El sistema de almacenamiento de energía de hidrógeno es una tecnología que realiza el almacenamiento de energía a largo plazo y a gran escala a través de la conversión bidireccional de energía eléctrica y química, y tiene un importante valor estratégico en el nuevo sistema energético. A continuación se analizan los detalles técnicos, los escenarios de aplicación, las ventajas y los desafíos:

I. composición del sistema y tecnología básica

1. sistema de producción de hidrógeno

- ruta técnica: se utiliza principalmente agua electrolítica para producir hidrógeno, incluyendo electrolisis alcalina (ae), electrolisis de membrana de intercambio de protones (pem), electrolisis de óxido sólido de alta temperatura (soec) y otras tecnologías. Entre ellos, la tecnología de electrolisis alcalina es madura y de bajo costo, pero la eficiencia (alrededor del 60%) y la capacidad de respuesta dinámica son limitadas; La electrolisis Pem es eficiente (alrededor del 80%) y de pequeño tamaño, pero depende de catalizadores de metales preciosos; La eficiencia teórica de soec supera el 90%, pero requiere una operación de alta temperatura (800 - 950 ° c) y todavía está en la etapa de investigación y desarrollo.

- eficiencia y coste: la eficiencia actual de las células electroliticas es del 65% - 85%, el coste del sistema es de unos 855 dólares / kW (2020), y se espera que se reduzca a 305 dólares / kW (tasa de curva de aprendizaje del 20%) en 2030.

2. sistema de almacenamiento de hidrógeno

- modo de almacenamiento:

- almacenamiento de hidrógeno gaseoso a alta presión: tecnología convencional, con una densidad de masa de alrededor del 5% a 35 MPA y un consumo de energía de compresión alto (1 / 3 de la energía de licuefacción) de 38 kg / MWH a 70 mpa.

Almacenamiento de hidrógeno líquido a baja temperatura: la densidad aparente aumenta a 800 veces la del gas, pero el consumo de energía de licuefacción representa 1 / 3 del calor de combustión del hidrógeno y la tasa de pérdida de evaporación es del 1% al 2% por día.

- almacenamiento de hidrógeno en estado sólido: almacenamiento con hidruros metálicos (como lani5h6, mgh2), de alta seguridad, sin pérdidas por evaporación, pero con baja densidad de masa (unos 5 - 10 kWh / kg)

Materiales de almacenamiento de hidrógeno: los tanques de almacenamiento de materiales compuestos de fibra de carbono son ampliamente utilizados, y se están demostrando programas de almacenamiento de hidrógeno a gran escala, como Cuevas de sal subterráneas y campos de petróleo y gas abandonados.

3. sistemas de generación de energía de hidrógeno

- tecnología de pilas de combustible: pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (pemfc) adecuadas para la generación distribuida, con una eficiencia del 50% al 60%, una alta densidad de potencia pero dependientes de catalizadores de platino; La eficiencia de las pilas de combustible de óxido sólido (sofc) es del 65%, y la tasa de utilización del calor residual es alta, lo que es adecuado para la cogeneración.

- eficiencia de la generación de energía: la eficiencia general de las pilas de combustible se ve afectada por factores como la pureza del hidrógeno y la gestión de la temperatura, y la eficiencia actual del sistema es de aproximadamente 35% - 50%.

II. escenarios de aplicación y casos típicos

1. regulación de picos y frecuencia del sistema eléctrico

- mecanismo de acción: producción de hidrógeno utilizando electricidad excedente, generación de energía a través de pilas de combustible en el pico de consumo de electricidad o participación directa en la regulación del pico de la red eléctrica. Por ejemplo, las zonas con abandono grave del viento y la luz, como el Tíbet y Qinghai (la tasa de abandono de la luz superó el 8% en 2022), pueden absorber fuentes de energía volátiles a través del almacenamiento de hidrógeno.

Caso: proyecto de producción de hidrógeno de energía renovable de Zhangjiakou (energía eólica de 200 MW + producción de hidrógeno de 10 mw), que realiza el ajuste pico intertemporal a través del almacenamiento de hidrógeno.

2. respuesta a la demanda del lado del usuario y suministro conjunto de energía fría y térmica

- producción de hidrógeno a partir de la electricidad del valle: el lado del usuario utiliza electricidad de bajo precio por la noche para producir hidrógeno y se alimenta y calienta a través de pilas de combustible durante el día para lograr el arbitraje del valle pico. Por ejemplo, los parques industriales pueden construir microredes de almacenamiento de energía de hidrógeno para reducir el costo de la electricidad.

- cogeneración: el calor residual de las pilas de combustible puede satisfacer las necesidades de calefacción de los edificios, con una eficiencia energética integral de más del 80%.

3. asignación interregional de energía

- producción de hidrógeno a partir de la energía eólica marina: la energía eólica marina de gran alcance produce hidrógeno a través del agua electrolítica, rompiendo las restricciones de transmisión. Por ejemplo, el proyecto europeo de producción de hidrógeno a partir de la energía eólica del Mar del Norte (energía eólica de 1gw + producción anual de 1 millón de toneladas de hidrógeno) utiliza Cuevas de sal para almacenar hidrógeno para lograr ajustes estacionales.

- transformación de campos de petróleo y gas: los campos de petróleo y gas agotados se pueden transformar en "campos de gas de hidrógeno", transportados a través de tuberías mezcladas con hidrógeno (menosdel 15%), reduciendo los costos de transporte.

III. ventajas y desafíos

1. ventajas básicas

Almacenamiento de energía a largo plazo: adecuado para almacenamiento de energía de más de 4 horas a escala trimestral, puede estabilizar las fluctuaciones estacionales de la energía eólica y fotovoltaica.

- a gran escala e interregional: capacidad de almacenamiento de 100 gwh, el hidrógeno se puede desplegar en diferentes lugares a través del transporte de tuberías y tanques, rompiendo las limitaciones geográficas.

- Protección del medio ambiente: el proceso "eléctrico - hidrógeno - eléctrico" de todo el ciclo solo produce agua, y si se utiliza energía renovable para producir hidrógeno, se pueden lograr cero emisiones de carbono.

2. principales desafíos

- eficiencia y coste: la eficiencia total actual de "electricidad - hidrógeno - electricidad" es de aproximadamente 30% - 40%, y el costo de la electricidad por kilovatio es de 1,8 yuanes (2020), que es mucho más alto que el almacenamiento de energía de batería de litio (0,5 yuanes) y el almacenamiento por bombeo (> 0,25 yuanes).

Cuello de botella técnico: los materiales de almacenamiento de hidrógeno, los componentes clave de las pilas de combustible (como electrodos de membrana, placas bipolares) dependen de las importaciones, y la tasa de localización debe mejorarse.

Seguridad: el hidrógeno es inflamable y explosivo, y es necesario optimizar el diseño del tanque de almacenamiento, la gestión del transporte y la tecnología de monitoreo de fugas.