《碳中和导论》课件-第四章 储能技术与绿色燃料

储能技术与绿色燃料2023/05——《碳中和导论》第四章CONTENTS概述01抽水储能技术02储热技术03新型电力储能技术04绿色燃料05概述01※能量的存储与转化※储能技术分类与应用概述储能技术是指在能源的开发、转换、运输和利用的过程中，能量的供应和需求之间，往往存在着数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异，有效地利用能源，常常采取存储和释放能量的人为过程和技术手段。能量的存储与转化能源是经济社会发展的重要物质基础，也是碳排放的最主要来源。不同的能源之间可以通过物理效应和化学反应实现能量的储存和相互转化（如图所示），并最终转化为电、热等能源。能量转换、储存和应用机械储能典型特征是将其他形式的能量转化为机械能进行存储。包括抽水储能、飞轮储能等

相变储能"典型特征是将其他形式的能量转化为热能进行存储，即相变储热。常见的相变储热方式有显热储热、潜热储热和化学能储热化学储能典型特征为将其他形式的能量转化为化学能进行存储。常见的化学储能表现为包括以锂离子电池、硫酸电池、液流电池为主的电化学储能技术。电磁储能典型特征是将其他形式的能量转化为电磁能进行存储。常见的电磁储能方式是超导储能。储能技术分类与应用储能技术分类与表现形式抽水储能技术02※抽水储能发展概述※抽水储能原理※抽水储能主要功能※抽水储能机遇与挑战抽水储能技术抽水储能约占全世界总储能容量的99%以上，相当于全世界总发电装机容量的3%。我国水电理论藏量约为6.6亿千瓦，主要集中在西南和长江上游可再生能源富集地区，目前已开发约3.9亿千瓦，目前我国已投产抽水蓄能电站总规模约3249万千瓦，在建抽水蓄能电站总规模约5513万千瓦，中长期规划布局重点实施项目总装机容量约4.21亿千瓦。

