Enerji depolama sistemlerinde hidrojen enerjisi ve yakıt hücresi uygulamaları
IRENA'nın 2018 Küresel Enerji Dönüşüm Raporu, mevcut kalkınma modeline göre küresel elektrik talebinin 2012'ye kıyasla 2050 yılına kadar ikiye katlanacağına işaret etti. Şu anda, enerji üretiminden kaynaklanan karbon emisyonları, enerji ile ilgili karbon emisyonlarının yaklaşık% 40'ını oluşturmaktadır. Bu nedenle, enerji üretim sisteminin "karbondan arındırılması" küresel ısınmayı 2 ° C içinde kontrol etmek için çok önemlidir.
Paris Anlaşması hedefine ulaşmak için, 2050 yılına kadar elektrik endüstrisinin karbon emisyonlarının 2012'ye kıyasla en az% 85 azaltılması gerekiyor ve bu da elektrik üretiminde yenilenebilir enerji oranının% 63'e ulaşmasını gerektiriyor. Bununla birlikte, yenilenebilir enerjinin dengesiz elektrik üretimi, temel yükleri karşılama kabiliyetini zayıflatır ve yenilenebilir enerjinin elektrik üretemediği durumlarda takviye için diğer yüksek güçlü güç üretim ekipmanlarını gerektirir. Enerji depolama teknolojisi, güç üretimi gereksinimlerini etkili bir şekilde azaltabilir.
Batarya enerji depolamaya ek olarak, hidrojen enerjisi depolama teknolojisi de oldukça rekabetçi bir gelişme yönüdür. Sözde hidrojen enerjisi depolama teknolojisi, fazla elektriğin sonsuza kadar depolanabilen hidrojeni üretmek için kullanılabileceği ve daha sonra gazın elektrik üretmek için geleneksel gazla çalışan enerji santrallerinde yakılabileceği veya evleri ısıtmak için kullanılabileceği anlamına geliyor.
Hidrojene dönüştürmenin avantajı, elektrolizle hidrojen üretiminin verimliliğinin çok yüksek olması ve elektrik enerjisinin mevcut dönüşüm oranının% 80'e ulaşabilmesidir.Ayrıca, hidrojen, kullanım açısından çeşitli çözümler sunabilir ve büyük ölçekli, uzun vadeli enerji depolama ihtiyaçlarını karşılayabilir. Şu anda, hidrojen depolama teknolojisi alt bölümlere ayrılmışsa, aşağıdaki iki türe ayrılabilir:
1. Güçten-güce (PtP): elektrik enerjisinin diğer enerji türlerine dönüştürülmesi, depolanması ve ardından gerektiğinde tekrar elektrik enerjisine dönüştürülmesi sürecini ifade eder.
2. Güçten gaza (PtG): elektrik enerjisini gaza dönüştürme sürecini ifade eder. Genellikle hidrojene dönüştürülür ve doğal gaz boru hatlarına enjekte edilir veya metanasyonla metana dönüştürülür.
Buna ek olarak, Yakıta Güç, Güçten sentezleme gazı ve benzerleri vardır. Aksine, uygulama yukarıdaki ikisi kadar kapsamlı değildir.
Danimarka'daki P2G-BioCat elektrikten gaza projesi, resim kaynağı: EuropeanPowertoGas
Hidrojen depolama sisteminin nesi bu kadar iyi? Eksiklikler nelerdir?
Genel olarak enerji depolama sistemleri, enerji depolama yoğunluğu, deşarj gücü ve depolama süresine göre sınıflandırılabilir. Bu üç parametre nihayetinde enerji depolama kapasitesini belirler. Ek olarak, enerji depolama sisteminin önemli parametreleri arasında beklenen ortalama döngü sayısı, genel verimlilik, kendi kendine deşarj oranı, kullanım saatleri vb. Yer alır. Çeşitli enerji depolama sistemlerinin farklı uygulama aralıkları vardır.Aşağıdaki şekil çeşitli enerji depolama teknolojilerinin uygulama aralığını göstermektedir:
Yukarıdaki şekilden de görülebileceği gibi, hidrojen enerjisi depolamanın enerji depolama yoğunluğu ve depolama süresi açısından mutlak avantajları vardır, özellikle büyük ölçekli enerji depolamaya uygundur.
