CN214958724U - 一种基于氢储能构建的多能源联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于氢储能构建的多能源联供系统，利用绿电基地的风电场和/或光伏电站能量通过电解水装置制备氢气，制备出的氢气和氧气被送入燃气机，通过燃烧化学反应转变为热能形成高温高压燃烧产物推动涡轮做功，涡轮将产生的气流能量转变为机械能推动发电机运转产生电能供电，燃气机产生的蒸汽一部分通过换热机组与常温水换热产生高温水用于供热，一部分蒸汽可直接供汽使用，另一部分蒸汽进入吸收式制冷设备产生低温水用于供冷，制备出来的氢气还可以供工业用氢使用。本实用新型消纳风光基地电能制备氢气，减少碳硫排放污染环境问题，利用电解水装置、燃气机等相关附属设备，实现了电‑热‑冷‑汽‑氢多态能源的绿色清洁联供。

Description

一种基于氢储能构建的多能源联供系统

技术领域

本实用新型涉及能源储存和利用技术领域，具体涉及一种基于氢储能构建的多能源联供系统，能够消纳绿色清洁能源为用户建筑供冷、供热、供电和供汽。

背景技术

鉴于传统以煤电、石油等化石能源作为能量载体的供需双侧技术属性导致的环境污染严重、化石能源资源短缺、能源进口依赖等诸多问题，已对我国生态系统、外汇储备甚至国家安全造成极大的威胁与挑战。考虑国内外制定的适应新时代发展要求的能源发展战略，并基于技术可行性与成熟度，大力发展风光等可再能能源技术、形成清洁化的装机结构、构建“清洁低碳、高效安全”的绿色化、电力电子化、智能化的新一代电力系统，开展以高质量能源体系支撑的能源革命将是历史行进的必然。然而，在能源结构向低碳绿色、电网向智能安全转型过程中，亟需攻克以下行业面临问题：

1.传统煤电技术化石资源消耗与生态影响严重。以煤炭为主体的能源供给侧方式，开发、加工、利用过程碳排比例很高，并且过度消耗煤炭等一次不可再生能源，严重破坏环境生态甚至威胁我国能源安全。

2.趋于新型演进的电网调峰调频能力和刚性逐渐减弱。传统火电机组响应能力不足、灵活性差，致使尚以火电机组为主的电网调峰调频能力有限；出力随机波动的风光并网比例的逐年递增，加剧了电网调峰压力；电网电力电子设备占比越来越高、逐渐趋于电力电子化，等效惯量大幅降低、调峰调频能力明显不足。

3.风光弃电现象严重。目前电网总体装机容量过剩，源供大于荷求，迫使风光弃电；风光富足区域往往就地消纳能力不足，同负荷集中区域地理位置不重叠耦合、相距较远，实际输送容量取决外送通道能力；风光与负荷二者供需峰时交错，迫使调峰能力有限电网弃风弃光。

4.现有大规模储能调峰调频技术仍亟需提升优化。目前在技术逐渐趋于成熟且市场应用有一定应用体量的各类储能技术，仍不足以构建清洁低碳、安全高效的能源体系。如以抽水蓄能为代表机械类储能虽然容量大，但存在地理限制以及能量密度低的缺点；磷酸铁锂为代表电化学储能目前能量密度低，回收及梯次利用体系尚未健全，且在安全方面饱受诟病；以电锅炉为代表显热蓄能方式拥有较高的热效率，但能量只能由高品位电向低品位热单向转化，无法峰时供电；以光热为代表的潜热蓄能方式目前成本较高且占地面积大，建设受限地理环境。

储能具有时间属性和空间属性，同时兼具能量转化、搬移、存储和释放功能，是电-热-冷-汽-氢等不同能源网能量互动媒介，是构成能源互联网的“寄存器”、“存储器”和“数据中心”，是能源革命演进形成新一代电力系统的最为关键要素。按照能量存储形态，储能具体可划分为机械式、电磁式、电化学式和相变式四大类别，技术路线各具优势、特点不一，适配性与实际应用场景工况密切关联。近些年，在研究学者、行业专家、政企领导等社会各界人士的共同努力加持下，各类储能技术愈加成熟、成本愈加可控，已初呈多元化储能市场生态格局。氢能作为一种化学储能的延伸，具有储量丰富、绿色清洁、能量密度高、存储灵活等诸多优点。基于可再生能源电解的绿氢技术产制过程完全零碳排放，备受青睐、极具发展潜力。

