[发明专利]一种耦合CO2资源化利用的制氢储能方法

说明书

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，尤其涉及一种风能-太阳能-SOEC能源互补的SPE耦合CO₂资源化利用的制氢储能方法。

背景技术

在人类的发展历程中，煤炭、石油、天然气等化石能源为人类文明的进步做出了卓越的贡献，未来的几十年内化石能源对人类社会的发展依然起着举足轻重的作用。然而，随着经济和人口的快速发展，化石能源的过度开发及利用率低等因素已造成世界范围内的能源危机，并严重地破坏了生态平衡，尤其是在技术相对落后的不发达国家或者发展中国家，环境污染给人们生活带来的危害日益突出，因此，开发新型能源，研制清洁高效的能量转换策略已成为人类生存发展的必然选择。

作为一种清洁的可再生能源，氢气被公认为是能源供应的最终选择，固体氧化物电解质(SPE)电解水制氢技术可以制备高纯氢，因而非常适用于开发氢燃料电池。目前SPE制氢的电解效率最高可达75％，但总的制氢效率却只有35％，这是因为制氢技术主要消耗的是电能，平均生产每立方米的氢气所需的电能为4.5～5.5kWh，电费消耗占整个制氢成本的80％，因此，如何有效降低制氢成本、提高制氢效率是本领域研究的重要课题。

近年来，利用风能、太阳能等可再生能源的发电技术在全球范围内得到了飞速发展，风能和太阳能发电的生产规模和市场化也得到进一步扩大。但由于风能和太阳能发电均存在着不稳定、难以智能并网的不足，故而可以将风能和太阳能经过SPE电解水制氢而间接地储存在H₂中，这种方式更有利于能源的储存和运输，且运输过程中不需要复杂的电网运输系统、能量损失少。例如，中国专利文献CN105631230A公开了一种太阳能光伏组件与SPE电解槽的直接耦合优化方法，该方法通过对光伏发电制氢系统中的串联光伏电池板数量进行精确计算，使得光伏组件能够直接与SPE电解槽连接，从而优化了资源配置，提高了制氢系统的整体工作效率。然而，风能和太阳能发电受天气因素影响较大，夜间无日光、阴天下雨、或者风力不足时都会造成风能和太阳能单独发电存在间歇性和波动性，从而影响 SPE电解制氢的效率，上述技术显然没有考虑到这一现实情况，因而无法克服因采用风能和太阳能发电而导致SPE电解制氢的间歇性和波动性等缺陷。

众所周知，化石能源的消耗与CO₂的排放密切相关，CO₂等温室气体所导致的全球性气候变暖问题已成为当今国际社会讨论的重要议题。固体氧化物电解池(SOEC)技术可以共电解CO₂和水生产合成气，使CO₂变废为宝，实现了CO₂的资源化利用。另外，SOEC的逆运行即成为固体氧化物燃料电池(SOFC)，它可以将化学能转化为电能，具有燃料适应性广(例如所用燃料可以是H₂、CO或碳氢化合物)、结构紧凑、维护简单、部分负载效率高等优点。上述这种既可以处于SOFC工作模式，又可以处于SOEC 工作模式的固体氧化物燃料电池，称之为可逆固体氧化燃料电池，简称可逆SOFC。

综上所述，如何能够实现可逆SOFC与SPE电解制氢技术的耦合，使得既可利用SOFC发电系统为SPE供电以解决因采用风能和太阳能发电而导致SPE电解制氢的间歇性和波动性问题，又可通过SOEC电解系统达到 CO₂资源化利用的目的，这依然是本领域研究的技术空白点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术由于转换效率低而无法实现可逆SOFC与电解制氢耦合的缺陷，进而提供一种能够耦合CO₂资源化利用的制氢储能方法，以解决因采用风能和太阳能发电而导致电解制氢存在间歇性和波动性的问题，同时实现CO₂的资源化利用。

为此，本发明实现上述目的的技术方案为：

一种耦合CO₂资源化利用的制氢储能方法，用于控制利用风能和太阳能发电的发电装置、制氢装置及可逆SOFC装置，获取所述发电装置的发电量Q1、所述制氢装置电解水所需的用电量Q2、所述可逆SOFC装置共电解水和CO₂所需的用电量Q3；

当Q1>Q2+Q3时，所述发电装置分别向所述制氢装置和所述可逆SOFC 装置供电，以使所述制氢装置生产氢气和氧气，同时所述可逆SOFC装置进入SOEC工作模式制得含有H₂、CO、CH₄和C₂H₄的混合气体；