抽水储能电站根据能量转换定律进行工作。抽水储能将“过剩的”电能以水的位能（即重力势能）的形式储存起来，在用电的尖峰时间再用来发电，因而也是一种特殊的水力发电技术。发展概述原理事故备用功能抽水储能主要功能发电功能储能电站的作用是实现电能在时间上的转换。调峰功能“填谷”的作用是使其他发电站发出的电力达到平衡，因此可降低能源的损耗。调频功能调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能。抽水储能机组在设计上考虑了快速启动和快速负荷跟踪的能力。调相功能调相运行的目的是稳定电网电压，包括发出无功的调相运行方式和吸收无功的进相运行方式。具有较大库容的常规水电站都具备事故备用功能。但储能电站的库容相对于同容量常规水电站要小，所以其事故备用的持续时间没有常规水电站长。黑启动功能黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况下迅速启动。抽水储能机遇与挑战抽水储能中长期发展规划的出台，给抽水储能的发展提供了动力。当前，正处于能源绿色低碳转型发展的关键时期，风、光等新能源大规模高比例发展，电力系统对调节电源的需求更加迫切。抽水储能需要进一步研发40万千瓦级、700米级以上超高水头超大容量抽水蓄能机组，预计2030年左右可实现应用；海水抽蓄可以作为淡水抽蓄的补充，需要进一步解决设备与设施的海水兼容性、环保，以及选址与降低成本等问题，预计2030年后开始逐步商业应用。储热技术03※储热技术发展概述※储热技术的分类和基本原理※电热储能※储热技术机遇与挑战储热技术发展概述储热在“双碳”目标下的价值体现储热技术作为大规模储能技术的一种，在未来灵活性电源、需求侧响应能力的建设过程中，占据着极其重要的地位。目前，储热（冷）技术在火电灵活性改造、需求侧管理措施、可再生能源消纳及其他形式的应用具有重要的作用（其主要的价值体现如图4-4所示）。随着储热应用技术的进步，成本的进一步降低，其布局灵活、能量效率高和规模大等优势将不断凸显热化学储热物理储热浓度差热储存方式化学吸附热储存方式化学反应热储存显热储热显热储热是指通过储能介质温度的变化来实现储能的方式，分为固体储热、液体储热和熔盐储热，常见的储热介质包括水、导热油和熔融盐等。潜热储热通过储热材料（相变材料）发生相变时吸收或释放热量来进行能量的存储和释放的储热方式，分为固-液相变储热、固-固相变储热、固-气相变储热和液-气相变储热，常见的介质包括金属或硅材料的熔融、相变胶囊、功能流体等。储热技术的分类和基本原理上述各类储热技术中熔融盐储热技术和潜热储热技术在近几年备受业界关注。熔融盐储热技术的主要优点是规模大，方便配合常规燃气机使用，主要应用于大型塔式光热发电系统和槽式光热发电系统。一般而言，化学储热的能量密度要高于物理储热，是储热技术今后重要发展方向。热化学储热技术的成熟度最低，其从实验室验证到商业推广还有很长的一段路要走，在未来热化学储热技术的循环原理、控制机制及技术经济性仍然需要大量的研究。储热技术分类储热技术的分类和基本原理电热储能双碳”时代下，节能环保成为全国各地政府以及工业发展的主要关键词之一，我国正在加速环保装备制造标准化。整个社会对节能减排具体实施措施方案的需求让电储热技术迎来一次重大发展期。电热储能技术是采用先进的水电分离技术、高压控制技术和储能保温技术，将夜晚电网闲置的、廉价的低谷电、风力发电或太阳能发电的电能转换成热能储存起来，根据不同需求通过交换装置，将储存的热能转换成热水、热风、蒸汽或在用电高峰时段发电馈送到电网。交换装置可全天24小时连续稳定释放储存的热能，使用过程中没有任何废气、废水、废渣产生，没有飘尘、PM2.5微尘、SO2和氮化物的排放，实现了二氧化碳零排放，电热储能炉的热效率在90%以上。目前，电热储能技术已应用于北方的大型供暖和风电项目，为各领域节能环保的需求提供了新方法。储热技术机遇与挑战在一系列政策的支持下，大规模储热供热发展迎来了机遇，但是同时也暴露出了许多的问题。首先，是目前储热供暖成本依然较高，附加值有限。对此，应完善供暖价格体系，加大政策支持。具体而言，就是要建立清洁供暖的价格体系，包括供暖电价补贴、峰谷电价机制、取暖价格收费标准等.其次，储热参与电力辅助服务领域较少，目前，只有火电灵活性改造还有储热技术参与的可能性，随着火电未来发展受限，市场会一直萎缩。对此，应做好技术升级，积极参与电力辅助服务，提升电网的灵活性，参与调峰/调频/备用/黑启动/需求侧响应（可中断负荷），此外，储热技术进步需加强，目前存在应用痛点。这个问题主要体现在两个方面，一是品质问题，“供蒸汽”的技术依然没有较大突破，成本、运维等难点依然存在；二是容量问题，大规模储热存在巨大需求（核电的调峰、跨季节光热供暖），但核心技术仍需进一步开发。新型电力储能技术04※新型电力储能技术概述※基本工作原理※发展趋势及拟突破的关键技术※新型电力储能技术比较概述电力储能是指利用电化学或物理的方法储存电能的一系列措施。有锂离子电池、钠离子电池、液流电池、飞轮储能、超级电容器、新型压缩空气储能等。比起抽水蓄能，这些新型电力储能技术大多具有选址容易、部署便捷的特点，主要技术指标如功率密度、能量密度、响应时间、效率等也各有优势，具备成为电力系统灵活性调节资源的潜力。充电的时候，在外加电场的影响下，正极材料钴酸锂分子（LiCoO2）里面的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子（Li+），在电场力的作用下，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6（嵌锂石墨、石墨插层化合物），于是从正极跑出来的锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构。从正极跑出来转移到负极的锂离子越多，电池存储的能量就越多。

