Current Status and Prospect of Energy Storage Technology by Hydrogen Production Based on Water Electrolysis

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2021.07.001

Abstract

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

CLC Number:

TM734

CONG Lin, WANG Nan, LI Zhiyuan, LI Na, ZHOU Xichao. Current Status and Prospect of Energy Storage Technology by Hydrogen Production Based on Water Electrolysis[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2021, 0(7): 1-7.

Figures/Tables 5

References 38

[1]	刘振亚. 全球能源互联网[M]. 北京: 中国电力出版社, 2014.
[2]	刘振亚. 全球能源互联网跨国跨洲互联研究及展望[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(19):5103-5110.
[3]	李建林, 孟高军, 葛乐, 等. 全球能源互联网中的储能技术及应用[J]. 电器与能效管理技术, 2020(19):1-8.
[4]	李建林, 田立亭, 来小康. 能源互联网背景下的电力储能技术展望[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(23):15-25.
[5]	王雅婷, 苏辛一, 刘世宇, 等. 储能在高比例可再生能源系统中的应用前景及支持政策分析[J]. 电力勘测设计, 2020(1):15-19.
[6]	茆美琴, 刘云晖, 张榴晨, 等. 含高渗透率可再生能源的配电网广义储能优化配置[J]. 电力系统自动化, 2019, 43(8):77-85.
[7]	李欣然, 黄际元, 陈远扬, 等. 大规模储能电源参与电网调频研究综述[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(7):145-153.
[8]	李军徽, 冯喜超, 严干贵, 等. 高风电渗透率下的电力系统调频研究综述[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(2):163-170.
[9]	李建林, 崔宜琳, 王含, 等. 十四五储能典型政策解析[J]. 电器与能效管理技术, 2020(10):1-6.
[10]	李章溢, 房凯, 刘强, 等. 储能技术在电力调峰领域中的应用[J]. 电器与能效管理技术, 2019(10):69-73.
[11]	VENKATARAMANI G, PARANKUSAM P, RAMAL-INGAM V, et al. A review on compressed air energy storage A pathway for smart grid and polygeneration[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 62:895-907. doi: 10.1016/j.rser.2016.05.002
[12]	CHAZARRA M, PEREZDAZ J I, GARCA G J. Optimal joint energy and secondary regulation reserve hourly scheduling of variable speed pumped storage hydropower plants[J]. IEEE Transactions on Power System, 2018, 33(1):103-115. doi: 10.1109/TPWRS.2017.2699920
[13]	李相俊, 王上行, 惠东. 电池储能系统运行控制与应用方法综述及展望[J]. 电网技术, 2017, 41(10):3315-3325.
[14]	WU Z P, GAO D W, ZHANG H G, et al. Coordinated control strategy of battery energy storage and PMSG-WTG to enhance system frequency regulation capacity[J]. IEEE Transaction on Sustainable Energy, 2017, 8(3):1330-1343. doi: 10.1109/TSTE.2017.2679716
[15]	付中洲, 袁铁江, 皮霞. 含储热的电热联合系统优化调度模型[J]. 电器与能效管理技术, 2018(14):63-68.
[16]	李建林, 马会萌, 惠东. 储能技术融合分布式可再生能源的现状及发展趋势[J]. 电工技术学报, 2016, 31(14):1-10.
[17]	BEAUDIN M, ZAREIPOUR H, SCHELLENBERG-LABE A, et al. Energy storage for mitigating the variability of renewable electricity sources:An updated review[J]. Energy for Sustainable Development, 2010, 14(4):302-314. doi: 10.1016/j.esd.2010.09.007
[18]	CHOUDHURY A, CHANDRA H, ARORA A. Application of solid oxide fuel cell technology for power generation-A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 20:430-442. doi: 10.1016/j.rser.2012.11.031
[19]	许世森, 张瑞云, 程健, 等. 电解制氢与高温燃料电池在电力行业的应用与发展[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(9):2531-2537.
[20]	蒋东方, 贾跃龙, 鲁强, 等. 氢能在综合能源系统中的应用前景[J]. 中国电力, 2020, 53(5):135-142.
[21]	MAROCCO P, FERRERO D, GANDIGLIO M, et al. A study of the techno-economic feasibility of H₂-based energy storage system in remote areas[J]. Energy Conversion and Management, 2020, 211:112768. doi: 10.1016/j.enconman.2020.112768
[22]	刘金朋, 侯焘. 氢储能技术及其电力行业应用研究综述及展望[J]. 电力与能源, 2020, 41(2):230-233.
[23]	饶宇飞, 司学振, 谷青发, 等. 储能技术发展趋势及技术现状分析[J]. 电器与能效管理技术, 2020(10):7-15.
[24]	邵云峰, 刘永强, 马中静, 等. 基于蓄电池储能系统的电网合环技术研究[J]. 电器与能效管理技术, 2020(10):27-35.
[25]	杨昌海, 万志, 刘正英, 等. 氢综合利用经济性分析[J]. 电器与能效管理技术, 2019(21):83-88.
[26]	KUMAR S S, HIMABINDU V. Hydrogen production by PEM water electrolysis-A review[J]. Materials Science for Energy Technologies, 2019, 2:442-454. doi: 10.1016/j.mset.2019.03.002
[27]	GAHLEITNER G. Hydrogen from renewable electricity:An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(5):2039-2061. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.12.010
[28]	赵波, 赵鹏程, 胡娟, 等. 用于波动性新能源大规模接入的氢储能技术研究综述[J]. 电器与能效管理技术, 2018(16):1-7.
[29]	陈军, 李思儒, 彭生江, 等. 光伏分散入网条件下复合储能经济性分析[J]. 电器与能效管理技术, 2019(24):58-63.
[30]	黄涛, 许志鹏, 葛乐. 考虑风电出力随机特性的氢储能综合能源系统优化调度[J]. 电器与能效管理技术, 2020(5):72-77.
[31]	马溪原, 郭晓斌, 雷金勇. 面向多能互补的分布式光伏与气电混合容量规划方法[J]. 电力系统自动化, 2017, 41(2):230-233.
[32]	MAKOTO H, YUSUKE I, HONAMI K, et al. Simplified approach to evaluating safety distances for hydrogen vehicle fuel dispensers[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, 44(33):18639-18647. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.05.153
[33]	刘明义, 郑建涛, 徐海卫, 等. 电解水制氢技术在可再生能源发电领域的应用[C]// 2013年中国电机工程学会年会, 2013:1-6.
[34]	宋鹏飞, 侯建国, 姚辉超, 等. 电制气技术为电网提供大规模储能的构想[J]. 现代化工, 2016, 36(11):1-6.
[35]	罗宇. 高温共电解水和二氧化碳合成甲烷反应特性与系统研究[D]. 北京:清华大学, 2018.
[36]	WANG Y, BANERJEE A, DEUTSCHMANN O. Dynamic behaviour and control strategy study of CO₂/H₂O co-electrolysis in solid oxide electrolysis cells[J]. Journal of Power Sources, 2019, 412:255-264. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.11.047
[37]	GOTZ M, LEFEBVRE J, MORS F, et al. Renewable power-to-gas:a technological and economic review[J]. Renewable Energy, 2016, 85:1371-1390. doi: 10.1016/j.renene.2015.07.066
[38]	BAILERA M, LISBONA P, ROMEO L M, et al. Power to gas projects review:Lab,pilot and demo plants for storing renewable energy and CO₂[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 69:292-312. doi: 10.1016/j.rser.2016.11.130

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