现有基于氢储能构建的火电厂调峰调频系统，主要采用火电厂输出的电能为电解制氢槽制备氢气供电，如公布号为CN107528334A的发明专利所公开的“一种火电厂氢能储能调峰调频系统”正是如此，这种结构是目前较为普遍的形式，其缺点是采用非清洁可再生资源制备氢气，存在碳排放污染，且不能解决目前电网风光弃电问题；另外，目前的氢储能调峰系统也仅仅涉及制氢和氢燃烧后将化学能最终转变成电能的结构，并不能实现多态能源的绿色清洁联供。正是基于上述存在的不足，本发明旨在依托新技术、新理念、新方法、新模式解决能源转型过程面临的生态层面、技术层面、经济层面的诸多问题，助推现有能源供给体系向清洁低碳、安全高效快速协同演进，本案由此而生。

实用新型内容

本实用新型可消纳风光基地电能制备氢气，减少碳硫排放污染环境问题，利用电解水装置、燃气机等相关附属设备，实现了电-热-冷-汽-氢多态能源的绿色清洁联供。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种基于氢储能构建的多能源联供系统，包括电解制氢装置、储氢罐、燃气机、发电机，所述电解制氢装置供电输入端连接绿电基地的风电场和/或光伏电站，电解制氢装置制备出的氢气存储于储氢罐内，储氢罐内的氢气一部分通过氢气输送管网供用户用氢使用，另一部分氢气被送入燃气机燃烧，燃气机产生的气流推动发电机运转产生电能输送至输电网供用户用电使用，燃气机产生的蒸汽被输送至供汽管网为用户供汽。

进一步，所述电解制氢装置采用电解水装置，电解水装置与自来水供水管道相连。

进一步，所述电解水装置负极析出氢气，阳极析出氧气，氧气连同空气被送入燃气机内。

进一步，所述燃气机包括压汽机、燃烧室和涡轮，氧气和空气经过过滤装置过滤后被送入压汽机。

进一步，所述电解制氢装置制备出的氢气先经过过滤装置过滤后再存储于储氢罐内。

进一步，经过过滤装置过滤后的氢气被压缩机压缩后再送入储氢罐内。

进一步，所述电解水装置采用多整流器式电解水装置，即包括多个降压变压器、多个整流器、多个电解槽，变压器、整流器和电解槽三者一一互联耦合；或者电解水装置采用级联式电解水装置，即包括一个级联桥和多个电解槽，多个电解槽分别耦合于级联桥的直流侧；或者电解水装置采用整流站式电解水装置，即包括一个整流站、多台DC-DC BUCK变流器、多个电解槽，多台DC-DC BUCK变流器耦合于整流站的高压直流母线上，并与多个电解槽一一连接。

进一步，所述多能源联供系统还包括换热机组，燃气机产生的蒸汽一部分被送入换热机组与常温水换热产生高温水，高温水通过供热管网为用户提供热能。

进一步，所述多能源联供系统还包括预加热装置，电解水装置中电解槽流出的自来水通过预加热装置提高水温后送入供热管网为用户提供热能。

进一步，所述多能源联供系统还包括吸收式制冷装置，燃气机产生的蒸汽一部分被送入吸收式制冷装置产生低温水后被送入供冷管网为用户提供冷能。

本实用新型所公开的多能源联供系统可大幅消纳风光绿电基地的间歇性、不稳定的优质电能，并可将这种“不可控”的波动电能通过电解水装置、燃气机、发电机、换热装置、吸收式制冷装置等设备的协调配合转变为“可控”能量，按需保障电-热-冷-汽-氢的多态能源需求，从供给侧支撑我国双碳目标的实现。

本实用新型这种基于氢储能的综合能源联供系统构建了一种氢能支撑的统一能源系统的基本架构，该系统可由清洁能源输入、制氢环节实现电转氢、储氢环节通过储氢罐储存氢气，氢能转换环节实现氢转汽、氢转热、氢转冷、氢转电、氢转氢，氢储能的制、储、转三环节可结合不同需求解耦运行，以此达到氢能支撑的能源系统中长时间尺度供能。同时，基于氢储能积蓄的电网“谷电”可“峰用”，并同时满足热-冷-汽的用能需求技术，实现了系统的深度调峰，是电网侧建设大规模储能电站的理想选择之一。这种燃氢气机组具有快速和精确响应能力，可以有效辅助电力系统调频。

