CN108400618A - 一种利用电解制氢进行火电厂调峰的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用电解制氢进行火电厂调峰的系统和方法，该系统包括供电装置、电解制氢装置、固体储氢装置和控制装置，供电装置用于给电解制氢装置供电；电解制氢装置用于利用火电机组发电进行电解产生氢气；固体储氢装置用于存储和释放电解制氢装置产生的氢气；控制装置用于根据火电调峰任务调控电解制氢工作强度；本发明通过电解制氢的方式将火电厂的多余电量转化为氢气，以固体储氢的方式储存起来；调峰深度可通过电解制氢设备的功率来控制；本发明能够实现火电厂的深度调峰，为清洁能源的上网提供了空间，同时保持火电机组在较佳工况下运行。

Description

一种利用电解制氢进行火电厂调峰的系统和方法
技术领域
本发明涉及火电厂调峰技术，特别涉及一种利用电解制氢进行火电厂调峰的系统和方法。
背景技术
近年来，我国发电装机容量迅速增长，尤其是可再生能源，如风电、光伏、核电等，装机规模在数年内已跃居世界首位。然而，由于用电需求增速放缓，电网输送能力不足，以及可再生能源波动性对电网造成的冲击，导致对可再生能源的利用率不高，甚至出现了较为严重的弃风弃光现象。
随着《大气十条》、《水十条》等环保法律法规的下发，我国对环境污染的治理力度越来越严厉。火电目前在我国电源装机容量中占比将近70％，发改委、能源局等各部委发文中多次强调要提高可再生能源的消纳利用率，这就需要火电通过深度调峰为清洁能源提供上网空间。在实际运行中，我国纯凝机组调峰能力一般仅为额定容量的50％左右，典型的抽凝机组在供热期的调峰能力仅为额定容量的20％；而丹麦和德国等地区的纯凝和抽凝机组的调峰能力可以达到60％-80％的额定容量。而且，火电机组负荷过低会影响机组工况，造成能耗增高和设备寿命损害。
一种间接的调峰方法是在火电厂配备大型储能设备，通过电能的储存实现火电厂上网电量的调峰。在目前的电化学储能方式中，氢储能是唯一能够实现大规模长周期储存的一种，因此是一种良好的调峰储能选择。相比于火电厂热电联供或蓄热的发电量调节方式，通过电解制氢实现氢储能的调峰应用方式不局限于采暖季的应用，且能够与氢气相关的多种下游产业相互匹配。
对于在电厂中进行的大型氢气存储，安全是一个主要的关注焦点。高压氢气罐存储的方法存在着较大的安全隐患，且设计规范要求的占地面积大，实施不方便。新型的固体储氢方式具有很高的安全性，且储氢密度高，适合作为固定式大型存储。截止目前，尚未有通过电解制氢和固体储氢方式进行火电调峰的相关报道。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用电解制氢进行火电厂调峰的系统和方法，通过电解制氢的方式将火电厂的多余电量转化为氢气，以固体储氢的方式储存起来；调峰深度可通过电解制氢设备的功率来控制；本发明能够实现火电厂的深度调峰，为清洁能源的上网提供了空间，同时保持火电机组在较佳工况下运行。
一种利用电解制氢进行火电厂深度调峰的系统，包括供电装置1、电解制氢装置2、固体储氢装置3和控制装置4；供电装置1的输入端连接火电厂的发电输出，供电装置1的输出端连接电解制氢装置2的电源接入口，用于给电解制氢装置供电；电解制氢装置2的氢气出口连接固体储氢装置3的氢气入口；控制装置4连接电解制氢装置2；控制装置4包括数据获取模块、判断模块和控制模块，控制装置4根据调峰任务调控系统的工作强度，数据获取模块接收火电机组的负荷数据和时间，判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比判断负荷是否满足输入的调峰任务要求；控制模块向电解制氢装置2发出启动或停止以及加速或减慢电解制氢的指令。
电解制氢装置2包括逆变器、电解制氢设备和辅助设备，逆变器用于将供电装置1输出的交流电变为适合电解制氢设备的直流电，电解制氢设备是碱性水电解制氢设备、固体聚合物电解制氢设备、固体氧化物电解制氢设备的一种或几种。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，电解制氢的阴极和阳极组成材料包括金属合金，所述金属合金中包括镍，优选Ni-Co、Ni-Co-Fe、Ni-Fe合金材料。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，隔膜是石棉材料或非石棉离子交换膜材料，优选非石棉离子交换膜材料。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，电解液包括氢氧化钾溶液，20-30wt％的KOH或NaOH溶液，优选KOH。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，电解液中还可加入添加剂以降低理论电压和能耗，优选水煤浆、尿素、氨水中的一种。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，单台最大产量可达到2000Nm3(H2)/h，制氢交流能耗不超过4.5kWh/Nm3(H2)。
