Research Progress on Compressed Air Energy Storage and Hydrogen Energy Coupling Systems

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.260217

Abstract

Abstract:

Objectives Compressed air energy storage-hydrogen energy (CAES-HE) coupling systems show prominent advantages in the fields of low-carbon energy transition, the construction of new-type power systems, large-scale peak shaving of the power grid, and large-scale hydrogen consumption. To clarify the current research status of the CAES-HE coupling systems, identify the key scientific and technological issues that need to be addressed, and outline future development directions, a review of relevant studies in this field is conducted. Methods The technical routes and characteristics of different CAES-HE coupling systems are analyzed. The key scientific and technological issues that need to be addressed in different coupling systems, along with their current research status, are summarized. On this basis, the future development directions of CAES-HE coupling systems are discussed. Results Currently, four types of CAES-HE coupling systems with different technical routes and characteristics have been proposed. To promote the large-scale development of different CAES-HE coupling systems, research and breakthroughs are still needed in areas including the development of new coupling processes, key common technologies for hydrogen production and storage, hydrogen gas turbine technology, methanation reaction mechanisms, and reactor optimization. Conclusions CAES-HE coupling systems are one of the most promising development directions in the future, and promoting their large-scale deployment and engineering implementation requires in-depth research and collaborative efforts across multiple disciplines and fields.

Key words: compressed air energy storage, liquid air energy storage, hydrogen energy, system coupling, energy storage

CLC Number:

TK 019

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Figures/Tables 11

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耦合系统类型	技术路线特点	存在的问题及未来研究方向
基于冷能利用的耦合系统	实现液态氢气化同时提高液态空气储能系统效率，或实现液态空气的冷量利用同时强化氢液化过程	1）研究相对较少，难以对不同冷能利用技术路线定量对比，需要进一步优化氢能-液态空气储能耦合系统集成设计；2）超临界空气/氢气大温跨、小温差换热设备设计及高效蓄冷换热技术开发；3）大型液氢球罐的设计制造；4）大型液氢输送泵的设计制造
基于压缩空气储能联产氢的耦合系统	低谷电分别用于电解水制氢和压缩空气储能，实现低谷电的最优配置	1）解决具有间歇运行特性的压缩空气储能系统与不适合频繁启停的电解槽装置的匹配问题； 2）电解水制氢的关键技术
基于氢气与压缩空气燃烧发电的耦合系统	在压缩空气联产氢系统的基础上，取出部分氢气与压缩空气用于燃烧发电	1）受氢燃气轮机设备的制约，需要加深对氢气燃烧机理的理解，突破氢燃气轮机技术；2）电解水制氢的关键技术
氢气甲烷化与压缩空气燃烧发电耦合系统	氢气先与二氧化碳反应生成甲烷，再与压缩空气燃烧发电	1）二氧化碳与氢气甲烷化反应机理与控制策略； 2）低成本催化剂开发、催化剂催化机理及失活机理研究；3）甲烷化反应器优化

耦合系统类型	技术路线特点	存在的问题及未来研究方向
基于冷能利用的耦合系统	实现液态氢气化同时提高液态空气储能系统效率，或实现液态空气的冷量利用同时强化氢液化过程	1）研究相对较少，难以对不同冷能利用技术路线定量对比，需要进一步优化氢能-液态空气储能耦合系统集成设计；2）超临界空气/氢气大温跨、小温差换热设备设计及高效蓄冷换热技术开发；3）大型液氢球罐的设计制造；4）大型液氢输送泵的设计制造
基于压缩空气储能联产氢的耦合系统	低谷电分别用于电解水制氢和压缩空气储能，实现低谷电的最优配置	1）解决具有间歇运行特性的压缩空气储能系统与不适合频繁启停的电解槽装置的匹配问题； 2）电解水制氢的关键技术
基于氢气与压缩空气燃烧发电的耦合系统	在压缩空气联产氢系统的基础上，取出部分氢气与压缩空气用于燃烧发电	1）受氢燃气轮机设备的制约，需要加深对氢气燃烧机理的理解，突破氢燃气轮机技术；2）电解水制氢的关键技术
氢气甲烷化与压缩空气燃烧发电耦合系统	氢气先与二氧化碳反应生成甲烷，再与压缩空气燃烧发电	1）二氧化碳与氢气甲烷化反应机理与控制策略； 2）低成本催化剂开发、催化剂催化机理及失活机理研究；3）甲烷化反应器优化

项目	比重	热扩散系数/(mm²⋅s^-1)	动量扩散系数/(mm²⋅s^-1)	空气中质量扩散系数/(mm²⋅s^-1)	质量低热值/(MJ⋅kg^-1)	体积低热值/ (MJ⋅m^-3)
氢气	0.07	153.26	105.77	78.79	119.93	10.05
甲烷	0.55	23.69	16.81	23.98	50.02	33.36
项目	自燃温度/K	空气中可燃极限体积分数/%	空气中最小点火能/mJ	空气中最高绝热火焰温度/K	空气中最大层流火焰速度/(cm⋅s^-1)
氢气	858	4~75	0.02	2 376	306
甲烷	813	5.3~15	0.29	2 223	37.6

项目	比重	热扩散系数/(mm²⋅s^-1)	动量扩散系数/(mm²⋅s^-1)	空气中质量扩散系数/(mm²⋅s^-1)	质量低热值/(MJ⋅kg^-1)	体积低热值/ (MJ⋅m^-3)
氢气	0.07	153.26	105.77	78.79	119.93	10.05
甲烷	0.55	23.69	16.81	23.98	50.02	33.36
项目	自燃温度/K	空气中可燃极限体积分数/%	空气中最小点火能/mJ	空气中最高绝热火焰温度/K	空气中最大层流火焰速度/(cm⋅s^-1)
氢气	858	4~75	0.02	2 376	306
甲烷	813	5.3~15	0.29	2 223	37.6