本实用新型这种基于氢储能构建的综合能源联供系统可利用双碳目标下势必退役的热电厂/火电厂现有土地资源、燃气机机组、厂用电系统、电网接入系统、供热/冷/汽管网等基础设施就地建设。不仅工程建设周期短、投资较小、节约了土地资源，而且基于原有厂站的电热（冷/汽）负荷需求，收益模式也较为清晰。同时，实现了对传统燃煤（热）电（联）产环境不友好技术的清洁再生替代，充分唤醒了厂内设备极具潜力价值的优质资源。而且，这种技术保留了电网“刚性”调节特征，是趋于电力电子化电力系统安全可靠运行的坚强保障，示范意义很强。

本实用新型这种基于氢储能构建的综合能源联供系统集储能站、发电站、供热站、供冷站、供汽站、供氢站于一体，非常适用于工业园区等电-热-冷-汽-氢多态综合用能需求场景，依托多元化的收益模式，大幅缩短投资回报期。同时，这种综合能源长时联供系统具备电热冷汽氢五联供、电热冷氢四联供、电热冷三联供、电热汽三联供、电冷汽三联供、电热联供、电冷联供、电汽联供、电氢联供等多种组合模式，可根据用户实际需求进行自由灵活的定制化设计和系统组分的优化配置。

附图说明：

图1为本实用新型实施例中多能源联供系统的结构示意图；

图2为实施例中电解水装置的三种结构示意图。

具体实施方式：

本实施例公开一种基于氢储能构建的多能源联供系统，该系统利用电解水装置消纳绿电基地由风电场、光伏电站产生的冗余电能，或者利用电网谷电冗余来制备氢气，不会产生碳硫排放污染问题，制备出来的氢气可直接用于工业用氢，还可以存储起来通过燃气机燃烧进行能量转化产生电能，再配合其他设备还可转化为热能、冷能和汽能，从而实现电能-热能-冷能-汽能-氢能五种能源的多组合联供形式。本实施例设计的联供系统是为电网侧大规模长时间尺度专属打造，特别适合含高比例风光等可再生能源的新型电力系统，在保障电力系统刚性的同时可以增加电网调峰能力。

本实施例提出的基于氢储能构建的多能源联供系统如图1所示，可以划分为源-网-储-机-荷五大部分。其中，“源”在这里是指绿电基站的集群风电场和光伏电站，主要用来为电网提供绿色优质电能；“网”在这里主要包括输电网、热管网、冷管网、汽管网、氢管网，分别承载着电、热、冷、汽、氢五种能量流，是源-荷交互的桥梁通道；“储”在这里主要包括电解制氢装置、储氢罐、阀门等设备；“机”在这里主要包括燃气机、发电机、换热机组、预加热装置、阀门、循环泵等设备；“荷”在这里主要包括电、热、冷、汽、氢五种用能形态。下面将结合附图1对本实施例联供系统结构进行说明。

整个联供系统按提供五种能源结构所涉及的各部分设备如下：包括电解制氢装置、储氢罐、燃气机、发电机、换热机组、吸收式制冷装置、储水罐、预加热装置、压缩机、过滤装置、阀门、循环泵以及五种能源输送管网。其中，燃气机、发电机以及输送管网等设备可以充分利用被废弃使用的热电厂/火电厂已有闲置设备，只需在闲置土地上增设电解制氢装置、储氢罐等配套设备即可，这样可以有效降低投入成本。

电解制氢装置作为核心设备用于制备氢气并存储于储氢罐内，考虑到符合绿色清洁的设计理念，本实施例中的电解制氢装置采用电解水装置，电解水装置主要由内部电力电子装置和电解槽共同组成，电解槽功率可柔性调节并可按需并联扩容；电解水装置直接连接自来水供水管路，通过电解水在电解槽负极析出氢气，阳极析出氧气，电解水装置的用电输入端可直接连接绿电基地的风电场和/或光伏电站，也可以用电网谷电冗余能量作为用能输入，这样不会产生碳排放污染问题。

电解水装置结构有很多种都可以制备氢气，本实施例给出其中的三种电解水装置结构（如图2所示），但不限于列举出的三种结构：第一种为多整流器式电解水装置，主要包含n个降压变压器，n台整流器，n个电解槽；其中，变压器、整流器和电解槽三者一一互联耦合；第二种为级联式电解水装置，主要包含一个级联桥和n个电解槽；其中n个电解槽分别耦合于级联H桥的直流侧；第三种为整流站式电解水装置，主要包含一个整流站、n台DC-DCBUCK变流器及n个电解槽；其中，n台DC-DC BUCK变流器耦合于整流站的高压直流母线，并与n个电解槽一一连接。

