Hệ thống lưu trữ hydro là một công nghệ lưu trữ năng lượng quy mô lớn, lâu dài thông qua chuyển đổi hai chiều giữa năng lượng điện và hóa học, có giá trị chiến lược quan trọng trong các hệ thống năng lượng mới. Sau đây là phân tích từ các chi tiết kỹ thuật, cảnh ứng dụng, ưu thế và thách thức, v. v.

I. Cấu trúc hệ thống và công nghệ cốt lõi

1. Hệ thống sản xuất hydro

- Lộ trình kỹ thuật: chủ yếu sử dụng nước điện phân để sản xuất hydro, bao gồm điện phân kiềm (AE), điện phân màng trao đổi proton (PEM), điện phân oxit rắn nhiệt độ cao (SOEC) và các công nghệ khác. Trong số này, công nghệ điện phân kiềm đã trưởng thành và ít tốn kém, nhưng hiệu quả (khoảng 60%) và khả năng đáp ứng động bị hạn chế; PEM điện phân hiệu quả cao (khoảng 80%), kích thước nhỏ, nhưng phụ thuộc vào chất xúc tác kim loại quý; SOEC có hiệu suất lý thuyết trên 90%, nhưng cần vận hành ở nhiệt độ cao (800-950 ° C) và vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.

- Hiệu suất và chi phí: Hiệu suất điện phân hiện tại là 65% -85%, chi phí hệ thống khoảng 855 USD/kW (2020), dự kiến sẽ giảm xuống còn 305 USD/kW (20% đường cong học tập) vào năm 2030.

2. Hệ thống lưu trữ hydro

- Cách lưu trữ:

- Lưu trữ hydro ở trạng thái khí áp suất cao: công nghệ chính, mật độ khối lượng khoảng 5% ở 35MPa, 38kg/m³ ở 70MPa, nhưng tiêu thụ năng lượng nén cao (chiếm 1/3 năng lượng hóa lỏng).

- Lưu trữ hydro lỏng ở nhiệt độ thấp: mật độ thể tích tăng lên 800 lần ở trạng thái khí, nhưng tiêu thụ năng lượng hóa lỏng chiếm 1/3 nhiệt đốt hydro, tỷ lệ mất bay hơi 1% -2%/ngày.

- Lưu trữ hydro ở trạng thái rắn: lưu trữ bằng hydro kim loại (như LaNi5H6, MgH2), an toàn cao, không mất bay hơi nhưng mật độ khối lượng thấp (khoảng 5-10kWh/kg)

- Vật liệu lưu trữ hydro: bể chứa vật liệu composite sợi carbon được sử dụng rộng rãi, các lỗ muối ngầm, mỏ dầu và khí thải và các phương án lưu trữ hydro quy mô khác đang được trình diễn.

3. Hệ thống phát điện hydro

- Công nghệ pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) thích hợp cho phát điện phân tán, hiệu suất 50% -60%, mật độ công suất cao nhưng phụ thuộc vào chất xúc tác bạch kim; Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) có hiệu suất 65% và sử dụng nhiệt dư cao, thích hợp cho việc cung cấp nhiệt điện.

- Hiệu suất phát điện: Hiệu suất tổng thể của pin nhiên liệu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ tinh khiết hydro, quản lý nhiệt độ, hiệu suất hệ thống hiện tại khoảng 35% -50%.

II. Ứng dụng kịch bản và trường hợp điển hình

1. Hệ thống điện FM

- Cơ chế hoạt động: sử dụng nguồn điện dư để sản xuất hydro, sản xuất điện thông qua pin nhiên liệu ở đỉnh cao sử dụng điện hoặc tham gia trực tiếp vào việc điều chỉnh lưới điện. Ví dụ, các khu vực bị thải khí nghiêm trọng như Tây Tạng và Thanh Hải (hơn 8% vào năm 2022) có thể tiêu thụ nguồn điện biến động thông qua lưu trữ hydro.

- Trường hợp: Dự án sản xuất hydro năng lượng tái tạo Trương Gia Khẩu (200MW gió+10MW hydro) để đạt được đỉnh cao qua các mùa bằng cách lưu trữ hydro.

2. Đáp ứng nhu cầu phía người dùng được kết nối với nguồn cung cấp nhiệt lạnh

- Hydrogen từ thung lũng: phía người dùng sử dụng điện giá thấp vào ban đêm để sản xuất hydro và sưởi ấm bằng pin nhiên liệu vào ban ngày để đạt được chênh lệch đỉnh và thung lũng. Ví dụ, các khu công nghiệp có thể xây dựng các microgrid lưu trữ hydro và giảm chi phí sử dụng điện.

- Cung cấp nhiệt điện: Nhiệt thải của pin nhiên liệu có thể đáp ứng nhu cầu sưởi ấm của tòa nhà và hiệu quả năng lượng toàn diện đạt trên 80%.

3. Phân phối năng lượng xuyên khu vực

- Sản xuất hydro từ gió ngoài khơi: Điện gió biển sâu được sản xuất hydro bằng cách điện phân nước, phá vỡ giới hạn truyền tải điện. Ví dụ, dự án sản xuất hydro gió Bắc Hải của châu Âu (1GW gió+1 triệu tấn hydro mỗi năm) sử dụng các lỗ muối để lưu trữ hydro cho phép điều chỉnh theo mùa.

- Chuyển đổi mỏ dầu và khí đốt: Các mỏ dầu và khí đốt cạn kiệt có thể được chuyển đổi thành "mỏ hydro", được vận chuyển bằng đường ống pha trộn hydro (<15%), giảm chi phí vận chuyển.

III. Lợi thế và thách thức

1. Lợi thế cốt lõi

- Lưu trữ năng lượng trong thời gian dài: phù hợp với lưu trữ năng lượng trên 4 giờ đến quy mô hàng quý, có thể làm giảm biến động theo mùa của gió, quang điện.

- Quy mô lớn và xuyên khu vực: khả năng lưu trữ cấp 100 GWh, khí hydro có thể được điều phối ngoại vi bằng đường ống, vận chuyển bể, phá vỡ giới hạn địa lý.

- Thân thiện với môi trường: Toàn bộ chu kỳ "điện-hydro-điện" quá trình chỉ tạo ra nước, nếu sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất hydro, có thể đạt được không khí thải carbon.

2. Thách thức chính

- Hiệu quả và chi phí: Tổng hiệu suất "điện hydro-điện" hiện tại khoảng 30% -40%, chi phí độ điện 1,8 nhân dân tệ (2020), cao hơn nhiều so với lưu trữ lithium (0,5 nhân dân tệ) và lưu trữ bơm (<0,25 nhân dân tệ).

- Nút thắt công nghệ: vật liệu lưu trữ hydro, các thành phần quan trọng của pin nhiên liệu (như điện cực màng, tấm kép) phụ thuộc vào nhập khẩu, tỷ lệ nội địa hóa được nâng cao.

- An toàn: Hydrogen dễ cháy và nổ, cần tối ưu hóa thiết kế bể, quản lý vận chuyển và công nghệ giám sát rò rỉ.