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美國能源部發布的“儲能大挑戰”報告(五):氫氣、熱儲能、長時儲能

2021-01-11    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:氫氣、熱儲能、長時儲能的發展狀況。
七.氫氣技術

如圖43所示,H2 @ Scale公司發布了一份有關氫氣市場調查報告。該報告側重于氫氣在固定式儲能系統和交通運營的應用,其中也包括使用氫氣發電和供熱/分布式能源。

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圖43.氫能經濟

氫氣市場

氫氣作為一種儲能技術具有額外的靈活性。氫氣可以從電力或其他主要能源(例如天然氣)中產生,然后作為燃料或轉換成電力。氫氣也可以用作生產其他能量載體和燃料(例如氨或碳氫化合物)。

預計到2022年,全球氫氣總消耗量將從2017年的7,000萬噸增長到8500噸,其中絕大部分是天然氣。中國每年約消耗全球氫氣的三分之一。當前氫氣的主要來源是氨氣生產、石油精煉和甲醇生產過程。采用可再生能源電力的電解水制氫在全球范圍內繼續受到關注,但只占總制氫量的很少一部分。

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圖44. 全球氫氣消耗量(2017年~2022年)

氫燃料電池電動汽車預計會增加,但目前只占新低碳汽車銷量的不到1%。全球約有三分之一的燃料電池電動汽在美國運營,其次是中國、日本和韓國。在未來10年中,盡管美國越來越重視將氫燃料電池用于中型和重型車輛,但燃料電池電動汽車的主要增長點預計在亞洲地區。

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圖45.全球各地的氫氣消耗量

氫氣可以通過多種方式儲存,其中包括物理方法和化學方法。氣態氫儲存包括鹽穴、枯竭氣田和巖穴;液態氫在低溫容器中高壓儲存。而氫還可以轉化為分子能量載體,例如氨氣、甲醇和較重的液態有機物,從而可以在較低的壓力和較高的溫度的條件下儲存和輸送。

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圖46. 氫氣在各種條件下的儲存

圖46總結了加壓儲存氫氣的典型條件。如圖中所示,洞穴可儲存最大量的氫氣。因此,鹽穴被用作長期儲存大量氫氣的選擇。

鹽穴是一種用于存儲大量氫氣的低成本方法,這使它們對于長時儲能具有吸引力。在以下1000米深度的氫室的典型技術設計參數為:

•容積50萬立方米。

•工作壓力范圍:60~180bar。

•儲能容量:140GWh熱儲能或85GWh的電能。

鹽穴儲能的裝機容量取決于熱力學極限和井口配置,但平均為為700MW。氫氣通過鹽的泄漏率可以忽略不計,并且處于檢測極限。

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圖47.全球各地的主要鹽穴分布

圖47顯示了全球各地可能適合儲氫的主要鹽穴的位置。當前的大型儲氫項目包括:

英國蒂賽德(3個鹽穴,每個70,000立方米,地下370米)

德克薩斯州克萊門斯(1個鹽穴,580,000立方米,地下1,000~1,300米)

德克薩斯州莫斯布拉夫(1個鹽穴,566,000立方米,地下335~400米)。

歐洲(尤其是德國)擁有大量的鹽穴和洞穴資源,其中許多用于天然氣或氫氣的存儲。德國目前在大約200個鹽穴中存儲24%的天然氣。他們計劃開發更多用于儲氫的鹽穴。圖48和49分別顯示了德國和歐洲用于氣體儲存的鹽穴的資源和開發。

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圖48.德國的鹽洞穴分布

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圖49.歐洲各地的鹽穴分布

美國、日本和韓國是燃料電池(FCEV)部署的領導者。部署的大多數燃料電池(FCEV)都用于輕型車輛,但最近(尤其是在中國),燃料電池公共汽車的重要性開始增強。使用燃料電池汽車銷售量和每種車輛類別的代表性的車載儲氫量,以及氫的熱值(LHV),并估算了燃料電池汽車中作為儲氫的累積能量,如圖50和圖51所示。

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圖50.按車輛類型估算的全球累計儲氫量

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圖51.按地區劃分的全球累計儲氫量

根據彭博社新能源財經公司對于燃料電池電動汽車的預測,圖52和53顯示了到2030年的預計部署量。到2030年,每年可以部署超過35GWh車載儲氫量。預計中國和亞洲其他國家將部署最多的車載儲氫量,而歐洲緊隨其后。燃料電池客車和輕型客車燃料電池電動汽車預計對車載儲氫有著更大需求。

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圖52.按全球區域劃分的儲氫部署計劃

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圖53.按車型劃分的車載儲氫部署量

在全球范圍內,目前只有400多個加氫站,計劃再增加170個。歐洲和亞洲(不包括中國)擁有最多的加氫站(300個以上),并且計劃建設約150個。盡管尚不了解大多數公共/私有基礎設施,但很大一部分是公共加氫站點。圖54和55匯總了全球加氫站的數量。

