CN114738662A - 一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法，该系统包括：电解制氢装置，其与可再生能源供电装置连接，可再生能源供电装置为电解制氢装置提供电能进行电解制氢；氢气液化装置，其与电解制氢装置的氢输出管路连接，氢气液化装置用于使氢气液化；液氢储存装置，其与氢气液化装置的液氢输出端连接，液氢储存装置用于储存液氢；液氢气化装置，其与所述液氢储存装置的输出端连接，液氢气化装置用于使液氢气化。本发明的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，利用可再生能源供电装置提供的电能电解制氢，氢气被氢气液化装置液化，对氢气进行液化储存，提高单位体积的能量储存密度，便于输运。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源储能技术领域，尤其涉及一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法。
背景技术
可再生能源(风能发电、光伏发电、水力发电等)受地理位置、气候或气象条件、时间等外部因素影响，电力供应存在不稳定性和间歇性等缺点。为了提高可再生能源电力供应量和可靠性，电网需配置一定的储能系统，以配合可再生能源实现调峰，提高电力供应的品质。
现有技术公开了一种综合利用海上能源发电与氢储能一体化系统及方法，综合利用海上多种可再生能源，以氢储能为储能环节，通过电解水储存富余的电能，在海上能源发电不足时再向负载供电，无需额外储能装置。现有技术还公开了一种分布式光伏发电氢储能系统及方法，通过以氢气为氢储能单元，将日间所发出的多余电能通入电解槽电解水制造氢气并将氢气暂时储存于吸附性高的储氢材料中，夜间用电时储氢材料释放氢气并通入氢燃料电池发电，实现将电能转化为化学能再转化为电能进行有效利用。
然而目前可再生能源电解水制氢储能主要以气态氢作为储能介质，其储能的能量密度小，且高压氢气的需要专门的罐体进行装运，目前专用储罐的制造成本较高且单体容积有限，造成氢气的储存和运输运成本较高，终端用户的用氢成本较高。
基于目前的电解水制氢储能主要以气态氢进行储能并应用存在的缺陷，有必要对此进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法，以解决或部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明提供了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，包括：
电解制氢装置，其与可再生能源供电装置连接，所述可再生能源供电装置为所述电解制氢装置提供电能进行电解制氢；
氢气液化装置，其与电解制氢装置的氢输出管路连接，所述氢气液化装置用于使氢气液化；
液氢储存装置，其与氢气液化装置的液氢输出端连接，所述液氢储存装置用于储存液氢；
液氢气化装置，其与所述液氢储存装置的输出端连接，所述液氢气化装置用于使液氢气化。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，所述液氢储存装置包括：
储存穴，其开采于地下；
第一管道，其一端与所述储存穴连通、另一端与所述氢气液化装置的液氢输出端连通；
第二管道，其一端与所述储存穴连通、另一端与所述氢气气化装置的液氢输出端连通。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，所述电解制氢装置包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，所述液氢气化装置包括开架式气化器、浸没燃烧式气化器、中间介质气化器和空温式气化器中的一种。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，所述液氢储存装置还包括第三管道，所述第三管道与所述储存穴外壁连通，通过所述第三管道向所述储存穴外壁通水以形成冻土层。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，还包括逆变器，其与所述可再生能源供电装置、电解制氢装置电连接，所述逆变器用于接收所述可再生能源供电装置输出的电能后，对其进行交直流变换后对所述电解制氢装置提供电能。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，还包括氢能利用装置，所述氢能利用装置与所述液氢气化装置的氢气输出端连接，所述氢能利用装置以氢气为原料进行工作。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，所述氢能利用装置包括膨胀发电机、氢燃料电池、燃气轮机中的至少一种。