放电的时候刚好相反，内部电场转向，锂离子（Li+）从负极脱离出来，顺着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子（LiCoO2）。从负极跑出来转移到正极的锂离子越多，电池释放的能量就越多。锂离子电池基本工作原理关于钠离子电池，主要分析有机电解液的钠离子电池，其储能原理与锂离子电池基本相同，其负极材料一般为硬碳，正极材料为钠与其他过渡金属的氧化物，电解液中穿梭的是钠离子。钠离子电池的缺点在于其能量密度较低，主要用在固定式储能场合。钠离子电池目前仅处于技术验证阶段，未来商业化后，其平均化成本有望比锂离子电池低约20%以上，在固定式储能领域可能替代锂离子电池。锂离子电池基本工作原理电池工作时正负极电解液由各自的送液泵强制通过各自反应室循环流动，参与电化学反应。充电时电池外接电源，将电能转化为化学能，储存在电解质溶液中；放电时电池外接负载，将储存在电解质溶液中的化学能转化为电能，供负载使用。

液流电池主要包括全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池，以及铁铬液流电池等。以全钒液流电池为例，其以钒离子溶液作为电池反应的活性物质，利用不同价态离子对的氧化还原反应来实现化学能和电能相互转换。液流电池基本工作原理飞轮储能基本工作原理飞轮储能通过可逆电机的电动和发电两种状态完成能量的存储与释放。飞轮储能技术主要分为两类：一是基于接触式机械轴承的低速飞轮，其主要特点是储存功率大，但支撑时间较短，一般用于不间断电源等短时高功率场合；二是基于磁悬浮轴承的高速飞轮，其主要特点是结构紧凑、效率高，但单体容量较小，可用于较长时间的功率支撑。高速飞轮目前最高转速可达每分钟3万转以上，其功率密度高、响应速度快、寿命长，是大容量飞轮储能的发展方向。新型压缩空气储能传统压缩空气储能起源于燃气轮机，主要依赖化石燃料提供热源，储能效率相对较低，发展较慢。新型压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统。压缩空气储能优点：（1）压缩空气储能系统适合建造大型储能电站（＞100MW），仅次于抽水储能电站，压缩空气储能系统可以持续工作数小时乃至数天，工作时间长；（2）压缩空气储能系统的建造成本和运行成本均比较低，远低于钠硫电池或液流电池，也低于抽水储能电站，具有很好的经济性；（3）压缩空气储能系统的寿命很长，可以储/释能上万次，寿命可达40～50年；并且其效率最高可以达到70%左右，接近抽水储能电站。超级电容器储能超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传统电容器有着更高的能量密度，静电容量能达千法拉至万法拉级；超级电容器兼具传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔的化学电源。超级电容储能装置主要由超级电容组和双向DC/DC变换器以及相应的控制电路组成。超级电容容器本体主要由集电极、电解质以及隔膜等几部分组成。超级电容器具有充电速度快、大电流放电性能好、超长的循环寿命、工作温度宽等特点。超导磁体储能超导磁体储能的工作原理是利用超导体制成的超导线圈，形成大的电感，在通入电流后，线圈周围就会产生磁场，电能以磁能的方式存储在其中。式中，L为线圈的电感，I为流过线圈的电流。得益于电动汽车的快速发展，锂离子电池的成本近十年来下降了85％以上，锂离子电池储能正在跨越经济性门槛，在新型储能装机总量中占据绝对地位。锂离子电池需要解决适应高安全、低成本、大容量应用需求的电池体系和材料、工艺及设备国产化问题，涉及关键材料/电芯制造、关键装备开发、电池系统集成等多个环节的技术和产业；需要研究锂离子电池储能系统的故障机理、安全防护及智能运维技术；此外，锂矿资源的高效开采、提炼及锂资源循环利用技术是其可持续发展的关键。关于锂离子电池，还需要关注的一点就是关于旧锂电池回收利用，近年来虽然国家连续出台多项政策，但总体来看，依然存在技术标准不高、发展动力不足、科技支撑不够和存在环境风险等一些问题。发展趋势及拟突破的关键技术目前我国电池回收企业仅仅能回收电池中的锂、镍、钴等价值较高的金属，且回收的效率较低，石墨等材料无法有效回收，回收过程容易造成2次污染。因此，未来我国锂电池回收的主要发展方向为自动化拆解。我国锂电池回收利用技术路线图如图所示。发展趋势及拟突破的关键技术发展趋势及拟突破的关键技术钠离子电池钠离子电池采用钠盐作为原材料，而钠盐储量资源基本不受限制，钠离子电池目前仅处于技术验证阶段，未来商业化应用后其平准化成本有望比锂离子电池低20％以上，在固定式储能领域具有替代锂离子电池的可能。液流电池目前，全钒液流电池目前已经开始规模化应用，全钒液流电池的成本受钒材料影响大，目前钒材料主要来源于钢铁生产副产品（约73％）和原矿开采（约17％），其他途径主要从废催化剂、电厂灰、气化焦炭回收获得。全钒液流电池需要进一步研发低成本高电导率隔膜、国产化大功率电堆，以及解决成套设备的可靠和优化运行问题。飞轮储能新型压缩空气储能超级电容器储能与抽水蓄能类似，传统压缩空气储能也需要特殊的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，适用于大型储能场景。

