作者:邢學(xué)韜1,林今1,宋永華1,2,戚若玫1 ,池映天1,吳劍3,周友4,牟樹君4
單位:1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系;2. 澳門大學(xué)電子與計算機(jī)工程系;3. 浙江臻泰能源科技有限公司;4. 北京低碳清潔能源研究所
引言
電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(power to gas,P2G)通過以電解池為核心的電轉(zhuǎn)氣硬件系統(tǒng),可以將電能轉(zhuǎn)化為氫氣(H2)或甲烷(CH4)中的化學(xué)能,二者都是重要的氣體燃料和工業(yè)原料,可以進(jìn)入到后續(xù)的化工、交通、發(fā)電、供熱、儲氣等豐富多樣的終端應(yīng)用中。此外,P2G的負(fù)荷功率相對靈活,可以快速跟蹤特定的功率調(diào)節(jié)指令,作為靈活負(fù)荷資源參與到電網(wǎng)調(diào)度中,從而改善電網(wǎng)靈活性,促進(jìn)可再生能源消納。整個電轉(zhuǎn)氣環(huán)節(jié)是綠色環(huán)保的,主要原料是水,生成燃燒清潔的H2,幾乎沒有碳排放;或者在碳捕集而來的CO2參與下制取CH4,雖然CH4將來燃燒會排出CO2,但整個循環(huán)仍然是碳中性的。因此,可再生能源與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的整合是未來低碳化能源供給的美好愿景。
電轉(zhuǎn)氣是實(shí)現(xiàn)可再生能源規(guī)?;{的重要技術(shù)手段之一,其核心是電解技術(shù)。根據(jù)反應(yīng)溫度,電解技術(shù)可以分為相對成熟的低溫電解技術(shù)和相對前沿的高溫電解技術(shù)。
本文主要從工作原理、電池結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換模式、系統(tǒng)接入等方面介紹高溫電解的技術(shù)特點(diǎn)及其在電力儲能中的潛在應(yīng)用。
1.高溫電解的工作原理
高溫電解采用固體氧化物電解質(zhì)在高溫下直接對氣態(tài)水進(jìn)行電解(如圖1所示),借助高溫對電解反應(yīng)在動力學(xué)和熱力學(xué)方面的提升,顯著降低電解電壓、提高電解效率,并具有高度可逆、可還原CO2等獨(dú)特優(yōu)勢,且更便于參與高品位熱量的多級利用。高溫電解技術(shù)的實(shí)用化仍受制于高溫下的材料退化問題和可靠密封工藝,但其應(yīng)用潛力巨大。
? 圖1 高溫電解電池的原理示意圖
2.高溫電解池的技術(shù)分類
高溫電解池可以根據(jù)結(jié)構(gòu)分為板式、管式、扁管式3種。板式電池采用平面電解質(zhì)、電極堆疊而成,具有面電阻低、功率密度大、易于成堆等優(yōu)點(diǎn),但高溫下難以密封;管式電池為圓管式電解質(zhì)構(gòu)造,電極分別位于內(nèi)、外壁,實(shí)現(xiàn)了低溫端密封、可靠性高,但成堆要求圓管之間良好接觸,因此組堆難度較高、電阻較大,功率密度較低。扁管式電池兼具了以上兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(如圖2所示),是極具潛力的新型高溫電池結(jié)構(gòu)。
? 圖2 扁管式電池實(shí)物圖
3.高溫電解系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換模式
在高溫電解實(shí)際運(yùn)行需要必要的外圍輔助系統(tǒng),如圖3所示。
完整的高溫電解系統(tǒng)可工作在以下三種主要轉(zhuǎn)換模式:
1、H2O電解制H2:高溫電解基本轉(zhuǎn)換模式,電解池效率可達(dá)85%~95%,良好的熱管理設(shè)計下可達(dá)75%~83%的系統(tǒng)效率。
2、CO2電解制CO:高溫電解技術(shù)的獨(dú)特轉(zhuǎn)換模式,需控制組分比例防止電池積碳,可用于航天等場景。
3、H2O+CO2共電解制合成氣:高溫電解通過共電解制取CO、H2合成氣,也可在電池內(nèi)部加壓直接甲烷化,降低了反應(yīng)器成本。
? 圖3 一種外圍輔助系統(tǒng)設(shè)計示意圖
4.高溫電解系統(tǒng)的系統(tǒng)接入模式
電力系統(tǒng)中,高溫電解系統(tǒng)可通過以下方式接入:
1、純電電解接入:用電為輔機(jī)及電解供能,轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存,同時產(chǎn)生高溫余熱。
2、余熱輔助電解接入:與核電、火電等相結(jié)合,利用外部熱源維持高溫環(huán)境,提升系統(tǒng)產(chǎn)氫效率和經(jīng)濟(jì)效益。
3、加壓可逆儲氣發(fā)電:利用高溫電解的可逆性儲能,加壓下循環(huán)效率可達(dá)80%,放電時間可達(dá)1000h,儲能成本約3美分/kWh,如圖4所示。
? 圖4 儲能技術(shù)對比
5.總結(jié)與展望
因其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢,高溫電解能夠在高效消納可再生能源的同時提供豐富的靈活性資源,其大規(guī)模儲能方面的應(yīng)用指日可待。