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“刚才大家讲到都是氢能在交通领域的应用,下面由我来跟大家分享氢能在建筑领域的应用,我将从三个方面跟大家探讨下,一是研究的背景;二是面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨;三是面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案设计。”国网上海综合能源服务有限公司技术总监窦真兰博士发表了主题为《面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计》的演讲。
第一研究的背景。
由于氢能具有低储存成本潜力大以及使用终端灵活、用途广泛等优势,通过制氢、储氢和燃料电池系统实现热电联供,给建筑供热、供电,替代化石能源使用,助力实现碳达峰、碳中和。
目前中国全力支持氢能产业发展。
2020年3月,科技部发布国家重点研发计划,拟在“可再生能源与氢能技术”专项投入科研经费6.06亿元。
2021年2月,科技部发布“十四五”国家重点研发计划征求意见稿,特设“氢能技术”专项。
氢能应用场景广,主要为:电力领域、交通领域、工业领域、建筑领域。在电力领域应为场景为:
(1)可再生能源消纳场景:大规模电解水制氢、燃料电池电站发电及与电网互动响应;
(2)氢能终端消费场景:面向工业园区,建筑,区域供能的电解水制氢-储氢-氢能综合供能;
(3)电网末端供能场景:面向孤岛/偏远地区等场景的氢能综合利用。
在交通领域应用场景为:加氢站,氢燃料电池汽车;
在工业领域应用场景为钢铁工业中“氢冶金”取代“碳冶金”;炼油工业中利用氢将炼油裂解过程中的不饱和烃类转变为饱和烃,防止氧化;氨、甲醇等生产工业中利用可再生能源制氢+二氧化碳捕捉技术,用于氨、甲醇等化工原料的制取。
在建筑领域、生活领域的应用场景为:
(1)家用氢综合利用:利用天然气制氢/电解水制氢产生氢气,通过燃料电池实现热电联供。
(2)氢进万家:智慧能源城市中建设分布式加氢站、供氢管道,实现网络覆盖。
(3)氢医疗:利用氢气还原作用,延缓器官衰老、抗氧化、抗炎症。
(4)热电联供:给住宅楼宇供热、供电。
第二是氢燃料电池综合能源系统方案探讨。
方案从整体规划、关键技术、应用开展体系化研究。整体规划从系统规划入手,基于氢能系统建模,考虑风光氢互动因素,考虑安全、经济、能效等多个目标,在整体上对基于氢燃料电池的综合能源系统进行规划。开展模块化设计、安全防护、运维策略研究等。基于氢燃料电池的综合能源系统集成应用技术研究是基于规划设计、模块化设计、安全防护、运维策略研究获得的关键技术和成果,最终确定建设一套百千瓦级风光互补电解水制氢耦合氢燃料电池热电联产系统,进行系统装置开发和平台集成,并开展应用与验证。
1.氢燃料电池的综合能源系统规划主要方案
首先从制氢、储氢、氢燃料电池发电的运行机理入手,建立氢能系统的机理模型;然后,分析综合能源系统的用能特性以及可再生能源的出力特性,提出氢能系统与可再生能源、可控负荷的协调运行机制;进一步,结合上述研究成果,分析安全性、经济性、能效性多个目标的博弈关系,建立多目标优化规划模型;最后,考虑综合能源系统用户差异化需求,结合强化学习算法建立知识与数据混合驱动的快速求解算法。
2.氢燃料电池的综合能源系统模块化设计主要方案
在综合能源系统规划研究基础上,首先按照设备级、系统级和区域级三层结构,从供能模式、运行特性、控制策略、级联方式等维度对含氢能的综合能源系统基本模块进行分类,提出能源转换、储能等模块设计原则;其次,针对综合能源系统的模块组合配置问题,基于经济性、安全性和可靠性约束,建立混合整数非线性优化模型,在此基础上,结合综合能源系统工程实际应用模式,提出典型的模块组合配置原则;然后,分析补贴政策、建设成本与运营收益对综合能源系统经济性的影响,提出含氢能的综合能源系统技术经济评价指标,建立综合评价体系框架及评价流程;最后,针对典型区域不同运行模式和功能需求,综合考虑投资成本、建设周期、维护成本等因素,研究综合能源系统模块化典型设计方案,基于综合能源系统经济评价框架,通过对方案的经济技术比选,形成工程典型方案集。