近几年来，超级电容器技术进步较快，其优势与飞轮储能类似，提供短时大功率支撑，可以与新能源发电系统、电能质量设备等结合起来以提升设备的调节能力和响应性能。超级电容器需要解决应用中大量单体串并联组合的一致性管理问题，以避免个别单体电压过高而失效。飞轮储能作为典型的功率型储能，在短时电力平衡如电力系统惯量支撑、快速调频、紧急备用等方面可以发挥其效率高、响应速度快、寿命长的优势，如飞轮辅助煤电机组和风电场进行惯量支撑与快速调频等。

发展趋势及拟突破的关键技术新型电力储能技术比较储能方式优点缺点技术现状机械储能

压缩空气能功率和容量等级高响应速度慢、能量效率低虽然起步较晚，但发展迅速，目前百兆瓦级新型压缩空气储能示范项目已建成飞轮储能功率密度高、响应速度快、寿命长能量密度低、成本高美国在技术和产业化方面领先，我国引进吸收和自主研发，尚未形成技术体系和产品电化学储能

铅酸/铅炭电池储能技术成熟、成本较低能量密度低、循环寿命短铅酸电池已有160余年的历史，全产业链体系健全，铅炭电池有一定的技术提升锂离子电池储能能量密度高、功率密度高、能量效率高安全性有待提高已在储能电站中得到广泛使用，参与电力系统调峰、调频、平抑新能源发电波动等钠离子电池储能资源丰富，成本较低能量密度低处于技术验证阶段，已有储能系统示范运行液流电池储能寿命长、更适合长时应用能量密度低、能量效率低经过30年的发展，目前已取得长足进步，百兆瓦级液流电池储能电站已建成钠硫电池储能能量密度高安全性差日本已进入商品化实施阶段，国内仍处于小规模试用阶段电磁储能