优选的是，所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，还包括电网，所述可再生能源供电装置与电网电连接，所述可再生能源供电装置一部分电能用于对所述电解制氢装置提供电能、另一部分并入所述电网。
第二方面，本发明还提供了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用方法，包括以下步骤：
提供所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统；
利用再生能源供电装置对电解制氢装置提供电能对其电解制氢；
氢气经电解制氢装置的氢输出管路进入液氢储存装置内并对其液化；
液氢经氢气液化装置的液氢输出端进入液氢储存装置内进行储存；
液氢经液氢储存装置的输出端进入液氢气化装置并进对其气化；
气化产生的氢气进入氢能利用装置以对其利用。
本发明的一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，利用可再生能源供电装置提供的电能电解制氢，氢气被氢气液化装置液化，对氢气进行液化储存，提高单位体积的能量储存密度，便于输运；克服了目前可再生能源电解水制氢储能主要以气态氢作为储能介质，其储能的能量密度小，且高压氢气的需要专门的罐体进行装运，目前专用储罐的制造成本较高且单体容积有限，造成氢气的储存和运输运成本较高，终端用户的用氢成本较高的问题；
2、本发明的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，液氢储存装置包括：储存穴、第一管道和第二管道；氢气液化装置中的液氢经过第一管道进入储存穴中进行储存，而储存穴中储存的液氢再经过第二管道进入至氢气气化装置；利用地下开采的储存穴作为液氢储存容器，相较灌装方法增大了液氢的储存容量，降低储存成本，提高了氢储存的能量密度和储存规模，降低了单位能量储存成本，提高了氢能储运和加注过程的安全性。
3、本发明的基于液氢储能的可再生能源综合利用方法，利用液氢作为中间储能介质，不仅可以作为工业原料直接利用，也可通过燃料电池或者燃气轮机等进行电力或热力供应，具有广阔的终端应用领域，降低了能源供给和工业生产过程的碳排放量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统的结构示意图；
图2为本发明其中一个实施例中液氢储存装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，如图1所示，包括：
电解制氢装置2，其与可再生能源供电装置1连接，可再生能源供电装置1为电解制氢装置2提供电能进行电解制氢；
氢气液化装置3，其与电解制氢装置2的氢输出管路连接，氢气液化装置3用于使氢气液化；
液氢储存装置4，其与氢气液化装置3的液氢输出端连接，液氢储存装置4用于储存液氢；
液氢气化装置5，其与液氢储存装置4的输出端连接，液氢气化装置5用于使液氢气化。
需要说明的是，本申请实施例提供的可再生能源综合利用系统，包括可再生能源供电装置1、电解制氢装置2、氢气液化装置3、液氢储存装置4、液氢气化装置5；其中，可再生能源供电装置1是利用可再生能源如可风能发电、光伏发电、水力发电等方式产生电能进行供电的装置；可再生能源系统由于受到时间、地域以及气象条件的限制，发电特性存在波动性、间歇性等缺点，限制了电网对可再生能源电力的消纳能力。利用可再生能源波谷电能进行电解水制氢，利用氢进行储能，提高可再生能源的利用效率。电解制氢装置2是利用电解原理对水进行电解而得到氢气的装置，具体而言，电解制氢装置2的阴极产生氢气，本申请并未对电解制氢装置2进行改进，采用现有的电解制氢装置2即可；氢气液化装置3是对氢气进行液化的装置，本申请也未对氢气液化装置3的具体结构进行改进，例如可采用氦气制冷机或氢气制冷机中；制冷机利用压缩机-换热器-膨胀机原理产生制冷效应，将氢气进行液化。液氢储存装置4，其用于储存液氢，具体的液氢可储存在绝热的密封储罐内也可储存在其它装置内；具体的，液氢储存装置4具有良好的绝热效应，可以减少外部传热造成的液氢气化；另外液氢储存装置4可以配置小型制冷机，用于少量漏热产生的氢气的循环液化；液氢储存装置4还配置有氮气吹扫装置，包括氮气风机，用于置换氢气注排前后储存装置内的空气；液氢储存装置4还配置有液氮预冷装置用于液氢储存前装置的预冷，减小注氢过程中的壁面应力；液氢储存装置4带有注排氢管道及接口，注排氢管口位于储存装置底部。液氢气化装置5，用于对液氢进行气化使液氢升温变成气体，具体的，本申请未对液氢气化装置5的具体结构进行改进，采用现有的液氢气化装置5即可。