Bununla birlikte, pil enerjisi depolamasına kıyasla, hidrojen enerjisi depolaması daha fazla enerji dönüştürme bağlantısından geçecektir. Ve her dönüşüm, enerji kaybı ve ekipman sermayesi yatırımı anlamına gelir. Yani genel olarak, dönüşüm ne kadar fazla olursa, genel verimlilik o kadar düşük olur. Aşağıdaki şekil, yukarıdaki iki teknolojideki her bir dönüştürme işleminin yaklaşık verimliliğini göstermektedir:
Elektroliz ve kullanım sürecinin yanı sıra hidrojen enerji depolaması da sıkıştırma ve taşıma işlemlerinden geçmiş olup bu işlemler bir takım kayıplar getirecektir Elbette bu kayıpların elektroliz ve kullanım sürecindeki kayıplara göre önemsiz olduğu söylenebilir. Hidrojen depolamanın acı noktası, sıkıştırma ve aktarım işlemi için ekipmana yapılan sermaye yatırımıdır. Araştırmaya göre, mevcut hidrojen enerjisi endüstrisi zincirinde, hidrojen depolama ve nakliye maliyeti, toplam maliyetin neredeyse yarısını oluşturuyor. Ek olarak, hidrojen kullanımı açısından, hidrojenin elektriğe dönüşümünün tek verimliliği, batarya enerji depolamasına kıyasla çok düşüktür Sadece kojenerasyon teknolojisine güvenerek hidrojen kullanımının verimliliği büyük ölçüde iyileştirilebilir.
Öyleyse, yukarıdaki iki teknoloji arasındaki fark nedir?
Yukarıda bahsedilen iki teknolojinin ortak noktası, her ikisinin de elektroliz, depolama ve dönüşümü içermesidir. Her iki teknoloji de elektrik enerjisini hidrojen enerjisine dönüştürmek ve depolamak için suyun elektrolizine dayanıyor. Aradaki fark, ekipman ve hidrojeni kullanma yöntemlerinde yatmaktadır:
Elektrikten elektriğe teknolojide hidrojen enerjisi, yakıt pilleri gibi ekipmanlarla elektrik enerjisine dönüştürülür.
PtP teknolojisi için, hidrojen enerji sistemi, sezonlar arası enerji depolamada iyi bir uygulama olasılığına sahiptir ve aynı zamanda fiyat açısından sıradan gaz türbin ünitelerine yakın olabilecek tek seçenektir. Pompalı su depolama ve basınçlı hava depolama gibi diğer enerji depolama sistemleriyle karşılaştırıldığında, hidrojen depolaması yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Dahası, yakıt hücresi teknolojisinin kullanımı endüstri bağlantısını iyi bir şekilde gerçekleştirebilir, ulaşım endüstrisi, endüstri ve inşaat endüstrisinin enerji tedarikini entegre edebilir ve gelecekteki enerji sisteminin entegrasyonunu ve esnekliğini gerçekleştirebilir.
Elektrik-gaza teknolojisinde, elektroliz ile elde edilen hidrojen, hidrojenden zengin doğal gaz üretmek için doğal gaz boru hattına karıştırılabilir veya hidrojen, karbondioksit ile reaksiyona sokulabilir ve üretilen metan, enerji üretimi veya çeşitli başka amaçlar için kullanılabilir.
PtG sisteminin avantajı, hidrojenden zengin doğal gazı elektriğe dönüştürmek için gaz türbinlerini kullanan sistemin depolama, nakliye ve enerji üretim ekipmanı dahil mevcut altyapıyı iyi bir şekilde kullanabilmesidir. Aynı zamanda, hidrojeni doğal gaz boru hattı şebekesine karıştırmak, gaz türbininin geçmişte normal şekilde çalışabileceği anlamına gelir ve böylece ekipman değiştirme yatırımından kaçınılır.
Bununla birlikte, hidrojen maliyeti hariç tutulsa bile, PtG elektrik üretiminin maliyeti, doğalgaz fiyatının üç katına ulaştı. Bu nedenle, karbon vergisi fiyatının 400 ABD $ / tonu aştığı varsayılmadıkça, PtG sisteminin elektrik üretim maliyetinin normal gaz türbini ünitesinden daha düşük olması olası değildir. Bununla birlikte,% 5 hidrojen doğal gaza karıştırılabilirse, PtG sisteminin güç üretim maliyeti temelde sıradan gaz türbini üniteleriyle aynı olabilir. Boru ağı ve gaz türbini% 20 hidrojen katkısına dayanabilirse, ekonomik verimlilikleri% 5 sınırına kıyasla büyük ölçüde artacaktır.
PtG sisteminin ekonomisi, elektroliz yoluyla hidrojen üretiminin fiyatının düşürülmesine dayanır ve aynı zamanda teknik olarak güç arzı ve talebindeki dengesizliğe dayanır. Sistem açısından mümkünse elektrik gibi yüksek kaliteli enerji üretimine öncelik verilmeli, yani yakıt hücresi PtP teknolojisinin kullanımına öncelik verilmelidir. Bu nedenle, gelecekte güç sistemi güç üretimini ve tüketimini daha iyi dengeleyebilirse, PtG geliştirme için kalan alan sınırlı olabilir.
