CN115750267A - 一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，包括压缩空气储能系统、氢气系统及发电机；压缩空气储能系统包括空气储能电动机、空气压缩机、空气膨胀机、压缩空气储气系统；氢气系统包括制氢系统、氢气压缩机、电动机、氢气膨胀机、氢气储气系统、用氢设备；制氢系统通过氢气压缩机与氢气储气系统连接；氢气储气系统通过氢气膨胀机与用氢设备连接；空气膨胀机及氢气膨胀机通过发电机与电网连接，电网与空气储能电动机及氢气系统电动机连接；发电机与制氢系统连接。本发明利用高压储氢系统的高压氢气，将氢气余压利用与蓄热式压缩空气储能耦合，储能时利用氢气压缩机增加储能功率，释能时利用氢气余压做功，能够提高储能系统综合供能效率。

Description

一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统

技术领域

本发明属于储能技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统。

背景技术

压缩空气储能技术是一种新型蓄能蓄电技术。在高压情况下通过压缩空气来存储大量的可再生能源，然后将其储存在大型地下洞室、枯竭井或蓄水层里。在非用电高峰期，如晚上或周末，用电机带动压缩机，将空气压缩进一个特定的地下空间储存。然后，在用电高峰期(如白天)，通过一种特殊构造的空气膨胀机或透平，释放地下的压缩空气进行发电。

氢气作为储能载体拥有质量轻，能量密度高，使用时对环境无任何排放等优点，受到广大能源企业和相关领域科研工作者的青睐。然而氢气在自然界不单独存在，需要利用外部能量进行制备。目前较为常见的制氢技术分为热化学法和电化学法两种。热化学方法是指用热量破坏现成化合物中的键能，使其重组为氢分子。热化学方法是应用最广泛的制氢方法。目前全世界96％-97％的氢气由化石能源的热化学方法制造。电化学方法是指用电能破坏现成化合物中的键能，使其重组为氢分子，主要为电解水制氢。

目前，全球氢气储运主要有三种路径:高压气态储氢、低温液态储氢，以及固态储氢(物理吸附和化学氢化物)。高压气态储氢技术、低温液态储氢技术，固态储氢技术及有机物液体储氢技术是国内常见的四种储氢技术。高压气态储氢技术是将氢气压缩，以高密度气态形式储存，具有成本较低、充放氢速度快等特点，是发展最成熟的储氢技术，常见储气压力为17.5MPa-70MPa。

现有压缩空气储能与氢能耦合系统，采用补燃式压缩空气储能技术，将氢能作为补燃系统燃料，通过氢气与压缩空气燃烧后的高温高压燃气推动燃气透平做功，从而实现耦合系统的能量输出。压缩空气储能系统释能阶段采用氢气补燃的方式，整体能量利用效率较低，百兆瓦级耦合系统效率低于60％。同时，氢气若采用热化学法制备，则系统整体碳排放较高；氢气若采用可再生能源制备，直接燃烧氢气做功也会造成高品位能源的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，针对现有技术能源效率低、增加碳排放不足的问题，利用高压储氢系统的高压氢气，将氢气余压利用与蓄热式压缩空气储能耦合，储能时利用氢气压缩机增加储能功率，释能时利用氢气余压做功，以提高储能系统综合供能效率。

本发明提供了一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，包括压缩空气储能系统、氢气系统及发电机；

所述压缩空气储能系统包括空气储能电动机、空气压缩机、空气膨胀机、压缩空气储气系统；所述空气储能电动机通过所述空气压缩机与所述压缩空气储气系统连接；所述压缩空气储气系统与所述空气膨胀机连接；

所述氢气系统包括制氢系统、氢气压缩机、氢气系统电动机、氢气膨胀机、氢气储气系统、用氢设备；所述制氢系统通过所述氢气压缩机与所述氢气储气系统连接；所述氢气储气系统通过所述氢气膨胀机与所述用氢设备连接；所述氢气压缩机与所述氢气系统电动机连接；

所述空气膨胀机及氢气膨胀机通过所述发电机与电网连接，所述电网与所述空气储能电动机及氢气系统电动机连接；所述发电机与所述制氢系统连接；

所述耦合的储能系统的工作方法包括：

当所述压缩空气储能系统单独运行储能时，所述空气储能电动机从电网取电，通过所述空气压缩机将空气从0.1MPa加压至7MPa以上，存储至所述压缩空气储气系统中；当压缩空气储能系统单独运行释能时，空气从所述压缩空气储气系统进入所述空气膨胀机做功，并带动所述发电机向电网供电；

