Wasserstoffspeichersysteme sind eine Technologie zur Langzeitspeicherung von Energie in großem Maßstab durch eine bidirektionale Umwandlung von elektrischer und chemischer Energie, die in neuen Energiesystemen einen wichtigen strategischen Wert hat. Im Folgenden werden technische Details, Anwendungsszenarien, Vorteile und Herausforderungen analysiert:

Systemzusammensetzung und Kerntechnologie

1. Wasserstoffproduktionssystem

- Technische Route: Elektrolytischer Wasserstoff wird hauptsächlich verwendet, einschließlich alkalischer Elektrolyse (AE), Protonentauschmembranelektrolyse (PEM) und Hochtemperatur-Festoxidelektrolyse (SOEC). Die alkalische Elektrolysetechnologie ist ausgereift und kostengünstig, aber die Effizienz (ca. 60%) und die dynamische Reaktionsfähigkeit sind begrenzt. PEM-Elektrolyseeffizienz (ca. 80%), kleines Volumen, aber abhängig von Edelmetallkatalysatoren; Die theoretische Effizienz von SOEC übersteigt 90%, erfordert jedoch den Betrieb bei hohen Temperaturen (800-950 ° C) und befindet sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase.

Effizienz und Kosten: Die aktuelle Effizienz der Elektrolyse liegt zwischen 65% und 85%, die Systemkosten liegen bei etwa 855 USD/kW (2020) und werden voraussichtlich bis 2030 auf 305 USD/kW sinken (Lernkurve von 20%).

2. Wasserstoffspeichersysteme

- Lagerung:

- Hochdruckgasspeicherwasserstoff: Mainstream-Technologie, Massendichte von etwa 5% unter 35MPa, 70MPa bis zu 38kg / m³, aber hoher Druckenergieverbrauch (1/3 der Flüssigkeitsenergie).

Flüssiger Wasserstoffspeicher bei niedriger Temperatur: Die Volumendichte erhöht sich auf das 800fache des Gases, aber der flüssige Energieverbrauch macht 1/3 der Wasserstoffverbrennungswärme aus, und die Verdunstungsverlustsrate beträgt 1% -2% / Tag.

- Feststoffspeicherung: Speicherung mit Metallhydriden (wie LaNi5H6, MgH2), hohe Sicherheit, keine Verdunstungsverluste, aber niedrige Massendichte (ca. 5-10 kWh / kg)

- Wasserstoffspeichermaterial: Speichertanks aus Kohlefaserverbundstoffen sind weit verbreitet, unterirdische Salzgruppen, Abfallöl- und Gasfelder und andere skalierbare Wasserstoffspeicherlösungen werden demonstriert.

3. Wasserstoffkraftanlagen

Brennstoffzellentechnologie: Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) eignen sich für die verteilte Stromerzeugung mit einer Effizienz von 50% -60% und einer hohen Leistungsdichte, aber verlassen sich auf Platinkatalysatoren; Die Effizienz von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) beträgt 65%, die hohe Restwärmenutzung ist geeignet für die Wärmeversorgung.

- Stromerzeugungseffizienz: Die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle wird von Wasserstoffreinheit, Temperaturmanagement und anderen Faktoren beeinflusst, die derzeitige Systemeffizienz von etwa 35% -50%.

Anwendungsszenarien und typische Fälle

1. Stromsystemspitzenregelung

- Wirkungsmechanismus: Verwendung von überschüssiger Energie zur Herstellung von Wasserstoff, Stromerzeugung über Brennstoffzellen bei Spitzen des Stromverbrauchs oder direkte Beteiligung an Spitzen des Netzes. Beispielsweise können Gebiete wie Tibet und Qinghai, in denen der Wind schwerwiegend ausgesetzt ist (2022 werden mehr als 8% ausgesetzt), durch Wasserstoffspeicher volatile Stromversorgung aufnehmen.

- Fall: Zhangjiakou Erneuerbare Energie Wasserstoff-Projekt (200MW Windkraft + 10MW Wasserstoff-Produktion), durch die Speicherung von Wasserstoff zu erreichen, die saisonübergreifende Spitze.

2. Kundenseitige Nachfragereaktion und Wärmeversorgung

- Stromerzeugung von Wasserstoff: Nutzerseite nutzt nachts kostengünstigen Wasserstoff, während der Tag über Brennstoffzellen herzt wird, um das Peak Valley Arbitrage zu erreichen. In Industrieparks können beispielsweise Wasserstoffspeichermikronetze errichtet werden, um die Stromkosten zu senken.

- Wärmeversorgung: Die restliche Wärme von Brennstoffzellen kann die Gebäudeheizungsbedürfnisse erfüllen und die gesamte Energieeffizienz beträgt mehr als 80%.

3. Regionalübergreifende Energieverteilung

- Offshore-Windkraft Wasserstoff: Tiefsee-Windkraft durch Elektrolyse von Wasserstoff, um die Grenzen der Übertragung zu überbrechen. Beispielsweise nutzt das europäische Nordsee-Windkraftprojekt Wasserstoff (1 GW Windkraft + 1 Million Tonnen Wasserstoff pro Jahr) die Saisoneinstellung durch Salzgruppen-Speicherwasserstoff.

- Transformation von Öl- und Gasfeldern: Erschöpfte Öl- und Gasfelder können in "Wasserstofffelder" umgewandelt werden, die über eine Rohrleitung mit Wasserstoff (<15%) transportiert werden, um die Transportkosten zu senken.

Vorteile und Herausforderungen

1. Hauptvorteile

Langzeitspeicherung: geeignet für mehr als 4 Stunden bis vierteljährliche Energiespeicherung, die saisonale Schwankungen von Windkraft und Photovoltaik unterdrückt.

- Groß und regionsübergreifend: Speicherkapazität von 100 GWh, Wasserstoff kann über Rohrleitungen und Tankstransporte außerhalb des Ortes verteilt werden, um geografische Grenzen zu überwinden.

Umweltfreundlichkeit: Der gesamte Zyklus des „Strom-Wasserstoff-Strom“-Prozesses erzeugt ausschließlich Wasser und kann bei der Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien CO2-Null erreichen.

2. Hauptherausforderungen

Effizienz und Kosten: Die aktuelle "Strom-Wasserstoff-Strom" Gesamteffizienz von etwa 30% -40%, Stromkosten von 1,8 Yuan (2020), weit höher als Lithium-Stromspeicher (0,5 Yuan) und Pumpenergie (<0,25 Yuan).

- Technische Engpässe: Wasserstoffspeichermaterialien, Brennstoffzellen-Schlüsselkomponenten (wie Membranelektroden, Bipolarplatten) sind von den Importen abhängig, und die Inlandsproduktionsrate muss verbessert werden.

- Sicherheit: Wasserstoff ist brennbar und explosiv und erfordert eine optimierte Tankplanung, Transportmanagement und Leckerüberwachungstechnologie.