İki teknolojinin gelişme durumu
Elektrik-gaza dönüşüm temel konsepti 19. yüzyılın başlarında önerilmiş, aksine, ilk elektrik-elektrik ekipmanı 2009 yılına kadar faaliyete geçmemiştir. Şimdiye kadar, iki teknolojinin gerçek uygulama ölçeği çok küçük. Bunlar arasında, elektriğin gaz teknolojisine uygulanması nispeten daha fazladır ve esas olarak Almanya ve diğer bazı Avrupa ülkelerinde yoğunlaşmıştır.
Şu anda Almanya'da 25 ila 6000 kilovat arasında değişen giriş gücüne sahip 16 elektrik-gaz ekipmanı çalışmaktadır. Avusturya, Danimarka, Norveç vb. Gibi diğer bazı Avrupa ülkelerinde de elektrikten gaza dönüştürme ekipmanı çalışmaktadır. Mevcut uygulama çok kapsamlı olmasa da. Elektrikten gaza dönüştürme teknolojisine hala büyük umutlar veriliyor. Birçok uzman, bu teknolojinin Almanya'nın enerji dönüşümünü tamamlamanın anahtarı olacağına inanıyor.
Aşağı Saksonya'da bulunan şu anda Almanya'daki en büyük PtG ekipmanı, resmin kaynağı: Referans
Bununla birlikte, hidrojen depolama teknolojisinin maliyeti şu anda iki ana nedenden dolayı hala yüksektir.
İlk olarak, elektroliz cihazı nispeten pahalıdır. Bu nedenle ancak kullanım oranı yüksek, yani yıllık çalışma süresi uzun olduğunda daha ekonomik çalışabilir. Yeni enerji güç üretim ekipmanının yıllık çalışma süresi, geleneksel enerji kaynaklarına göre daha kısadır ve sadece yeni enerji kaynaklarının ürettiği fazla güce dayanırsa, güç üretim maliyetini düşürmek zordur.
İkincisi, hangi teknolojinin birden fazla enerji dönüşüm süreci içerdiğine bakılmaksızın, her dönüşüm adımı kayıplar getirecektir. Bu, iki teknolojinin genel verimliliğini yüksek değil. Bu nedenle, hidrojen depolama teknolojisinin geliştirilmesinin anahtarı, maliyetleri düşürmek ve verimliliği artırmaktır. Hidrojen enerjisinin entegre enerjide uygulanması problemini çözmek için teknik problemleri çözmeye odaklanmak yeterli değildir. Yeni iş modellerini mümkün kılmak için daha yeni ve daha fazla uygulama yöntemleri de geliştirilmelidir.
Çin, elektriğin gaza dönüştürülmesine yönelik çalışmalara da büyük önem veriyor. "Onikinci Beş Yıllık Plan" dönemi gibi erken bir tarihte, "70MPa hidrojen yakıt ikmal istasyonu araştırma ve geliştirme ve gösteri projesi, yakıt hücreli araç hidrojen yakıt ikmal istasyonlarında güçten gaza (P2G) teknolojisinin uygulanmasına odaklanan yenilenebilir enerji üretimi / hidrojen depolamaya dayalı" başlatıldı. , "Rüzgar Enerjisi ve Yakıt Hücresi Güç Üretim Sisteminden Doğrudan Hidrojen Üretiminin Teknik Araştırması ve Gösterimi" ni uygulayarak, rüzgar enerjisi ve yakıt hücresi entegre sistemlerinden hidrojen üretimi için anahtar teknolojiler üzerine araştırmalara odaklandı.
2016 yılında, Ulusal Enerji İdaresi, 12. CPPCC Ulusal Komitesinin Dördüncü Oturumu'nun "Teklif Üzerine 1013 Numaralı Mektubu (Gongjiao Post ve Telekomünikasyon No. 056)" yayınladı, Ulusal Enerji İdaresi, "enerji depolama teknolojisinin güç düzenlemesini optimize etmek için gerekli olduğuna işaret etti. Rüzgar, ışık ve suyu terk etme sorunlarının çözümü büyük önem taşımaktadır.P2G teknolojisi, enerji depolama ve diğer alanlarda önemli geliştirme yollarından biridir.Güçlü ölçek uyarlanabilirliği, çevre dostu ve esnek terminal uygulamalarına sahiptir. Doğal gaz boru hattı ağıyla birleştirilebilen mevsimlik depolama ve diğer avantajlar, rüzgarı, ışığı ve suyu terk etme gibi yeni enerji gelişiminin geliştirme sorunlarını etkin bir şekilde çözmenin önemli bir yoludur. "