当所述氢气系统单独运行制氢时，所述制氢系统制出的氢气经过所述氢气压缩机加压至1.6MPa以上，存储进所述氢气储气系统；当氢气系统单独运行用氢时，氢气从所述氢气储气系统进入所述氢气膨胀机，减压做功后供至所述用氢设备；

当所述压缩空气储能系统与氢气系统完全耦合运行时储能过程包括：所述空气储能电动机及氢气系统电动机同时带动所述空气压缩机及实施氢气压缩机分别压缩空气及氢气至高压状态，并分别储存进实施压缩空气储气系统及氢气储气系统；完全耦合运行时释能过程包括：高压空气与氢气分别从所述压缩空气储气系统及氢气储气系统进入实施空气膨胀机及氢气膨胀机做功，带动所述发电机向电网供电。

进一步地，所述耦合的储能系统的工作方法还包括：

当所述制氢系统中有电解水制氢设备时，若电力供应受限，通过所述压缩空气储能系统释能过程带动所述发电机向所述制氢系统供电，以保障制氢系统运行。

进一步地，所述耦合的储能系统的工作方法还包括：

当氢气系统单独运行时，所述氢气膨胀机做功，带动所述发电机输出电能供应给所述制氢系统使用，以降低氢气系统能耗。

借由上述方案，通过压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，可以充分利用压缩空气储能系统与氢气系统的储能潜力，提高系统储能能力，同时充分利用氢气储存中的压缩功，提高系统能量利用效率。通过本发明，压缩空气储能系统既可以作为氢气系统的应急电源，又可以与氢气系统一同作为电网负荷调节的储能系统耦合运行，大大提高了系统设备的使用效率，适用于大规模风光制氢场景下的储能系统，提升可再生能源消纳。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明压缩空气储能与氢能耦合的储能系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图1所示，本实施例提供了一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，包括压缩空气储能系统、氢气系统及发电机；

所述压缩空气储能系统包括空气储能电动机、空气压缩机、空气膨胀机、压缩空气储气系统；所述空气储能电动机通过所述空气压缩机与所述压缩空气储气系统连接；所述压缩空气储气系统与所述空气膨胀机连接；

所述氢气系统包括制氢系统、氢气压缩机、氢气系统电动机、氢气膨胀机、氢气储气系统、用氢设备；所述制氢系统通过所述氢气压缩机与所述氢气储气系统连接；所述氢气储气系统通过所述氢气膨胀机与所述用氢设备连接；所述氢气压缩机与所述氢气系统电动机连接；

所述空气膨胀机及氢气膨胀机通过所述发电机与电网连接，所述电网与所述空气储能电动机及氢气系统电动机连接；所述发电机与所述制氢系统连接；

所述耦合的储能系统的工作方法包括：

当所述压缩空气储能系统单独运行储能时，所述空气储能电动机从电网取电，通过所述空气压缩机将空气从0.1MPa加压至7MPa以上，存储至所述压缩空气储气系统中；当压缩空气储能系统单独运行释能时，空气从所述压缩空气储气系统进入所述空气膨胀机做功，并带动所述发电机向电网供电；

当所述氢气系统单独运行制氢时，所述制氢系统制出的氢气经过所述氢气压缩机加压至1.6MPa以上，存储进所述氢气储气系统；当氢气系统单独运行用氢时，氢气从所述氢气储气系统进入所述氢气膨胀机，减压做功后供至所述用氢设备；

当所述压缩空气储能系统与氢气系统完全耦合运行时储能过程包括：所述空气储能电动机及氢气系统电动机同时带动所述空气压缩机及实施氢气压缩机分别压缩空气及氢气至高压状态，并分别储存进实施压缩空气储气系统及氢气储气系统；完全耦合运行时释能过程包括：高压空气与氢气分别从所述压缩空气储气系统及氢气储气系统进入实施空气膨胀机及氢气膨胀机做功，带动所述发电机向电网供电。