优选地，对于固体聚合物电解制氢设备，其核心部件是膜电极。
优选地，对于固体聚合物电解制氢设备，膜电极是由阴极催化层、阳极催化层和固体聚合物膜组成，阴极催化层和阳极催化层分别位于固体聚合物膜的两侧；固体聚合物膜优选全氟磺酸类膜，催化层由铂族金属或其合金组成，优选Pt、Ir合金。
优选地，对于固体聚合物电解制氢设备，氢气输出压强可达200bar，纯度高达99.999％。
优选地，对于固体氧化物电解制氢设备，电解制氢设备的电解质材料是氧离子导体，优选YSZ、ScSZ，阴极材料优选多孔金属陶瓷，优选Ni/YSZ，阳极材料优选含有稀土元素的钙钛矿(ABO3)氧化物材料。
优选地，对于固体氧化物电解制氢设备，其结构包括管式和平板式，优选平板式。
固体储氢装置3包括氢气存储模块和氢气释放模块。
固体储氢装置3中，氢气存储模块包括储氢材料存储罐、氢气输送装置和氢气存储装置，储氢材料和电解制氢获得的氢气在氢气存储装置中发生结合反应。
固体储氢装置3中，氢气释放模块包括储氢材料存储罐、氢气释放装置和氢气输送装置，结合氢气的储氢材料在氢气释放装置中发生分解反应释放氢气，由氢气输送装置输送到下游。
优选地，氢气存储模块和氢气释放模块可交替运行，在一个氢气存储-释放周期内交替作为存储模块和释放模块使用。
优选地，氢气存储模块和/或氢气释放模块可设置一组或多组。
优选地，固体储氢材料包括无机储氢化合物，优选稀土镧镍系(AB5型)、钛铁系、钛锆系、钒基固溶体、镁系(A2B型)合金、氨硼烷。
优选地，固体储氢材料包括高分子烃类，优选碳原子数不低于20的长链脂肪烃。
优选地，当固体储氢材料为无机储氢合金时，优选的储氢密度可达到50kg/m3以上，氢气存储条件为：压力>1MPa，常温；氢气释放条件为：压力<1MPa，温度>80℃。
优选地，当固体储氢材料为高分子烃类时，在氢气存储模块发生烃类制备原料收集和烃类制备反应，其中储氢材料存储单元包括CH4存储装置、CO2存储装置和输送装置，氢气与CH4和CO2在氢气存储装置发生烃类制备反应。
优选地，当固体储氢材料为高分子烃类时，在氢气释放装置中通过微波辅助手段促使烃类分解释放氢气，氢气释放装置中装填活性催化剂，优选负载有活性金属氧化物的多孔碳材料。
优选地，当固体储氢材料为高分子烃类时，储氢密度可达到8wt％以上。
优选地，固体储氢装置3的出口氢气纯度高达99.999％以上。
固体储氢装置3的氢气出口可连接加氢站给氢燃料电池汽车供氢；或供给固定式燃料电池发电；或掺混到天然气管网中作为民用燃料；或供给化工厂使用，包括煤液化、合成氨、油品质量升级。
一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过控制装置4的数据获取模块获取火电机组的负荷数据和时间；
步骤2：通过控制装置4的判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比；
步骤3：若当前负荷比预设的调峰负荷高，通过控制模块向电解制氢装置2发出启动或加速电解制氢的指令；
步骤4：若当前负荷与预设的调峰负荷相同，通过控制模块向电解制氢装置2发出功率不变的指令；
步骤5：若当前负荷比预设的调峰负荷低，通过控制模块向电解制氢装置2发出停止或减慢电解制氢的指令；
步骤6：电解制氢装置2产生的氢气进入固体储氢装置3储存起来，在需要时通过固体储氢装置3的氢气释放模块释放出来，进入下游应用；电解制氢装置2同时产生副产品氧气，可通过高压罐装后运出电厂售卖，或作为锅炉补充氧使用。
所述步骤6中，电解制氢装置2产生的热量可用作固体储氢装置3的储氢材料分解释放氢气的过程，提高系统的整体能效。
本发明具有如下特点：
(1)通过电解制氢将多余电能转化为氢气，能够实现大规模、长周期存储，为清洁能源的上网提供空间；
(2)通过固体储氢方式存储和释放氢气，安全性高，占地面积小，能耗低，操作简单，不影响火电厂的正常运营；
(3)通过控制装置操控电解制氢设备的启停和功率密度，从而控制火电机组的上网电量，可根据需要实现灵活调峰、深度调峰；
(4)不影响火电机组的运行工况，能够使火电机组一直处于最佳运行工况下，不影响机组的能耗和使用寿命。
