绿电-氢能-多域应用耦合网络关键技术现状及展望

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22180

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (3): 318-330.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22180

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绿电-氢能-多域应用耦合网络关键技术现状及展望

滕越¹, 赵骞¹, 袁铁江², 陈国宏¹

^1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽省合肥市 230601
^2.大连理工大学电气工程学院，辽宁省大连市 116024

收稿日期:2022-12-12 出版日期:2023-06-30 发布日期:2023-06-30
通讯作者: 袁铁江
作者简介:滕越(1989)，女，博士，高级工程师，研究方向为燃料电池及氢综合利用系统，591782518@qq.com；
赵骞(1990)，男，硕士，工程师，研究方向为金属、非金属材料电气性能与结构性能；
袁铁江(1975)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为氢能与电力、化石能源集成技术、储能与新能源发电并网技术，本文通信作者，ytj1975@dluc.edu.cn；
陈国宏(1968)，男，硕士，正高级工程师，研究方向为电网可靠性提升与评价。
基金资助:
国家电网有限公司科技项目(521205200011)

Key Technology Status and Outlook for Green Electricity-Hydrogen Energy- Multi-domain Applications Coupled Network

Yue TENG¹, Qian ZHAO¹, Tiejiang YUAN², Guohong CHEN¹

^1.State Grid Anhui Electric Power Research Institute, Hefei 230601, Anhui Province, China
^2.School of Electrical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China

Received:2022-12-12 Published:2023-06-30 Online:2023-06-30
Contact: Tiejiang YUAN
Supported by:
Science and Technology Program of State Grid Corporation Ltd(521205200011)

摘要/Abstract

摘要：

氢能作为一种绿色、零碳的二次能源，是能源转型发展的重要载体之一，已成为能源互联的重要媒介。可再生能源电解水制氢是未来制氢的主要途径，将促进能源结构调整与转型。然而我国氢能技术研发和产业应用尚处于初始阶段，氢能制备、储运、转换和应用产业链的各环节存在大量问题有待解决。分析了绿电制氢技术、氢气储运技术、氢能应用技术的发展现状，研究了绿电-氢能-多域应用典型场景和网络耦合集成关键技术，可为氢能制、储、用技术的结合和多域应用网络发展提供参考思路。

关键词: 氢能, 绿电制氢, 氢气储运, 耦合集成

Abstract:

As a green and zero-carbon secondary energy, hydrogen is one of the key carriers for the development of energy transition and has become an important medium for energy interconnection. Hydrogen production by electrolytic decomposition of water is the main way to produce hydrogen in the future, which will promote the adjustment and transformation of energy structure. However, the development and industrial application of hydrogen energy technology in China is still at the initial stage. In addition, there are a lot of problems to be solved in the aspects of hydrogen energy production, storage and transportation, conversion and application industry chain. This paper analyzed the development status of green power hydrogen production technology, hydrogen storage and transportation technology, hydrogen application technology, and studied the typical scenarios of green electricity-hydrogen energy-multi-domain application and the key technologies of network coupling and integration. This work provides indicative ideas for the combination of hydrogen energy production, storage and application technology, and the development of application network in various areas.

Key words: hydrogen energy, hydrogen production from green electricity, hydrogen storage and transportation, coupling integration

中图分类号:

TK 91

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图/表 11

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参数	电解槽类型
参数	AEC	SOEC	PEMEC
电解质	20%~30%NaOH或KOH	Y₂O₃/Z_rO₂	常用Nafion
工作温度/℃	60~140	700~900	<100
电堆效率/%	62	96	68
系统效率/%	58	89	63
成本/ (欧元/kg)	6.50	11.2	11.0
气压/MPa	3~4	1.5~5.0	5~10
电流密度/ (A/cm²)	<0.45	0.8~1.2	0.2~1.5