在电解过程中，电解槽负极析出的氢气尽量先经过过滤装置过滤杂质后，利用压缩机压缩后再存储于储氢罐内。储氢罐容量体积大小决定了氢储能系统可持续“充放电”的时长，如果想增加氢能的储存能量，加大储氢罐的体积即可。如果制备出来的氢气直接用于工业用氢、汽车用氢或者用户消纳使用，过滤后无需压缩机压缩，可直接通过氢气输送管网进行输送。

燃气机主要由压汽机、燃烧室和涡轮等组成，压汽机主要负责向燃烧室连续不断地供应高压空气助燃，为了保证燃烧质量且不产生氮氧化物及碳烟，在压汽机前端最好安装过滤装置对空气进行过滤，可以有效滤除氮、碳。由电解槽阳极析出的氧气连同空气一起被过滤装置过滤后送入压汽机。氢气在燃烧室内通过燃烧发生化学反应转变为热能，形成高温高压燃烧产物可以推动涡轮做功。涡轮将燃烧室所产生的气流能量转换为机械能，进而推动发电机运转产生电能，发电机在控制系统调控下按需向电网注入稳定的电能，灵活快速响应电网供给需求，提高电网高峰时段调控能力。

燃气机所产生的高温高压蒸汽可分为三路，一路可直接通过供汽管网输送至用户端保障其用汽需求；一路通过换热机组与常温水实现一次换热产生高温水，高温水通过热管网输送至用户端供热；另一路蒸汽进入吸收式制冷装置产生低温水后通过冷管网输送至用户端供冷。热传递置换后的常温水回流至储水罐内参与下一次往复循环。通入电解槽内的自来水可以为电解槽降温，从电解槽流出的自来水可以通过预加热装置提高水温后进入热水管道保障用户热水需求。

Claims (10)

1.一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：包括电解制氢装置、储氢罐、燃气机、发电机，所述电解制氢装置供电输入端连接绿电基地的风电场和/或光伏电站，电解制氢装置制备出的氢气存储于储氢罐内，储氢罐内的氢气一部分通过氢气输送管网供用户用氢使用，另一部分氢气被送入燃气机燃烧，燃气机产生的气流推动发电机运转产生电能输送至输电网供用户用电使用，燃气机产生的蒸汽被输送至供汽管网为用户供汽。

2.根据权利要求1所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述电解制氢装置采用电解水装置，电解水装置与自来水供水管道相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述电解水装置负极析出氢气，阳极析出氧气，氧气连同空气被送入燃气机内。

4.根据权利要求3所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述燃气机包括压汽机、燃烧室和涡轮，氧气和空气经过过滤装置过滤后被送入压汽机。

5.根据权利要求1所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述电解制氢装置制备出的氢气先经过过滤装置过滤后再存储于储氢罐内。

6.根据权利要求5所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：经过过滤装置过滤后的氢气被压缩机压缩后再送入储氢罐内。

7.根据权利要求2所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述电解水装置采用多整流器式电解水装置，即包括多个降压变压器、多个整流器、多个电解槽，变压器、整流器和电解槽三者一一互联耦合；或者电解水装置采用级联式电解水装置，即包括一个级联桥和多个电解槽，多个电解槽分别耦合于级联桥的直流侧；或者电解水装置采用整流站式电解水装置，即包括一个整流站、多台DC-DC BUCK变流器、多个电解槽，多台DC-DC BUCK变流器耦合于整流站的高压直流母线上，并与多个电解槽一一连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述多能源联供系统还包括换热机组，燃气机产生的蒸汽一部分被送入换热机组与常温水换热产生高温水，高温水通过供热管网为用户提供热能。

9.根据权利要求2所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述多能源联供系统还包括预加热装置，电解水装置中电解槽流出的自来水通过预加热装置提高水温后送入供热管网为用户提供热能。

10.根据权利要求1所述的一种基于氢储能构建的多能源联供系统，其特征在于：所述多能源联供系统还包括吸收式制冷装置，燃气机产生的蒸汽一部分被送入吸收式制冷装置产生低温水后被送入供冷管网为用户提供冷能。

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