本申请的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统的工作原理为：可再生能源供电装置1产生的电能为电解制氢装置2提供电能进行电解制氢，电解产生的氢气经过电解制氢装置的氢输出管路进入至氢气液化装置3中并被液化；氢气经过液化后产生的液氢进入液氢储存装置4中被储存；液氢储存装置4中的液氢进入液氢气化装置5中气化生成氢气，进而进行使用。本申请的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，利用可再生能源供电装置提供的电能电解制氢，氢气被氢气液化装置液化，对氢气进行液化储存，提高单位体积的能量储存密度，便于输运；克服了目前可再生能源电解水制氢储能主要以气态氢作为储能介质，其储能的能量密度小，且高压氢气的需要专门的罐体进行装运，目前专用储罐的制造成本较高且单体容积有限，造成氢气的储存和运输运成本较高，终端用户的用氢成本较高的问题。
具体的，本申请实施例中的电解制氢装置2，阴极产生氢气、阳极产生氧气，可根据使用情况将阳极产生的氧气收集并加以利用。
在一些实施例中，液氢储存装置4包括：
储存穴41，其开采于地下；
第一管道42，其一端与储存穴41连通、另一端与氢气液化装置3的液氢输出端连通；
第二管道43，其一端与储存穴41连通、另一端与氢气气化装置5的液氢输出端连通。
具体的，本申请中的储存穴41开采于地下，具体的开采深度为200～500m等，也可以利用地下存在的地穴、盐穴等作为储存穴41，储存穴41用以储存液氢；第一管道42一端与储存穴41连通、另一端与氢气液化装置3的液氢输出端连通，氢气液化装置3中的液氢经过第一管道42进入储存穴41中进行储存，而储存穴41中储存的液氢再经过第二管道43进入至氢气气化装置5。在本方案中，利用地下开采的储存穴41作为液氢储存容器，相较灌装方法增大了液氢的储存容量，降低储存成本，提高了氢储存的能量密度和储存规模，降低了单位能量储存成本，提高了氢能储运和加注过程的安全性。
在一些实施例中，电解制氢装置2包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。
在一些实施例中，液氢气化装置5包括开架式气化器、浸没燃烧式气化器、中间介质气化器和空温式气化器中的一种。液氢气化装置5利用外部介质提供液氢气化所需的热量。实际中，液氢气化装置5还有具有压力、温度控制和报警装置，控制气化过程的压力和温度。液氢气化装置5后可通过氢气压缩机提高压力后进行氢气的输送或加注；液氢气化装置5后可选择装配氢气缓冲罐，用于消除压缩机和氢气用户之间的流量和压力波动，也可进行氢气储存。
在一些实施例中，液氢储存装置4还包括第三管道44，第三管道44与储存穴41外壁连通，通过第三管道44向储存穴41外壁通水以形成冻土层。
在上述实施例中，通过第三管道44向储存穴41外壁注水，当液氢被通入至储存穴41内时，储存穴41外壁温度迅速降低，同时储存穴41外壁中的水结冰从而形成冻土层，冻土层形成的致密储存穴41储存液氢，防止液氢挥发泄露。
在一些实施例中，第一管道42、第二管道43和第三管道44上均设有阀门。
在一些实施例中，储存穴41内壁还依次设有隔热缓冲层以及支撑层，其中隔热缓冲层的材料为具有一定孔隙率的材料或粉末，例如可为珍珠岩，珍珠岩的体积密度为10～500kg/m3，支撑层的材料为混凝土或耐火砖或其他材料；隔热缓冲层起到了隔热缓冲的作用，支撑层则起到增加储存穴41强度的作用，以减轻长期运行后由于储存穴41上方一定厚度的土壤压力造成的变形。
在一些实施例中，还包括逆变器6，其与可再生能源供电装置1、电解制氢装置2电连接，所述逆变器6用于接收可再生能源供电装置1输出的电能后，对其进行交直流变换后对电解制氢装置2提供电能。
在一些实施例中，还包括氢能利用装置7，氢能利用装置7与液氢气化装置5的氢气输出端连接，氢能利用装置以氢气为原料进行工作。
在一些实施例中，氢能利用装置包括膨胀发电机71、氢燃料电池72、燃气轮机73中的至少一种。
在上述实施例中，膨胀发电机71利用氢气产生电能，该电能即可以用于对电解制氢装置2供电也可以用于其它生产；氢燃料电池72以氢气为原料进行发电，同样产生的电能即可以用于对电解制氢装置2供电也可以用于其它生产；燃气轮机73以氢气为工质，带动叶轮高速旋转，将燃料燃烧的化学能转换为电能和热能。
在一些实施例中，还包括电网8，可再生能源供电装置1与电网8电连接，可再生能源供电装置1一部分电能用于对电解制氢装置2提供电能、另一部分并入电网8。
具体的，燃气轮机73与电网8电连接，燃气轮机73产生的电能并入电网8，燃气轮机73产生的热能用于工业生产。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种基于液氢储能的可再生能源综合利用方法，包括以下步骤：
S1、提供上述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统；