附图说明
图1是本发明利用电解制氢进行火电厂调峰的系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细描述。
实施例1：
一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，包括供电装置1、电解制氢装置2、固体储氢装置3和控制装置4。
其中，供电装置1的输入端连接火电厂的发电输出，供电装置1的输出端连接电解制氢装置2的电源接入口，用于给电解制氢装置供电。
电解制氢装置2包括逆变器、电解制氢设备和辅助设备，逆变器用于将供电装置1输出的交流电变为适合电解制氢设备的直流电，电解制氢设备是碱性水电解制氢设备。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，电解制氢的阴极和阳极组成材料包括金属合金，所述金属合金中包括镍，优选Ni-Co、Ni-Co-Fe、Ni-Fe合金材料。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，隔膜是石棉材料或非石棉离子交换膜材料，优选非石棉离子交换膜材料。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，电解液包括氢氧化钾溶液，20-30wt％的KOH或NaOH溶液，优选KOH。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，电解液中还可加入添加剂以降低理论电压和能耗，优选水煤浆、尿素、氨水中的一种。
优选地，对于碱性水电解制氢设备，单台最大产量可达到2000Nm3(H2)/h，制氢交流能耗不超过4.5kWh/Nm3(H2)。
固体储氢装置3包括氢气存储模块和氢气释放模块。
固体储氢装置3中，氢气存储模块包括储氢材料存储罐、氢气输送装置和氢气存储装置，储氢材料和电解制氢获得的氢气在氢气存储装置中发生结合反应。
固体储氢装置3中，氢气释放模块包括储氢材料存储罐、氢气释放装置和氢气输送装置，结合氢气的储氢材料在氢气释放装置中发生分解反应释放氢气，由氢气输送装置输送到下游。
优选地，氢气存储模块和氢气释放模块可交替运行，在一个氢气存储-释放周期内交替作为存储模块和释放模块使用。
优选地，氢气存储模块和/或氢气释放模块可设置一组或多组。
优选地，固体储氢材料包括无机储氢化合物，优选稀土镧镍系(AB5型)、钛铁系、钛锆系、钒基固溶体、镁系(A2B型)合金、氨硼烷。
优选地，当固体储氢材料为无机储氢合金时，优选的储氢密度可达到50kg/m3以上，氢气存储条件为：压力>1MPa，常温；氢气释放条件为：压力<1MPa，温度>80℃。
固体储氢装置3的出口氢气纯度高达99.999％以上。
固体储氢装置3的氢气出口可连接加氢站给氢燃料电池汽车供氢；或供给固定式燃料电池发电；或掺混到天然气管网中作为民用燃料；或供给化工厂使用，包括煤液化、合成氨、油品质量升级。
控制装置4根据调峰任务调控系统的工作强度，包括数据获取模块、判断模块和控制模块，数据获取模块接收火电机组的负荷数据和时间，判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比判断负荷是否满足输入的调峰任务要求；控制模块向电解制氢装置2发出启动/停止和加速/减慢电解制氢的指令。
利用本实施例的系统实现火电厂深度调峰的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过控制装置4的数据获取模块获取火电机组的负荷数据和时间；
步骤2：通过控制装置4的判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比；
步骤3：若当前负荷比预设的调峰负荷高，通过控制模块向电解制氢装置2发出启动或加速电解制氢的指令；
步骤4：若当前负荷与预设的调峰负荷相同，通过控制模块向电解制氢装置2发出功率不变的指令；
步骤5：若当前负荷比预设的调峰负荷低，通过控制模块向电解制氢装置2发出停止或减慢电解制氢的指令；
步骤6：电解制氢装置2产生的氢气进入固体储氢装置3储存起来，在需要时通过固体储氢装置3的氢气释放模块释放出来，进入下游应用；电解制氢装置2同时产生副产品氧气，可通过高压罐装后运出电厂售卖，或作为锅炉补充氧使用。
所述步骤6中，电解制氢装置2产生的热量可用作固体储氢装置3的储氢材料分解释放氢气的过程，提高系统的整体能效。
实施例2：
本实施例的系统组成和步骤与实施例1相同，除了电解制氢设备为固体聚合物电解制氢设备，和固体储氢材料为高分子烃类。