超级电容器储能功率密度高、响应速度快、循环寿命长能量密度低、成本高目前我国已实现产业化生产，在细分领域实现了商业应用超导磁储能能量转换效率高、响应速度快、循环寿命长能量密度低、成本高、维护难目前处于理论研究和小型试验阶段新型电力储能技术特点及技术现状对比新型电力储能技术比较由于各种储能技术都有各自的优缺点，因此，将多种技术融合可形成新的储能方式，弥补单个储能技术的不足，从而实现能源的完全利用。为加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，促进储能技术快速发展，我国首批科技创新（储能）试点示范项目，分别采用了电化学储能、物理储能、储热等多种技术类型，并覆盖了储能的主要应用场景，示范效应明显。联合火电厂参与辅助服务项目将明显提高火电厂跟踪调度曲线的能力，并避免机组反复调节出力带来的设备疲劳、系统效率下降和污染物排放增加等情况。用户侧项目能够有效调节用电负荷和增加分布式可再生能源应用，在为用户节约用电成本的同时，促进节能减排。绿色燃料05※绿氢技术※绿氨技术※绿氢、绿氨与绿电生态体系碳中和目标下，低排放、更环保的能源和燃料正变得越来越重要，人类需要用清洁燃烧、无排放的绿色燃料应对未来的能源需求。绿色燃料属于二次能源，其燃烧（能量释放）过程中，不产生碳排放。绿色燃料在制备、储存、使用等方面，相比其他能源，其灵活性更强，相对我国能源禀赋特征（绿色能源分布范围广、分布不均、地域性强等），这一特点在适应绿色能源发电的分布式消纳方面，具有天然的优势。绿色燃料具有鲜明的特征，一方面作为一种燃料，可以像传统的燃料（如汽油、柴油等）一样，通过燃烧直接使用；另一方面绿色燃料作为能量的载体，也是一种重要的储能方式（如风电制氢技术），在绿色电力系统的建设过程中发挥重要作用（电网调峰等）。随着绿色燃料制备、储运等关键技术的提高，伴随着商业化进程，其成本会越来越低，产量（储量）会越来越大，其在能源体系中的扮演的角色将会越来越重，同时其他合成燃料的出现也反映出绿色燃料具有巨大的应用潜力。绿色燃料绿氢技术氢能作为可替代能源之一，受到国际社会和科学界的广泛关注。氢的热值高（120.0MJ/kg），是同质量焦炭、汽油等化石燃料热值的2-4倍。相比于其他储能技术，氢储能技术具备储能方式能量密度高，储能规模大，能量容量成本较小，可作为长时间储能或季节性储能的最优方案，从而有效提高能源利用率。氢能全产业链包含制氢、氢能储运和氢能应用三个关键环节，其全产业链示意图如图所示。

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04电解水制氢（绿氢）太阳能制氢（绿氢）核能制氢（绿氢）氨分解制氢（绿氢）制氢技术电解水制氢电解水制氢反应是燃料电池中H2与O2进行氧化还原反应生成水过程的逆反应。电解过程一般可以通过使用电解液和一个电解槽来实现。如图所示为碱性溶液电解制氢的原理图。在两个浸没于碱液中的电极间加一个直流电压，便可使碱水溶液发生电解反应，分别从两个电极得到氢气和氧气。碱性水溶液的电解电解水制氢与储能系统搭配可促进大规模、高比例绿色能源的电力供给系统，实现多异质、跨地域、跨季节的优化配置。根据风电来源的不同，可以将风电制氢技术分为并网型风电制氢和离网型风电制氢两种。风电制氢技术作为一种新型的储能方式，更多地将被应用于平抑大规模风电场发电的不均衡性，提高风场风电的利用率。风电制氢技术主要涉及电氢转换和氢气输运两大关键技术，整个技术模块包括风力发电机及电网、电解水制氢系统、储氢系统和氢气输运系统。太阳能制氢分类太阳能制氢核能制氢原理示意图核能制氢核能制氢（绿氢）：核能是低碳、高效的一次能源，其使用的铀资源可循环再利用，目前已成为人类大规模工业制氢的最佳选择。核能制氢就是利用核反应堆产生的热作为制氢的能源，通过选择合适的工艺，实现高效、大规模的制氢。核能制氢原理示意如图所示。氨分解制氢工艺流程图氨分解制氢氨分解制氢（绿氢）：氨分解制氢的工艺流程如图4-17所示，加压气化后的液氨在氨分解炉内发生分解反应，氨分解炉内装填镍催化剂，反应温度为800～870℃，氨分解炉采用电加热或者采用以变压吸附（PressureSwingAbsorption，PSA）解吸气和氨为燃料的燃烧加热。一份氨分解后可以得到约为75%的粗氢气和25%的氮气，粗氢气冷却后经变压吸附提纯后得到产品氢气。氨分解制氢工艺简单，生产过程无二氧化碳排放，装置容易小型化，适合加氢站内分布式制氢。氨分解制氢储氢技术优点缺点主要应用气态储氢高压气态储氢技术成熟，结构简单，充放速度快，成本及能耗低储氢密度低，安全性能差普通钢瓶，储存量少；轻质高压储氢罐，多用于氢燃料电池车液态储氢

