基于水下儲(chǔ)氫的抽水蓄能電站與電解制氫耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)想及分析
蔣迎偉, 萬(wàn)金明
（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）
DOI：10.20121/j.2097-2784.ntps.230035
1.研究背景
隨著波動(dòng)性可再生能源大規(guī)模接入，對(duì)電力系統(tǒng)電力電量平衡、跨區(qū)域大范圍優(yōu)化調(diào)度、電能長(zhǎng)時(shí)間跨季節(jié)存儲(chǔ)、電能質(zhì)量保障提出了更高要求。儲(chǔ)能技術(shù)是平衡能源供需關(guān)系、實(shí)現(xiàn)可再生能源高水平消納和區(qū)域能源優(yōu)化、提高電力系統(tǒng)高效性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性的關(guān)鍵技術(shù)，在新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。其中，抽水蓄能是成熟的儲(chǔ)能方式，是電力系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)資源。抽水蓄能電站具有響應(yīng)速度快、可靠性高等特點(diǎn)，主要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻、系統(tǒng)備用、黑啟動(dòng)等調(diào)節(jié)功能，在保障大電網(wǎng)安全、促進(jìn)新能源消納等方面發(fā)揮重要作用。近幾年，抽水蓄能電站在我國(guó)得到了快速發(fā)展，但抽水蓄能電站建設(shè)依賴地理?xiàng)l件，建成后擴(kuò)容困難，死庫(kù)容水量無(wú)法充分利用。因此，迫切需要進(jìn)一步挖掘抽水蓄能電站調(diào)節(jié)潛力，滿足電力系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的靈活性調(diào)節(jié)需求。
氫能作為一種二次能源，具有清潔低碳、可長(zhǎng)期存儲(chǔ)、靈活高效等特點(diǎn)，既可發(fā)揮能源屬性作為儲(chǔ)能介質(zhì)參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)，也可發(fā)揮原料屬性應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域獲得產(chǎn)品收益。氫能在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用將發(fā)揮重要作用，利用電制氫可有效提升可再生能源消納水平；氫儲(chǔ)能具有容量大、時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在跨季節(jié)長(zhǎng)周期儲(chǔ)能場(chǎng)景中具有競(jìng)爭(zhēng)力；先進(jìn)電解水制氫裝備對(duì)輸入功率具備秒級(jí)響應(yīng)能力，為電網(wǎng)提供調(diào)峰等輔助服務(wù)，提高電力系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性。需要探索抽水蓄能電站與電解制氫耦合方式，實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
2.研究意義
將抽水蓄能電站與電解制氫耦合，提升系統(tǒng)的可再生能源消納能力、電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、經(jīng)濟(jì)效益，突破抽水蓄能電站發(fā)展瓶頸，推動(dòng)氫能與新型電力系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。本系統(tǒng)利用水輪機(jī)抽水與電解槽制氫聯(lián)合消納可再生能源，采用水下儲(chǔ)氫氣囊儲(chǔ)存氫氣，通過(guò)水輪機(jī)與氫燃料電池發(fā)電，支撐電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在提升抽水蓄能電站性能方面，通過(guò)電解槽制氫補(bǔ)充消納富余可再生能源，依靠水下儲(chǔ)氫充分利用死庫(kù)容空間，利用氫燃料電池發(fā)電輔助參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)，售氫增加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。在保障電解制氫安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，通過(guò)水下儲(chǔ)氫提升系統(tǒng)公共安全水平，依靠庫(kù)底已有水壓可降低儲(chǔ)氫材料強(qiáng)度需求，儲(chǔ)氫成本下降從而經(jīng)濟(jì)性提升。