进一步地，对于固体聚合物电解制氢设备，优选地，对于固体聚合物电解制氢设备，其核心部件是膜电极。
进一步地，对于固体聚合物电解制氢设备，膜电极是由阴极催化层、阳极催化层和固体聚合物膜组成，阴极催化层和阳极催化层分别位于固体聚合物膜的两侧。固体聚合物膜优选全氟磺酸类膜，催化层由铂族金属或其合金组成，优选Pt、Ir合金。
进一步地，对于固体聚合物电解制氢设备，氢气输出压强可达200bar，纯度高达99.999％。
进一步地，当固体储氢材料为高分子烃类时，在氢气存储模块发生烃类制备原料收集和烃类制备反应，其中储氢材料存储单元包括CH4存储装置、CO2存储装置和输送装置，氢气与CH4和CO2在氢气存储装置发生烃类制备反应。
进一步地，当固体储氢材料为高分子烃类时，在氢气释放装置中通过微波辅助手段促使烃类分解释放氢气，氢气释放装置中装填活性催化剂，优选负载有活性金属氧化物的多孔碳材料。
利用本实施例的系统实现火电厂深度调峰的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过控制装置4的数据获取模块获取火电机组的负荷数据和时间；
步骤2：通过控制装置4的判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比；
步骤3：若当前负荷比预设的调峰负荷高，通过控制模块向电解制氢装置2发出启动或加速电解制氢的指令；
步骤4：若当前负荷与预设的调峰负荷相同，通过控制模块向电解制氢装置2发出功率不变的指令；
步骤5：若当前负荷比预设的调峰负荷低，通过控制模块向电解制氢装置2发出停止或减慢电解制氢的指令；
步骤6：电解制氢装置2产生的氢气进入固体储氢装置3储存起来，在需要时通过固体储氢装置3的氢气释放模块释放出来，进入下游应用；电解制氢装置2同时产生副产品氧气，可通过高压罐装后运出电厂售卖，或作为锅炉补充氧使用。
所述步骤6中，电解制氢装置2产生的热量可用作固体储氢装置3的储氢材料分解释放氢气的过程，提高系统的整体能效。
实施例3：
本实施例的系统组成和步骤与实施例1相同，除了电解制氢设备为固体氧化物电解制氢设备。
进一步地，对于固体聚合物电解制氢设备，氢气输出压强可达200bar，纯度高达99.999％。
进一步地，对于固体氧化物电解制氢设备，电解制氢设备的电解质材料是氧离子导体，优选YSZ、ScSZ，阴极材料优选多孔金属陶瓷，优选Ni/YSZ，阳极材料优选含有稀土元素的钙钛矿(ABO3)氧化物材料。
进一步地，对于固体氧化物电解制氢设备，其结构包括管式和平板式，优选平板式。
利用本实施例的系统实现火电厂深度调峰的方法，包括如下步骤：
步骤1：通过控制装置4的数据获取模块获取火电机组的负荷数据和时间；
步骤2：通过控制装置4的判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比；
步骤3：若当前负荷比预设的调峰负荷高，通过控制模块向电解制氢装置2发出启动或加速电解制氢的指令；
步骤4：若当前负荷与预设的调峰负荷相同，通过控制模块向电解制氢装置2发出功率不变的指令；
步骤5：若当前负荷比预设的调峰负荷低，通过控制模块向电解制氢装置2发出停止或减慢电解制氢的指令；
步骤6：电解制氢装置2产生的氢气进入固体储氢装置3储存起来，在需要时通过固体储氢装置3的氢气释放模块释放出来，进入下游应用；电解制氢装置2同时产生副产品氧气，可通过高压罐装后运出电厂售卖，或作为锅炉补充氧使用。
所述步骤6中，电解制氢装置2产生的热量可用作固体储氢装置3的储氢材料分解释放氢气的过程，提高系统的整体能效。

Claims (9)

1.一种利用电解制氢进行火电厂深度调峰的系统，其特征在于：包括供电装置(1)、电解制氢装置(2)、固体储氢装置(3)和控制装置(4)；供电装置(1)的输入端连接火电厂的发电输出，供电装置(1)的输出端连接电解制氢装置(2)的电源接入口，用于给电解制氢装置供电；电解制氢装置(2)的氢气出口连接固体储氢装置(3)的氢气入口；控制装置(4)连接电解制氢装置(2)；控制装置(4)包括数据获取模块、判断模块和控制模块，控制装置(4)根据调峰任务调控系统的工作强度，数据获取模块接收火电机组的负荷数据和时间，判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比判断负荷是否满足输入的调峰任务要求；控制模块向电解制氢装置(2)发出启动或停止以及加速或减慢电解制氢的指令。