参数	电解槽类型
参数	AEC	SOEC	PEMEC
电解质	20%~30%NaOH或KOH	Y₂O₃/Z_rO₂	常用Nafion
工作温度/℃	60~140	700~900	<100
电堆效率/%	62	96	68
系统效率/%	58	89	63
成本/ (欧元/kg)	6.50	11.2	11.0
气压/MPa	3~4	1.5~5.0	5~10
电流密度/ (A/cm²)	<0.45	0.8~1.2	0.2~1.5

储氢方式	成本	质量储氢密度/%	优缺点及性能	技术现状	关键技术问题
高压气态	低	<5.7	优点：充放氢速率可调。缺点：储氢密度低，对容器耐压性要求高	技术成熟	进一步提升储氢密度，降低成本
低温液态	高	5.1~7.4	优点：储氢密度高、液氢纯度高。缺点：液化能耗高、耐热性要求高	起步阶段	降低液化能耗，减少气化氢气损失
固体吸附	中	4.5~18.5	优点：安全性高、储存压力低。缺点：材料贵，存储、释放条件苛刻	研发阶段	提高吸附能力，解决储氢材料易粉化问题
LOHC	高	<6.23	优点：储氢密度高、储运安全度高。缺点：操作复杂，储、放条件苛刻	研发阶段	降低成本，简化复杂的化学反应过程

储氢方式	成本	质量储氢密度/%	优缺点及性能	技术现状	关键技术问题
高压气态	低	<5.7	优点：充放氢速率可调。缺点：储氢密度低，对容器耐压性要求高	技术成熟	进一步提升储氢密度，降低成本
低温液态	高	5.1~7.4	优点：储氢密度高、液氢纯度高。缺点：液化能耗高、耐热性要求高	起步阶段	降低液化能耗，减少气化氢气损失
固体吸附	中	4.5~18.5	优点：安全性高、储存压力低。缺点：材料贵，存储、释放条件苛刻	研发阶段	提高吸附能力，解决储氢材料易粉化问题
LOHC	高	<6.23	优点：储氢密度高、储运安全度高。缺点：操作复杂，储、放条件苛刻	研发阶段	降低成本，简化复杂的化学反应过程

运氢方式		运输量	优缺点及性能	应用情况
高压气态储氢	长管拖车	250~480 kg/车	技术成熟，运输量小，适用于短距离运输	广泛用于商品氢运输
	集装格	5~10 kg/格	技术成熟，运输量小，适用于短距离运输	广泛用于商品氢运输
	管网	310~8 900 kg/h	一次性投资高，管道材质要求高，运输效率高，适合长距离运输	主要用于化工厂，小规模发展阶段，未普及
低温液态储氢	槽车	360~4 300 kg/车	液化氢成本和能耗高，设备要求高，适合中远距离运输	国外应用广泛，国内仍仅用于航天及军事领域
低温液态储氢	液氢槽罐车	2 600 kg/车	运输量较大，难以保证释放氢气纯度，充放氢气的设备要求高	试验阶段，较少应用
固体吸附储氢	金属罐车	24 000 kg/车	运输容易，不存在逃逸问题，运输能量密度较低	试验阶段，少量用于燃料电池

绿电-氢能-多域应用耦合网络关键技术现状及展望

Key Technology Status and Outlook for Green Electricity-Hydrogen Energy- Multi-domain Applications Coupled Network

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技术类型	温度/℃	发电效率/%	主要问题	研究方向
PEMFC	80~100	30~40	类铂金属的高成本和低利用率	组成结构优化、制造工艺改进、新型催化剂研发
PAFC	190~200	40~45	高温环境下电池电压低，性能衰减较快	替代催化剂研发、新型电解质及碳支撑材料替代物研发、新型阴极材料研发
MCFC	600~700	50~65	熔融碳酸盐对氧化镍阴极及钢板的强腐蚀性	镍电极保护技术、电解质组成成分优化、碳捕捉
SOFC	700~1 000	50~70	对热循环密封性要求较高	先进制造技术

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