[发明专利]一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法

说明书

本发明涉及可再生能源及氢能领域，公开了一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，包括控制系统、稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备，稳定制氢设备吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备吸收需消纳的波动负荷，储能设备吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷。还公开了运行方法，以低成本的稳定制氢设备为主，高成本的波动制氢设备容量较低，在保证一定波动能源消纳能力的前提下使总投资成本最低；使稳定制氢设备长期在额定负荷附近工作，波动制氢设备充分发挥灵活功率调变性能，从而达到较高的波动能量消纳，较快的时间响应，延长制氢设备的寿命。

技术领域

本发明涉及可再生能源及氢能领域，特别涉及一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法。

背景技术

随着风电、光伏等可再生能源在我国能源供应比例中的日益提升，可再生能源的波动性对电网的冲击成为一个亟待解决的问题。利用可再生能源电解水制取绿色氢气，并将氢气储存起来的路线是实现大规模可再生能源储存、缓解电网压力的有效手段。

截至目前，在国内能够实现大规模可再生能源消纳的电解水制氢技术只有碱性电解水技术。碱性电解槽在传统应用场景中往往工作在稳定的功率下，而对于波动性可再生能源的不稳定功率输入，其适应性较差：首先，碱性电解水制氢对输入功率升高或降低的响应速度较慢，这会造成对可再生能源实时调变的反应滞后，从而无法对电网实时调度和可再生能源实时出力做出及时响应，造成可再生能源限电或对电网的冲击。其次，碱性电解设备在低于额定功率下工作时，产气纯度较低，在经常性的波动工作状态下，氢侧和氧侧的气体掺混容易产生爆炸性气体混合物，造成安全隐患。一般来说，碱性电解制氢设备的功率负荷可调范围在50-100％之间。长期处于非额定状态下工作会对碱性电解制氢设备的材料有较大损耗，造成设备寿命降低，从而增加可再生能源制氢项目的折旧成本。

相比之下，质子交换膜电解制氢设备(PEM制氢设备)具有较高的灵活性，能够在较宽的功率范围(0-160％)内实现对输入功率的快速秒级响应；具有较好的气密性，波动电源功率输入下产气纯度高，安全性好。但是，PEM制氢设备使用了昂贵的催化剂及集流体材料，导致其成本较高(是碱性设备的3-10倍)，规模较小(国内目前仅有50Nm³/h型机)，难以满足可再生能源大规模消纳的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统及运行方法，解决了现有电解制氢设备难以满足可再生能源大规模消纳的需求的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统，包括控制系统、波动性电源、稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备；波动性电源分别与稳定制氢设备、波动制氢设备和储能设备连接；

控制系统与波动性电源、定制氢设备、波动制氢设备、储能设备及电网调度系统分别连接；

控制系统用于根据波动性电源的实时出力和电网调度情况，计算出需要消纳的波动性电源负荷；稳定制氢设备用于吸收需消纳的基本负荷，波动制氢设备用于吸收需消纳的波动负荷，储能设备用于吸收波动性电源负荷超出稳定制氢设备和波动制氢设备最大吸收能力时的多余负荷。

进一步，波动性电源采用风电、光伏、生物质发电或、火电、核电或水电；

稳定制氢设备和波动制氢设备采用碱性电解制氢设备、固体聚合物电解制氢设备或固体氧化物电解制氢设备；

储能设备采用电池或超级电容器。

本发明还公开了所述的一种可实现大规模波动能源消纳的电解制氢系统运行方法，包括以下过程：

在初始时刻，控制系统接收波动性电源的出力信号和电网调度信号，计算出需消纳的波动性电源负荷、基本负荷和波动负荷；