2.如权利要求1所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，其特征在于：所述电解制氢装置(2)包括逆变器、电解制氢设备和辅助设备，逆变器用于将供电装置(1)输出的交流电变为适合电解制氢设备的直流电，电解制氢设备是碱性水电解制氢设备、固体聚合物电解制氢设备、固体氧化物电解制氢设备的一种或几种。
3.如权利要求2所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，其特征在于：所述碱性水电解制氢设备包括阴极、阳极、隔膜和电解液，电解制氢的阴极和阳极组成材料包括金属合金，所述金属合金中包括镍；隔膜是石棉材料或非石棉离子交换膜材料；电解液为20-30wt％的KOH或NaOH溶液；电解液中还加入添加剂以降低理论电压和能耗；碱性水电解制氢设备单台最大产量达到2000Nm3(H2)/h，制氢交流能耗不超过4.5kWh/Nm3(H2)。
4.如权利要求2所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，其特征在于：所述固体聚合物电解制氢设备，其核心部件是膜电极，膜电极是由阴极催化层、阳极催化层和固体聚合物膜组成，阴极催化层和阳极催化层分别位于固体聚合物膜的两侧；固体聚合物电解制氢设备的氢气输出压强达200bar，氢气纯度高达99.999％。
5.如权利要求2所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，其特征在于：所述固体氧化物电解制氢设备，电解质材料是氧离子导体，阴极材料为多孔金属陶瓷，阳极材料为含有稀土元素的钙钛矿氧化物材料；固体氧化物电解制氢设备的结构包括管式和平板式。
6.如权利要求1所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，其特征在于：所述固体储氢装置(3)包括氢气存储模块和氢气释放模块；氢气存储模块和氢气释放模块交替运行，在一个氢气存储-释放周期内交替作为存储模块和释放模块使用；固体储氢装置(3)中，氢气存储模块包括储氢材料存储罐、氢气输送装置和氢气存储装置，储氢材料和电解制氢获得的氢气在氢气存储装置中发生结合反应；固体储氢装置(3)中，氢气释放模块包括储氢材料存储罐、氢气释放装置和氢气输送装置，结合氢气的储氢材料在氢气释放装置中发生分解反应释放氢气，由氢气输送装置输送到下游；固体储氢装置(3)中，固体储氢装置(3)的氢气出口连接加氢站给氢燃料电池汽车供氢；或供给固定式燃料电池发电；或掺混到天然气管网中作为民用燃料；或供给化工厂使用，包括煤液化、合成氨、油品质量升级。
7.如权利要求6所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的系统，其特征在于：所述固体储氢装置(3)的固体储氢材料包括无机储氢化合物、高分子烃类或无机储氢合金；
当固体储氢材料为无机储氢化合物时，储氢密度达到50kg/m3以上，氢气存储条件为：压力>1MPa，常温；氢气释放条件为：压力<1MPa，温度>80℃；
当固体储氢材料为高分子烃类时，储氢密度达到8wt％以上；在氢气存储模块发生烃类制备原料收集和烃类制备反应，氢气与CH4和CO2在氢气存储装置发生烃类制备反应；在氢气释放装置中通过微波辅助手段促使烃类分解释放氢气，氢气释放装置中装填负载有活性金属氧化物的多孔碳材料。
8.一种利用电解制氢进行火电厂深度调峰的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过控制装置(4)的数据获取模块获取火电机组的负荷数据和时间；
步骤2：通过控制装置(4)的判断模块将火电机组的当前负荷数据和当前时间与预设的调峰负荷数据和预设时间进行对比；
步骤3：若当前负荷比预设的调峰负荷高，通过控制模块向电解制氢装置(2)发出启动或加速电解制氢的指令；
步骤4：若当前负荷与预设的调峰负荷相同，通过控制模块向电解制氢装置(2)发出功率不变的指令；
步骤5：若当前负荷比预设的调峰负荷低，通过控制模块向电解制氢装置(2)发出停止或减慢电解制氢的指令；
步骤6：电解制氢装置(2)产生的氢气进入固体储氢装置(3)储存起来，在需要时通过固体储氢装置(3)的氢气释放模块释放出来，进入下游应用；电解制氢装置(2)同时产生副产品氧气，通过高压罐装后运出电厂售卖，或作为锅炉补充氧使用。
9.如权利要求8所述的一种利用电解制氢实现火电厂深度调峰的方法，其特征在于，所述步骤6中，电解制氢装置(2)产生的热量用作固体储氢装置(3) 的储氢材料分解释放氢气的过程，提高系统的整体能效。
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