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李志念:氢规模储能技术研发进展

2018-9-12 09:54| 发布者: admin| 查看: 2510| 评论: 0|原作者: 中国储能网新闻中心|来自: 中国储能网

摘要: 中国储能网讯:9月9日,第二届储能电池技术发展方向研讨会在京召开。 本次会议由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与中国科学院电工研究所储能技术研究组联合主办,北京好风光储能技术有限公司、浙江南 ...

中国储能网讯:9月9日,第二届储能电池技术发展方向研讨会在京召开。

本次会议由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与中国科学院电工研究所储能技术研究组联合主办,北京好风光储能技术有限公司、浙江南都电源动力股份有限公司、中天储能科技有限公司、长兴太湖能谷科技有限公司及合肥博澳国兴能源技术有限公司等单位联合支持。

有研工程技术研究院高级工程师、博士李志念出席了本次会议,并发表了题为《氢规模储能技术研发进展》的报告,以下为演讲全文


李志念:各位专家、各位嘉宾大家下午好!非常荣幸今天有机会跟大家进行一个交流。首先简单介绍一下我们单位,我们单位在之前叫做北京有色金属研究总院,是国资委直属中央企业,2017年底应国家要求由全民所有制转为股份制,单位更名为有研科技集团公司。总院将其直属的研究室所整合成立了有研工程技术研究院,负责行业关键共性技术和应用研发,我们部门—能源材料与技术研究所是其中一部分。我们北京有色院也是国内做电池的一个老的单位,现在我们跟国内五大汽车厂家还有电池的一些厂家成立了国联汽车动力电池研究院,是国内动力电池研究的重要力量。

我这个部门主要是做氢能这一块,我们也是中国可再生能源协会氢能专业会的主任委员和秘书长单位,秘书处就在我们团队。很高兴上午听到华中科技大学李老师关于SOFC的报告,让我感觉很亲切,也说明氢能技术在储能也开始发挥作用。

我今天的报告主要是从氢的规模储能这一块讲,主要讲两个部分,一个是规模储氢,另一个是规模储热,近年来随着可再生能源快速发展,氢的规模储能在国际上成为研究热点。在我们中国随着可再生能源的快速发展,可再生能源的储能越来越受到国家层面重视,2017年我国可再生能源弃电量超过一千亿千瓦时,氢规模储能是解决可再生能源效率的重量途径之一。氢储能跟其他的储能来比,有独特的优势,一个氢的储能单体可大可小,可以做到数十兆瓦,甚至上百兆瓦也可以做到便携式,另外一个氢的储能不存在存放时间的限制,他可以跨季、甚至跨年的储存。在用途上,氢储能的应用途径也很多,既可通过燃料电池发电反馈电网,也可以作为工业气体应用。

今天早晨很高兴听到刘秘书长介绍,国际上已有20多个兆瓦的规模储氢应用,据我们统计,目前,规模已经超过20MW。如何实现氢的安全、高效储存是氢规模储能是的关键。可以因地制宜,采用洞穴储氢,可以采用高压气态储罐,还可以采用以储氢材料为介质的固态储氢,这是目前储氢密度最高,也是最安全的储氢方式。现在简单的跟大家分享一下国际上的一些比较典型的兆瓦级的氢规模储能示范项目,实现是德国柏林机场的Power-to-gas示范项目,其采用风电电解水制氢,氢有多种用途,一是为机场的燃料汽车加氢,二是热电联供,还有另外一部分掺入到天然气管路上,直接给附近的居民来使用,其储氢方式采用了气态高压储罐,占用体积较大,压力较高。为更好的解决储氢问题,欧盟支持开展了INGRID项目,具体在意大利进行实施的,采用镁基氢化物为介质储存可再生能源电解水产生的氢气,其储氢量为1000kg ,对应储能达39MW。镁基氢化物储氢密度高,但放氢需要300℃ 左右的高温,给应用带来一定的不便,在项目中,在镁基储氢罐外面包裹了厚厚的一层相变储热材料,以实现氢气的可逆储存。

第三个项目是日本TOSHIBA公司的H2ONE项目,其完全依靠可再生能源实现对一座宾馆供能。白天将光伏产生的多余的电电解制氢,储存在储氢合金罐内,晚上将储存的氢气释放出来通过燃料电池对宾馆供电和供热。其储氢合金选用稀土系AB5型储氢合金,可实现常温工作,避免了镁基储氢材料300℃高温的问题。但稀土系合金在规模储能应用也存在一些问题,主要在于它的成本偏高,容量偏低。针对这些问题,这些年来我们也做了很多工作。想把的氢规模储能用上去,主要解决了三个关键技术问题。首先是高容量、低成本储氢合金的研制和规模制备,通过我们近十年的努力,最新开发出来低成本钛锰系AB2型储氢合金,有效储氢容量比稀土系提高20%-30%,而单位原材料成本只有稀土系的三分之一,大幅度降低了成本,为其规模应用铺平了道路。由于这种钛锰系合金原材料含有大量的钛、锆等高熔点、高活性金属元素,规模制备还是比较困难的。我们经过了三年左右的努力,目前我们在国内率先突破该体系合金单批次百公斤级规模制备技术,目前已经具备了工业化生产的技术能力。