3.氢燃料电池综合能源系统安全防护技术主要方案
首先开展氢综合能源系统的安全防护需求分析,提出不同应用场景下系统多层防护体系架构和各层防护的关键技术;其次,分析氢综合能源系统运行过程中的危害源、有害源,提出系统安全运行的评价方法,提出安全联锁控制策略;再次,建立氢气事故后果量化模型,研究针对氢气泄露、扩散、爆炸灾害的系统风险评估技术,提出氢综合能源系统可能发生的氢燃爆事故的缓解与安全防护策略和措施;分析环境因素对氢气扩散迁移行为的影响,提出系统安全预警防护的优化设计方案;最后,基于以上研究提出主、被动安全预警与防护一体化控制技术方案。
4.氢燃料电池综合能源系统优化运维策略的主要方案
首先,开展氢燃料电池Power-to-X能源路由器模型研究,筛选影响氢储能效率的参数及公式,建立氢综合能源系统物理模型,对系统模型进行模拟和计算分析,计算分析压力、温度、燃料流量、电流等对系统效率的影响;其次,进行氢综合能源系统的控制和运行策略研究;再次,开展单目标多参数和多目标多参数的数值模拟计算,进行氢综合能源系统的耦合控制和运维策略研究;最后,在优化分析的基础上进行系统经济性分析,开展氢综合能源系统的应用效果评价方法研究。
5.氢燃料电池综合能源系统集成应用技术的主要方案
首先,针对国家电网公司上海世博会企业馆示范区用能问题,提出总体设计架构与建设实施方案;其次,研制基于氢燃料电池的综合能源系统安全预警与防护装置和耦合控制装置,搭建综合能源系统协调控制平台;再后,研发基于氢燃料电池的综合能源系统综合管控与协调配置平台;最后,基于以上软件与硬件基础,建设一套百千瓦级风光互补电解水制氢耦合氢燃料电池热电联产系统,开展系统集成测试与试运行,并提出工程验证与评价方法。
第三面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案设计
1.氢燃料电池综合能源系统示范工程
以原世博国家电网馆为示范落地点,在已建有的智能电网、分布式发电系统等基础设施下,开展基于不小于5kW氢燃料电池基础模块,优化组合扩展建设1套不小于100kW的风光互补电解水制氢耦合氢燃料电池热电联产系统用于示范工程。整个国网馆的氢燃料电池综合能源系统结构如图所示。
2.基于示范工程的氢综合能源系统建模
该仿真模型是基于5kW储氢燃料电池系统+风光发电集成系统建立,并对国网馆夏季和冬季一日内典型负荷条件下的系统运行策略进行了仿真。夏季:风光能优先满足负载,盈余电能制氢储能,用电高峰时燃料电池启动补充电能。冬季:平均风速大,风机输出功率大,因此大部分时间可以满足用户负载,电解槽和燃料电池工作时间长。
3.基于示范工程的氢综合能源系统设计运行优化
基于国网馆典型电热负荷特征以及综能系统各装置的建设成本及运行成本,对综合能源系统的容量进行了优化设计,发现目前示范工程的燃料电池装机量较最优容量偏小,后续有进一步提升空间。在运行方案方面,燃料电池表现出随电价充放电、削峰填谷的效果,与仿真结果一致。
通过对《面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计》的探讨和设计,掌握系统的规划设计、系统集成以及氢能系统的安全防护技术,建设的综合能源系统可达到国内先进水平,可为氢能在建筑应用中提供技术支撑。
以上就是我跟大家分享的面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计,不足之处请大家指正,谢谢大家。