3.系統(tǒng)構(gòu)想及設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以就近消納可再生能源為主要目的，包含抽水蓄能電站及電制氫儲(chǔ)能兩個(gè)子系統(tǒng)，抽水蓄能電站子系統(tǒng)通過(guò)可逆式水輪機(jī)組實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存與釋放；電制氫儲(chǔ)能通過(guò)質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽將富余可再生能源電力轉(zhuǎn)化為氫氣，并將氫氣儲(chǔ)存在上水庫(kù)死庫(kù)容中的由復(fù)合材料制成的儲(chǔ)氫氣囊中；氫氣可用于氫燃料電池發(fā)電，也可直接銷(xiāo)售。
本系統(tǒng)運(yùn)行模式所包含9種運(yùn)行工況：
1）可再生能源出力低，電解槽制氫：當(dāng)電力系統(tǒng)內(nèi)過(guò)剩可再生能源不足以啟動(dòng)抽水蓄能電站水輪機(jī)組抽水，但大于PEM電解槽單槽最低運(yùn)行功率時(shí)，抽水蓄能電站不啟動(dòng)，利用運(yùn)行控制系統(tǒng)精細(xì)化控制多臺(tái)電解槽消納可再生能源。
2）水庫(kù)上游水量不足，電解槽制氫：當(dāng)水庫(kù)上游來(lái)水不足，出現(xiàn)無(wú)水少水現(xiàn)象時(shí)，抽水蓄能電站無(wú)法抽水，PEM電解槽啟動(dòng)制氫，代替抽水蓄能電站消納可再生能源。
3）抽水蓄能電站抽水：當(dāng)過(guò)?？稍偕茉措娏橛诔樗钅茈娬咀钚?dòng)功率及額定容量之間時(shí)，抽水蓄能電站抽水儲(chǔ)能。電制氫系統(tǒng)處于停機(jī)備用狀態(tài)，可將氫氣銷(xiāo)售使氣囊體積由最大膨脹狀態(tài)Vs,max減小至折疊狀態(tài)Vs,min，提升上水庫(kù)蓄水容量。
4）抽水蓄能電站抽水，電解槽制氫：當(dāng)電力系統(tǒng)需要抽水蓄能電站抽水來(lái)消納過(guò)?？稍偕茉措娏?，且過(guò)剩電力大于抽水蓄能電站額定容量時(shí)，抽水蓄能電站滿負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)利用電解水制氫將抽水蓄能電站無(wú)法消納的剩余可再生能源電力轉(zhuǎn)化為氫氣并就地銷(xiāo)售。
5）調(diào)節(jié)需求低，氫燃料電池發(fā)電：當(dāng)電力系統(tǒng)調(diào)峰需求低于抽水蓄能電站水輪機(jī)組發(fā)電功率，但滿足氫燃料電池單機(jī)最低運(yùn)行功率時(shí)，抽水蓄能電站不啟動(dòng)，氫燃料電池發(fā)電。
6）水庫(kù)水量不足，氫燃料電池發(fā)電：當(dāng)水庫(kù)內(nèi)水量不足，抽水蓄能電站無(wú)法啟動(dòng)，但電力系統(tǒng)調(diào)峰需求依然存在時(shí)，氫燃料電池發(fā)電。
7）抽水蓄能電站發(fā)電，電解槽制氫：當(dāng)電力系統(tǒng)調(diào)峰需求小于等于抽水蓄能電站額定發(fā)電容量時(shí)，抽水蓄能電站發(fā)電。同時(shí)電解槽制氫，儲(chǔ)氫氣囊由于充氫體積膨脹，產(chǎn)生從氣囊折疊狀態(tài)Vs,min到最大膨脹狀態(tài)Vs,max的體積差△Vs，抬升上水庫(kù)水頭，死庫(kù)容中原本難以利用的剩余水量得到充分利用。
8）抽水蓄能電站與氫燃料電池聯(lián)合發(fā)電：當(dāng)電力系統(tǒng)調(diào)峰需求大于抽水蓄能電站額定發(fā)電容量時(shí)，抽水蓄能電站達(dá)到滿發(fā)狀態(tài)，氫燃料電池與水輪機(jī)組聯(lián)合發(fā)電。
9）可再生能源與抽水蓄能電站供給電解槽制氫：當(dāng)可再生能源出力與抽水蓄能電站調(diào)節(jié)裕度滿足電解槽制氫時(shí)，電解槽制氫，此工況通過(guò)售氫獲得收益。
4.系統(tǒng)運(yùn)行及效益評(píng)估方法
論文結(jié)合水力發(fā)電裝備的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析了其在新型電力系統(tǒng)背景下面臨的挑戰(zhàn)；圍繞高海拔環(huán)境下沖擊式機(jī)組、適應(yīng)水風(fēng)光互補(bǔ)的超寬負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行水電機(jī)組、大型變速、超大水頭變幅和海水等抽水蓄能機(jī)組和水電機(jī)組數(shù)字孿生智能運(yùn)維系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等四個(gè)方面總結(jié)分析了水力發(fā)電裝備的發(fā)展趨勢(shì)、待解決關(guān)鍵問(wèn)題及研究路徑。