第二个因为固态储氢一个化学的储存过程,它既是一个反应器,也是一个热交换器,如何实现氢快速的吸收和释放,是储氢系统研制的核心问题,必然要求我们进行一个模拟仿真,通过模拟设计指导我们的系统研制。我们的工作主要是把材料热力学和动力学特性,代入他的三维传热传质方程,实现了准确的模拟仿真。我们在这个基础上建立一个三维设计的平台,并研制出了单体储氢容量达500立方的储氢罐,并在我们怀柔基地建立了从风电电解制氢到燃料电池发电一个完整的示范系统,初步解决了非稳定风电电解制氢控制技术和制氢--储氢耦合技术。这是我们示范系统在比较小的风速下持续工作的曲线,可以显示我们系统在非稳定的风电下基本可以实现一个连续的制氢。同时我们对储气罐和燃料电池联机进行了多次的测试,无论是是全功率还是各种波动功率下,我们的储氢罐供氢速度,压力特性完全能够满足燃料电池应用需要。在这个基础上,我们进一步开发1000立方米级的固态储氢系统,也就是大概3兆瓦时的储能,我们对这个装置成本计算,储能的成本大概只有三毛钱每瓦时,跟电池比起来有比较好的竞争力。同时我们这个固态储氢我刚才讲到由于它是一种化学吸附,对氢的化学选择性吸入,可在储放的同时,实现对氢的纯化,我们就对储氢系统充入纯度为4N的普氢,可释放出来6N的超纯氢,氢气价值可实现数十倍的提升,纯度6N及以上的超纯氢在电子工业,尤其是LED和半导体工业有良好的应用前景和巨大市场空间。关于规模储氢简单汇报到这里。

第二个方面就是规模的储热,规模储热也是可再生能源高效利用这样一个背景,主要是太阳能光热发电,近几年国家能源局批复太阳能光热电站达到了数GW,但要想实现24小时持续的发电,必须配有相应的储热系统。目前的储热系统以熔盐为主,熔盐的问题在于它的单位储热密度比较低,只有200kJ/kg左右,并且存在腐蚀管道和低温凝结等问题。跟熔盐相比,我们氢化物储热,达到2.9MJ/kg,是熔盐储热密度的十几倍,同时它利用氢气为介质,在整个工作过程中,不会产生腐蚀,也是目前单位储热密度最高的一种储热介质。我们认为氢化物储热要想应用必须突破这样三个方面的关键技术,首先是高容量长寿命的氢化物材料研制技术,镁基氢化物氢化速度慢,且在390度左右的高温下容易产生晶粒长大,导致性能下降,通过纳米化提高氢化反应速度,并通过高温相的加入,抑制它的高温晶粒长大,提高它的高温工作的稳定性,目前,我们已经成功的开发出了一种储热材料,可实现两分钟完成90%的储氢容量,并且经过100次的循环,它的容量衰减只有0.7%,这个储热密度因为加了稀土元素而有所下降,实测达到2.2兆焦每公斤,也是熔盐的十倍左右。解决了材料问题,如何实现该材料的规模制备是另一关键技术难题,由于氢化镁制备困难,导致其价格高昂,氢化镁从国外公司买的话,每十克两千块钱左右,是天价。我们也是花了很长的时间来解决氢化镁规模制备技术难题,最终实现了氢化镁单批制备能力由g级到50kg级的跨越。在这个基础上我们就开始设计研制了高密度氢化物储热装置,这是我们设计出的装置示意图,储热容量达到1000 MJ以上。

我们氢化物储热跟熔盐储热有区别,有一个储热罐必须有一个配对的储氢罐,白天的时候向储热系统通入400度左右的导热油,使储热系统氢化镁放氢,吸收大量热量,实现热量储存,晚上需要储热系统对外供热的时候,通过储氢罐对储热罐供氢,储热罐吸氢释放出白天储存的热量,从而保证电站在夜晚连续工作。我们研制出了配对用的储氢材料,以及相应的储氢罐,通过工况、压力以及容量、速率等各方面匹配,最后做出了这样一个千兆焦级的规模储热系统,在这个基础上,建立了太阳能光集热氢化物储热这样一个完整的示范系统。所示为示范系统照片,这个中间亮色的是我们氢化物储热罐,灰色的是我们配对用的储氢罐,这是我们实测一个曲线,实测我们的储热密度也是达到1000兆焦以上,连续供热速率6-8兆焦每分钟,对应材料储热密度达到1.8兆焦每公斤,后面放热过程没有完全完成,完成了材料的储热密度有望达到2兆焦每公斤以上。

对我的报告做一个简单总结,我们认为氢的规模储能是解决可再生能源消纳,提高可再生能源利用效率一个重要途径。基于我们低成本储氢材料的高密度储氢装置在规模储能领域展现比较强的竞争力。储热方面,以氢化物储热为代表的新一代高密度储热技术已得到规模示范验证,受到华能、中广核等的高度关注,有望推广。谢谢大家。


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