxido sólido (SOFC) com eficiência de até 65% e alta utilização do calor residual são adequadas para fornecimento térmico-elétrico.

Eficiência da geração de energia: a eficiência geral da célula de combustível é afetada pela pureza do hidrogênio, gestão da temperatura e outros fatores, e a eficiência atual do sistema é de cerca de 35% -50%.

Cenários de aplicação e casos típicos

1. regulação de pico do sistema de energia

- Mecanismo de ação: utilização do excesso de energia elétrica para produzir hidrogênio, gerar eletricidade através de células de combustível no pico de consumo elétrico, ou participar diretamente no pico de regulação da rede elétrica. Por exemplo, o Tibete, Qinghai e outras regiões com maior perda de luz do vento (taxa de perda de luz superior a 8% em 2022) podem absorver energia volatilidade através do armazenamento de hidrogênio.

- Caso: Projeto de produção de hidrogênio de energia renovável de Zhangjiakou (energia eólica de 200MW + produção de hidrogênio de 10MW), alcançando picos intersazonais através do armazenamento de hidrogênio.

2. Resposta à demanda do lado do usuário e fornecimento de conexões de calor e frio

- Produção de hidrogênio do vale: o lado do usuário utiliza hidrogênio elétrico de baixo custo durante a noite, aquecimento durante o dia através de células de combustível, para alcançar a arbitragem do vale do pico. Por exemplo, parques industriais podem construir microredes de armazenamento de hidrogênio para reduzir os custos de eletricidade.

O calor residual da célula de combustível pode atender às necessidades de aquecimento do edifício, com eficiência energética integrada de mais de 80%.

Distribuição de energia interregional

- Produção de hidrogênio eólica offshore: a energia eólica offshore ultrapassa os limites de transmissão de energia através da eletrólise do hidrogênio. Por exemplo, o projeto eólico do Mar do Norte na Europa (1GW de energia eólica + 1 milhão de toneladas de hidrogênio por ano) utiliza o armazenamento de hidrogênio em buracos salinos para a regulação sazonal.

Transformação de campos de petróleo e gás: os campos de petróleo e gás esgotados podem ser transformados em "campos de hidrogênio", transportados por hidrogênio dopado (<15%) através de oleodutos, reduzindo os custos de transporte.

Vantagens e desafios

1. Vantagens principais

- Armazenamento de energia a longo prazo: adequado para armazenamento de energia de mais de 4 horas a escala trimestral, que pode reduzir as flutuações sazonais da energia eólica e fotovoltaica.

- Massivo e transregional: capacidade de armazenamento de 100 GWh, o hidrogênio pode ser redistribuído através de oleodutos e tanques para ultrapassar as restrições geográficas.

- Ambientalidade: o processo "elétrico-hidrogênio-elétrico" de ciclo completo gera apenas água, o que pode alcançar emissões zero de carbono com o uso de fontes renováveis ​​para produzir hidrogênio.

2. Principais desafios

Eficiência e custo: a atual eficiência total de "eletricidade-hidrogênio-eletricidade" é de cerca de 30% -40%, com custos de eletricidade de 1,8 yuan (2020), muito mais altos do que o armazenamento de energia elétrica de lítio (0,5 yuan) e armazenamento de água de bombeamento (<0,25 yuan).

Gargalo técnico: materiais de armazenamento de hidrogênio, componentes-chave da célula de combustível (como eletrodos de membrana, placas bipolares) dependem das importações, e a taxa de domesticação deve ser melhorada.

Segurança: o hidrogênio é inflamável e explosivo, o que requer a otimização do projeto do tanque, gestão do transporte e tecnologia de monitoramento de vazamentos.