在本实施例中，所述耦合的储能系统的工作方法还包括：

对制氢系统提供备用电源：当所述制氢系统中有电解水制氢设备时，若电力供应受限，通过所述压缩空气储能系统释能过程带动所述发电机向所述制氢系统供电，以保障制氢系统运行。

在本实施例中，所述耦合的储能系统的工作方法还包括：

当氢气系统单独运行时，所述氢气膨胀机做功，带动所述发电机输出电能供应给所述制氢系统使用，以降低氢气系统能耗，从而提高制氢系统能量利用率。

该压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，包括压缩空气储能系统，包含氢气系统与压缩空气储能的耦合储能系统，压缩空气储能系统与氢气系统既可以耦合运行，又可以单独运行；压缩空气储能系统可作为氢气系统的应急电源，保障制氢系统的设备稳定；氢气系统中氢气膨胀机利用氢气储气系统中的高压氢气做功，可为制氢系统提供电力。通过该耦合的储能系统可以充分利用压缩空气储能系统与氢气系统的储能潜力，提高系统储能能力，同时充分利用氢气储存中的压缩功，提高系统能量利用效率。压缩空气储能系统既可以作为氢气系统的应急电源，又可以与氢气系统一同作为电网负荷调节的储能系统耦合运行，大大提高了系统设备的使用效率，适用于大规模风光制氢场景下的储能系统，提升可再生能源消纳。

在其它示例中，氢气系统与压缩空气储能系统之间可共一台发电机，也可单独设置两台发电机，分别供氢气系统与压缩空气储能系统使用。两台发电机出线连接至厂用变压器中。

压缩空气储能系统可以向制氢系统供电，也可向用氢设备和氢气压缩机的电动机供电，以实现系统供能的最大灵活性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，其特征在于，包括压缩空气储能系统、氢气系统及发电机；

所述压缩空气储能系统包括空气储能电动机、空气压缩机、空气膨胀机、压缩空气储气系统；所述空气储能电动机通过所述空气压缩机与所述压缩空气储气系统连接；所述压缩空气储气系统与所述空气膨胀机连接；

所述氢气系统包括制氢系统、氢气压缩机、氢气系统电动机、氢气膨胀机、氢气储气系统、用氢设备；所述制氢系统通过所述氢气压缩机与所述氢气储气系统连接；所述氢气储气系统通过所述氢气膨胀机与所述用氢设备连接；所述氢气压缩机与所述氢气系统电动机连接；

所述空气膨胀机及氢气膨胀机通过所述发电机与电网连接，所述电网与所述空气储能电动机及氢气系统电动机连接；所述发电机与所述制氢系统连接；

所述耦合的储能系统的工作方法包括：

当所述压缩空气储能系统单独运行储能时，所述空气储能电动机从电网取电，通过所述空气压缩机将空气从0.1MPa加压至7MPa以上，存储至所述压缩空气储气系统中；当压缩空气储能系统单独运行释能时，空气从所述压缩空气储气系统进入所述空气膨胀机做功，并带动所述发电机向电网供电；

当所述氢气系统单独运行制氢时，所述制氢系统制出的氢气经过所述氢气压缩机加压至1.6MPa以上，存储进所述氢气储气系统；当氢气系统单独运行用氢时，氢气从所述氢气储气系统进入所述氢气膨胀机，减压做功后供至所述用氢设备；

当所述压缩空气储能系统与氢气系统完全耦合运行时储能过程包括：所述空气储能电动机及氢气系统电动机同时带动所述空气压缩机及实施氢气压缩机分别压缩空气及氢气至高压状态，并分别储存进实施压缩空气储气系统及氢气储气系统；完全耦合运行时释能过程包括：高压空气与氢气分别从所述压缩空气储气系统及氢气储气系统进入实施空气膨胀机及氢气膨胀机做功，带动所述发电机向电网供电。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，其特征在于，所述耦合的储能系统的工作方法还包括：

当所述制氢系统中有电解水制氢设备时，若电力供应受限，通过所述压缩空气储能系统释能过程带动所述发电机向所述制氢系统供电，以保障制氢系统运行。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能与氢能耦合的储能系统，其特征在于，所述耦合的储能系统的工作方法还包括：

当氢气系统单独运行时，所述氢气膨胀机做功，带动所述发电机输出电能供应给所述制氢系统使用，以降低氢气系统能耗。

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