电解水制氢储能技术现状与展望

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2021.07.001

摘要/Abstract

摘要：

太阳能、风能等可再生能源的规模化开发利用推动全球范围内能源互联网的发展,储能是可再生能源高占比能源系统中的关键支撑技术之一。氢能具有能源储存时间跨度长、运输距离远、消纳利用渠道多等特点,以氢作为储能载体的电解水制氢技术可望促进大规模可再生能源的整合与消纳,是未来储能产业的重要发展方向。首先比较了包括氢储能在内的各种储能技术特点,其次重点阐述了各种电解水制氢技术的原理、特性与应用现状,概述了氢能储运与利用等产业链相关技术的发展现状。在此基础上,对电解水制氢、氢能储运及利用技术的发展趋势进行了展望。

关键词: 储能, 可再生能源, 电解水, 制氢, 发展趋势

Abstract:

The large-scale development and utilization of renewable energy including solar and wind energy promote the development of energy Internet around the world.Energy storage is one of the key technologies in integrated energy systems with a high proportion of renewable energy.With the advantages of long-term energy storage,long transportation distance and abundant ways of consumption and utilization,hydrogen-based energy storage technology by water electrolysis will promote the penetration of renewable energy and play a significant role in the future.In this work,the characteristics of various energy storage technologies are compared.The working principles,characteristics and current applications of various water electrolysis technologies are thoroughly discussed.The development of related hydrogen storage,transportation,and utilization technologies are briefly summarized.Finally,the development trends of hydrogen production by water electrolysis,as well as the hydrogen storage,transportation and utilization technologies are prospected.

Key words: energy storage, renewable energy, water electrolysis, hydrogen production, development trend

中图分类号:

TM734

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图/表 5

表1

图1

表2

表3

图2

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储能类型	效率/%	容量/MW	成本/(元·kWh^-1)	时间尺度	运行特点	应用场景
抽水蓄能	70~80	100~5 000	300~500	小时级以上	能量储存容量大	可再生能源消纳、并网,削峰填谷
压缩空气	70~89	5~300	20~50
氢储能	60~92	0~50	30 000
热储能	—	0~300	—
电池储能	70~95	0~0.25	1 500~2 000 (磷酸铁锂电池)	分钟~小时级	充放电转换频繁,效率高	可再生能源消纳、并网,应急电源,调频
超级电容	84~95	<0.3	>10 000	分钟级以下	毫秒级响应速度,大功率充放电	改善电能质量;微网暂态支撑
超导储能	95~98	0.1~10	6 000~60 000
飞轮储能	90~95	0~0.25	2 000~5 000

指标	电解水制氢技术
指标	碱性	固体聚合物	固体氧化物
电流密度/ (A·cm^-2)	1~2	1~10	0.2~0.4
工作电压/V	1.8~2.4	1.8~2.2	0.9~1.3
效率/%	60~80	65~85	81~92
运行温度/℃	60~80	50~80	900~1 000
冷启动时间	分钟级	秒级	—
波动适应性	差	较好	差
单机规模/ (Nm³H₂·h^-1)	1 000	500	—
投资成本/ (元·Nm^-3)	6 000~8 000	碱性的2~4倍	—
产业化程度	成熟	商业化推广	实验室阶段

指标	高压气态储氢	低温液态储氢	有机液态储氢	固态储氢
质量储氢密度/%	1.0~5.7	5.7~10	5.0~7.2	1.0~4.5
体积储氢密度/ (g·L^-1)	~25	~70	40~50	~170
优点	技术成熟、成本低、充放氢速度快	体积储氢密度高、液化氢纯度高	储氢密度高、可循环多次使用	体积储氢密度高、无需高压容器
缺点	储氢密度低	液化过程能耗大	成本高、操作条件苛刻	成本高、吸放氢有温度要求