1）可再生能源消納能力
以現(xiàn)階段電解制氫的電氫轉(zhuǎn)換效率約71%計(jì)算，本系統(tǒng)額定氫氣容量為10000Nm3，則本系統(tǒng)可消納的可再生能源電量約為50000kWh。
2）系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力
以水輪機(jī)組轉(zhuǎn)換效率80%計(jì)算，忽略滯留氫氣，氣囊由最小體積充分調(diào)節(jié)至最大體積，抬高水體產(chǎn)生等效發(fā)電量約為450kWh。氫發(fā)電的效率約為60%，1Nm3氫氣完全燃燒產(chǎn)生的熱量約為12.6×106J，本系統(tǒng)氫氣發(fā)電量最大值約為17500 kWh。
3）系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益
經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)建設(shè)成本約6.91億元，年運(yùn)維成本約2.28億元，制氫平準(zhǔn)化單位成本約為32元/kg。若該系統(tǒng)通過(guò)售氫獲利，假設(shè)售氫價(jià)格約35元/kg，本系統(tǒng)售氫附加收益約為2679元。若該系統(tǒng)通過(guò)燃料電池發(fā)電參與電力系統(tǒng)調(diào)峰輔助服務(wù)獲利，假設(shè)輔助服務(wù)收益為0.5元/kWh，則本系統(tǒng)附加收益約為8750元。
4）安全性
水下氣囊儲(chǔ)氫方式的特點(diǎn)在于，當(dāng)氫氣泄漏時(shí)，氫氣與水接觸形成氣泡，氫氣不與空氣中氧氣直接接觸，不易爆炸。抽水蓄能電站對(duì)水庫(kù)地質(zhì)條件要求較高，盡量選擇遠(yuǎn)離地震帶且穩(wěn)定性較好的區(qū)域，水下環(huán)境復(fù)雜程度較低、水文情況更為穩(wěn)定，外界因素帶來(lái)的儲(chǔ)氫安全性影響因素較少。抽水蓄能電站選址多為人口密度低的區(qū)域，在此區(qū)域開(kāi)展制氫、儲(chǔ)氫等工作，能夠減少人員與氫氣的接觸，最大限度的減少因氫氣爆炸造成的人員傷亡及公共財(cái)產(chǎn)損失，保障系統(tǒng)公共安全。
5.結(jié)論
本文首先結(jié)合國(guó)內(nèi)外抽水蓄能改造及水下儲(chǔ)氫技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種抽水蓄能電站與電解制氫耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將傳統(tǒng)抽水蓄能電站與PEM電解制氫、氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，利用水下儲(chǔ)氫氣囊膨脹收縮特性調(diào)節(jié)上水庫(kù)水頭，實(shí)現(xiàn)死庫(kù)容利用率的提升；然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式，評(píng)估了相應(yīng)電制氫、氫發(fā)電、儲(chǔ)氫系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)抽水蓄能電站在消納能力、調(diào)節(jié)能力、經(jīng)濟(jì)效益等方面的提升效果，并給出相應(yīng)評(píng)估方法；最后對(duì)抽水蓄能電站與電解制氫耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與展望，為氫能與新型電力系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供參考。
抽水蓄能電站與電解制氫耦合，可大大提高已有抽蓄電站對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力，豐富對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段，同時(shí)安全經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)氫氣儲(chǔ)存，產(chǎn)生一舉多得的作用，更好支撐電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在未來(lái)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過(guò)程中具有一定應(yīng)用前景。
