[發明專利]一種可實現大規模波動能源消納的電解制氫系統及運行方法

在審

• 申請號: 202110915826.0
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113659632A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 張暢;王金意;任志博;王鵬杰;余智勇;徐顯明;張歡
• 申請（專利權）人: 中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司;四川華能氫能科技有限公司;華能集團技術創新中心有限公司;四川華能太平驛水電有限責任公司;四川華能寶興河水電有限責任公司;四川華能嘉陵江水電有限責任公司;四川華能東西關水電股份有限公司;四川華能康定水電有限責任公司;四川華能涪江水電有限責任公司;華能明臺電力有限責任公司
• 主分類號: H02J3/46
• 分類號: H02J3/46;H02J3/32;H02J3/14;C25B1/02;C25B9/65
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明涉及可再生能源及氫能領域，公開了一種可實現大規模波動能源消納的電解制氫系統，包括控制系統、穩定制氫設備、波動制氫設備和儲能設備，穩定制氫設備吸收需消納的基本負荷，波動制氫設備吸收需消納的波動負荷，儲能設備吸收波動性電源負荷超出穩定制氫設備和波動制氫設備最大吸收能力時的多余負荷。還公開了運行方法，以低成本的穩定制氫設備為主，高成本的波動制氫設備容量較低，在保證一定波動能源消納能力的前提下使總投資成本最低；使穩定制氫設備長期在額定負荷附近工作，波動制氫設備充分發揮靈活功率調變性能，從而達到較高的波動能量消納，較快的時間響應，延長制氫設備的壽命。

技術領域

本發明涉及可再生能源及氫能領域，特別涉及一種可實現大規模波動能源消納的電解制氫系統及運行方法。

背景技術

隨著風電、光伏等可再生能源在我國能源供應比例中的日益提升，可再生能源的波動性對電網的沖擊成為一個亟待解決的問題。利用可再生能源電解水制取綠色氫氣，并將氫氣儲存起來的路線是實現大規模可再生能源儲存、緩解電網壓力的有效手段。

截至目前，在國內能夠實現大規模可再生能源消納的電解水制氫技術只有堿性電解水技術。堿性電解槽在傳統應用場景中往往工作在穩定的功率下，而對于波動性可再生能源的不穩定功率輸入，其適應性較差：首先，堿性電解水制氫對輸入功率升高或降低的響應速度較慢，這會造成對可再生能源實時調變的反應滯后，從而無法對電網實時調度和可再生能源實時出力做出及時響應，造成可再生能源限電或對電網的沖擊。其次，堿性電解設備在低于額定功率下工作時，產氣純度較低，在經常性的波動工作狀態下，氫側和氧側的氣體摻混容易產生爆炸性氣體混合物，造成安全隱患。一般來說，堿性電解制氫設備的功率負荷可調范圍在50-100％之間。長期處于非額定狀態下工作會對堿性電解制氫設備的材料有較大損耗，造成設備壽命降低，從而增加可再生能源制氫項目的折舊成本。

相比之下，質子交換膜電解制氫設備(PEM制氫設備)具有較高的靈活性，能夠在較寬的功率范圍(0-160％)內實現對輸入功率的快速秒級響應；具有較好的氣密性，波動電源功率輸入下產氣純度高，安全性好。但是，PEM制氫設備使用了昂貴的催化劑及集流體材料，導致其成本較高(是堿性設備的3-10倍)，規模較小(國內目前僅有50Nm³/h型機)，難以滿足可再生能源大規模消納的需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可實現大規模波動能源消納的電解制氫系統及運行方法，解決了現有電解制氫設備難以滿足可再生能源大規模消納的需求的問題。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種可實現大規模波動能源消納的電解制氫系統，包括控制系統、波動性電源、穩定制氫設備、波動制氫設備和儲能設備；波動性電源分別與穩定制氫設備、波動制氫設備和儲能設備連接；

控制系統與波動性電源、定制氫設備、波動制氫設備、儲能設備及電網調度系統分別連接；

控制系統用于根據波動性電源的實時出力和電網調度情況，計算出需要消納的波動性電源負荷；穩定制氫設備用于吸收需消納的基本負荷，波動制氫設備用于吸收需消納的波動負荷，儲能設備用于吸收波動性電源負荷超出穩定制氫設備和波動制氫設備最大吸收能力時的多余負荷。

進一步，波動性電源采用風電、光伏、生物質發電或、火電、核電或水電；

穩定制氫設備和波動制氫設備采用堿性電解制氫設備、固體聚合物電解制氫設備或固體氧化物電解制氫設備；

儲能設備采用電池或超級電容器。

本發明還公開了所述的一種可實現大規模波動能源消納的電解制氫系統運行方法，包括以下過程：

在初始時刻，控制系統接收波動性電源的出力信號和電網調度信號，計算出需消納的波動性電源負荷、基本負荷和波動負荷；