S2、利用再生能源供电装置对电解制氢装置提供电能对其电解制氢；
S3、氢气经电解制氢装置的氢输出管路进入液氢储存装置内并对其液化；
S4、液氢经氢气液化装置的液氢输出端进入液氢储存装置内进行储存；
S5、液氢经液氢储存装置的输出端进入液氢气化装置并进对其气化；
S6、对气化产生的氢气进行利用。
具体的，上述实施例中，氢气既可以作为工业原料直接参与工业生产，例如可作为燃料进行发电或供热，也可通过氢燃料电池进行供电；氢气作为化工原料属性，氢气可作为还原性气体进行钢铁冶炼，进行氨气的合成、石油冶炼、精细化工和医药生产原料等；氢气作为能源属性，氢气通过在燃气轮机中与天然气掺烧或者直接燃烧进行发电或供热，实现其化学势能的利用；在半导体工业中，高纯氢气在晶体的生长与衬底的制备、氧化工艺、外延工艺中以及化学气相淀积(CVD)技术均有应用；通过氢燃料电池发电，为汽车提供电力供应。
上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，包括：
电解制氢装置，其与可再生能源供电装置连接，所述可再生能源供电装置为所述电解制氢装置提供电能进行电解制氢；
氢气液化装置，其与电解制氢装置的氢输出管路连接，所述氢气液化装置用于使氢气液化；
液氢储存装置，其与氢气液化装置的液氢输出端连接，所述液氢储存装置用于储存液氢；
液氢气化装置，其与所述液氢储存装置的输出端连接，所述液氢气化装置用于使液氢气化。
2.如权利要求1所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，所述液氢储存装置包括：
储存穴，其开采于地下；
第一管道，其一端与所述储存穴连通、另一端与所述氢气液化装置的液氢输出端连通；
第二管道，其一端与所述储存穴连通、另一端与所述氢气气化装置的液氢输出端连通。
3.如权利要求1所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，所述电解制氢装置包括碱性水溶液电解制氢装置、固体聚合物电解制氢装置、高温固体氧化物电解制氢装置中的至少一种。
4.如权利要求1所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，所述液氢气化装置包括开架式气化器、浸没燃烧式气化器、中间介质气化器和空温式气化器中的一种。
5.如权利要求2所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，所述液氢储存装置还包括第三管道，所述第三管道与所述储存穴外壁连通，通过所述第三管道向所述储存穴外壁通水以形成冻土层。
6.如权利要求1所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，还包括逆变器，其与所述可再生能源供电装置、电解制氢装置电连接，所述逆变器用于接收所述可再生能源供电装置输出的电能后，对其进行交直流变换后对所述电解制氢装置提供电能。
7.如权利要求1～6任一所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，还包括氢能利用装置，所述氢能利用装置与所述液氢气化装置的氢气输出端连接，所述氢能利用装置以氢气为原料进行工作。
8.如权利要求7所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，所述氢能利用装置包括膨胀发电机、氢燃料电池、燃气轮机中的至少一种。
9.如权利要求1所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，还包括电网，所述可再生能源供电装置与电网电连接，所述可再生能源供电装置一部分电能用于对所述电解制氢装置提供电能、另一部分并入所述电网。
10.一种基于液氢储能的可再生能源综合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供如权利要求1～9任一所述的基于液氢储能的可再生能源综合利用系统；
利用再生能源供电装置对电解制氢装置提供电能对其电解制氢；
氢气经电解制氢装置的氢输出管路进入液氢储存装置内并对其液化；
液氢经氢气液化装置的液氢输出端进入液氢储存装置内进行储存；
液氢经液氢储存装置的输出端进入液氢气化装置并进对其气化；
对气化产生的氢气进行利用。
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| CN202210343052.3A CN114738662A (zh) | 2022-04-02 | 2022-04-02 | 一种基于液氢储能的可再生能源综合利用系统和方法 |
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