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加氢站贵,大家往往关注初期投资,但最终影响投资收益的是初期设备投资,折旧,再加上运维成本。按我们分析的成果来看,加氢站的运营成本很重要,不仅是设备初期投资成本,从整个投资期来看,加氢站装备成本降低一百万,还不如单位质量氢气加注电耗降低0.3度电的影响更明显,所以一定降低运维成本。另外,未来设备降本通过两个方面努力,第一是技术进步带来的低成本材料,容易批量化生产,低难度的工艺。第二个量上来,产生规模化效应,成本自然会下降。
随着氢能与储能被列入《十四五规划纲要》前瞻谋划的未来产业之一,氢能行业的定位与前景变得更加清晰。4月9日,由国网上海综合能源服务有限公司、北极星电力网主办的以“共享绿色能源新机遇、共创氢能时代新未来”为主题的氢能论坛在上海召开。来自发改委、发电集团、电网公司、行业协会以及氢能产业链上的企业代表300多人共聚一堂,共话“十四五”电-氢新体系、新发展。
“如何保障氢安全?可以采用一个梯级的策略来防范氢气事故并缓解事故后果。”国家电投集团中央研究院新能源技术研究所杨福明博士在第三届综合能源服务产业创新发展大会上发表了以《氢能设施风险评估与安全保障》为主题的演讲。
“电制氢对于构建以新能源为主体的新型电力系统意义重大。实现碳中和愿景目标,电力增长首先必须零碳化,电制氢及氢储运技术的加速成熟和成本的下降将为大电网提供跨时空的储能调峰能力。而氢燃气轮机可以为电网提供灵活性调节和转动惯量,构建零碳电网和新型电力系统成为可能。所以大家可以展望碳中和之时将进入氢能时代。”国网上海综合能源服务有限公司副总经理张春雁在第三届综合能源服务产业创新发展大会上发表了以《电制氢对于绿色能源体系建设的意义及其展望》为主题的演讲。
“由于氢能源泄露性强、易燃易爆等特点,做好氢安全工作就显得尤为重要。目前氢的检测仅限于催化燃烧传感器技术,但是会给使用者带来昂贵且定期的维护以及误报问题。XgardBrightMPS检测器为氢气检测提供了更好的解决方案。长寿命氢传感器在传感器的整个生命周期内无需校准,无中毒或误报风险,可显著节省总体成本,减少装置的维护,从而使操作人员安心并降低利用XgardBrightMPS技术的风险。”北京科尔康安全设备制造有限公司市场经理杨乔在“第三届综合能源服务产业创新发展大会氢能分论坛”上发表了以《氢能生产、储运和使用中的安全若干问题思考和邹论》为主题的演讲。
“我们国家在氢能燃料电池的标准化,大概有四个组织,第一个是全国氢能标准化技术委员会(SAC/TC309),第二个是全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会(TC342),第三个是全国汽车标准化技术委员会(TC114),第四个是全国气瓶标准化技术委员会。”中国节能协会氢能专业委员会主任全国氢能标准化技术委员会主任马林聪在“第三届综合能源服务产业创新发展大会氢能分论坛”上发表了以《氢能标准化概况》为主题的演讲。
在产业链里,氢能的应用肯定离不开制、储、加这几各环节。第一个环节就是制氢,我还是希望能把更多科技创新的意识放到制氢上面来。我们脑子要跟这根技术创新的弦要紧绷着。要想把氢能利用好,首先不能让氢气贵。
2020年,我们政策热潮却迎来的是市场寒流。仅2020年这一年,我们国家发布的氢能规划,加氢站1000座,燃料电池汽车超过25万辆。市场寒流就是产销量双双腰斩,以及甚至到今年1、2月份,这个数字依然在腰斩,这是形成政策热潮和市场寒流强烈的反差。
据统计,2020年,全国氢能产业和消费量均已突破每年2500万吨,而上海现有氢气规模超过每年42万吨,示范运行的氢燃料汽车累计销售1080辆。
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