低温液态储氢储氢密度高，运输简单，安全性高氢转化过程能耗较高，储氢装置要求较高，装置成本高，经济性较低主要用于航天工程领域，如火箭低温推进剂有机液态储氢储氢量大，能量密度高，储存设备相对简单成本高，能耗大，操作条件苛刻尚未广泛应用固态储氢

物理吸附储氢可利用的材料较多，选择性较强常温或高温储氢性能差，储氢不牢固实验研究阶段化学氢化物储氢单位体积储氢密度大，能耗低，安全性好温度要求较高，技术不成熟实验研究阶段氢能储存的本质是氢气的存储，即将易燃、易爆的氢气以稳定形式储存。在确保安全前提下，提高储氢效率、降低成本、提高易取用性是储氢技术的发展重点。长期来看，在国内商业化应用前景不如其他的储氢技术。固态储氢材料储氢性能卓越，是四种方式中最为理想的储氢方式，也是储氢科研领域的前沿方向之一，但是现在尚处于技术攻关阶段，因此我国可以以此技术为突破口，打破氢能储存技术壁垒，加速氢能产业发展。对比几种储氢技术，不同储氢技术的各方面特点进行总结如表所示。不同储氢技术对比表氨分解制氢氢能运输结构图氢能的运输方式通常根据储氢状态和运输量的不同有所调整，主要有气氢输送、液氢输送和固氢输送3种方式，如图所示。压缩氢气运输和低温液化运输是目前正在大规模使用的两种方式。绿氨技术—绿氨的合成绿氨合成原理图根据合成氨原料氢的来源，氨可以分为棕氨、蓝氨和绿氨。国内外对基于可再生能源驱动的绿氨生产工艺技术进行大量研究，主要包括电解水制绿氢合成氨、电催化、生物催化、光催化、电磁催化等绿氨制备技术。总体来看，目前最常见的绿氨合成技术是通过电解水制氢（绿氢）技术与氨合成回路的常规技术相结合（如图）。该合成氨的技术路径最为成熟，被认为是最有可能率先实现绿氨产业化技术路线。未来绿氢合成氨技术发展迭代主要取决于采用不同的电解水技术路线，可与液化空气等储能装置耦合，实现系统冷热电互济，放大系统灵活性，提升系统综合转换效率。绿氨技术—氨气的存储与运输与氢能相比，氨能在储存和运输上具有明显的优点。由于合成氨的沸点约为零下30℃，与液化石油气（LiquefiedPetroleumGas，LPG）接近，所以氨的存储和运输可以参考LPG的形式，通过LPG运输船或者槽车来进行绿氨存储和运输。氨拥有着完备的贸易、运输体系，大规模储存运输也具有明显的优势。氢存储方式压缩储氢液态氢液氨储存原理压缩液化化学储存温度/℃25-252.925储存压力/Mpa690.10.99密度/（kg·m-3）3970.8600重力能量密度/（MJ·kg-1)12012018.6体积能量密度/(MJ·