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圖54.按地區劃分的運營和計劃建設的加氫站

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圖55.按地區劃分正在運營的公共和私有加氫站

八.熱儲能(TES)技術

熱儲能(TES)是一項成熟的儲能技術,可以將供熱或制冷能量從電力價格較高的峰值需求期間轉移到電力價格較低的非峰值期間。冰基或冷凍水這兩種類型的熱儲能系統可以按需求改變夜間供應。本報告只考慮了冰基熱儲能系統。圖56提供了一個典型的熱儲能周期。圖57顯示了亞利桑那大學的商業熱儲能系統。

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圖56.典型的熱儲能系統的儲能時間(小時)

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圖57.熱儲能設施

熱儲能(TES)市場

2017年,美國目前部署的熱儲能(TES)設施的裝機容量接近100MW。除了2014年的部署大幅躍升之外,但之后的增長很緩慢。美國部署的熱儲能(TES)設施最多的地區是紐約州和賓夕法尼亞州。

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圖58.美國各州累計部署的熱儲能設施

全球熱儲能(TES)年度供應商收入預測是從兩家分析機構提供的:Navigant公司(現為Guidehouse公司)和Grand View公司,并在圖59和圖60中進行了總結。

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圖59.全球住宅和工業和商業應用的熱儲能系統市場分析和預測

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圖60全球熱儲能市場規模、份額和趨勢

這兩個市場研究之間的差異與供應商收入基礎的差異以及對增長領域的不同假設有關。圖60在其收入預測中包括了維護費用,并假設所有地區的增長率都非常相似。圖61預測了亞太地區(尤其是日本、澳大利亞、韓國、中國和印度)的高速增長,并且只包括供應商收入的新部署。

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圖61按地區劃分的能源容量部署

在炎熱氣候下對冷卻的需求不斷增加(過去十年來中國的空調需求顯著增長,2017年達到全球空調市場問題的三分之一左右)。各國政府減少能源消耗的政策正在不斷發展,包括綠色建筑證書計劃和節能解決方案的部署。

人們通常認為,采用冰基熱儲能取決于使用時限電價方案,但熱儲能系統只會影響熱電負載,并且通常比鋰離子電池占用更大的占地面積。

九.新興應用——長時儲能(LDES)

美國儲能大挑戰計劃(ESGC)不僅加快采用成熟的儲能技術,而且還積極采用新興的儲能技術。長時儲能(LDES)是這份報告中包含的新興市場的一個例子。以下是長時儲能(LDES)的描述,描述了其不斷發展的概況以及滿足重要儲能需求的機會。

隨著電網上可再生能源發電的增加,提供電網可靠性所需的持續放電時間也增加了。電網中的可再生能源發電量與儲能時間之間的關系很復雜,并且取決于可再生能源發電的詳細信息。

圖62說明了這種關系,并顯示了估計的所需儲能時間與電網可再生能源滲透率之間的關系。隨著電網的電力從化石燃料過渡到可再生能源,將需要大量的長時儲能(LDES)(儲能時間超過10小時)。對于滲透率非常高(即高于80%)的可再生能源電力,需要120小時以上的儲能時間(通常稱為季節性儲能)。

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圖62 長時儲能技術的成本目標

隨著儲能時間的增加,儲能系統的邊際價值下降,因此可負擔的總成本也將下降。因此,長時儲能技術的競爭力將取決于所需的持續放電時間。其總資本在此定義為安裝的成本,其中包括設備和工廠的全部成本。

目前有幾種長時儲能技術正在開發中,以解決新興的長時儲能需求,其中包括抽水蓄能、液流電池、熱儲能以及鋰離子電池。抽水蓄能是可用于長時儲能的現有成本最低的儲能技術,抽水蓄能設施可以在12小時內提供最低的儲能成本。如今的抽水蓄能設施部署在適合其選址要求的地點,并且很多組織正在評估未來的建設站點。

預計液流電池在6~8小時以上的持續時間內具有成本效益,具體取決于特定的化學反應。釩液流電池的成本很大程度上取決于釩的成本,而釩的價格往往很高。其他使用儲量豐富材料的電池可能對于長時儲能可能更具競爭力。例如,如上所述,一家生產持續放電時間為10小時的全鐵液流電池儲能系統的廠商現在正在將裝機容量擴展到5MW,并擴大了生產能力。

用于長時儲能的儲能技術(例如氫氣、氨氣和某些碳氫化合物)通常需要洞穴存儲才能降低成本。因此,很多開發商正在探索合適的地層和地形。由于氨氣在商品化學工業中已有龐大的工業基礎設施,對于季節性儲能(120小時)來說,具有地質存儲功能的氫氣儲能系統和具有碳捕獲功能的天然氣發電系統可提供當前和未來的最低成本。

熱儲能技術對于工業過程和電網的長期需求都是可行的。由于增加的成本和熱電轉換的效率問題,它可能仍將重點放在熱-熱循環上,而不是熱-電循環上。

如今,行業廠商仍在致力開發新型電池技術(例如鈉硫電池和全鐵液流電池)。對于這些電池技術來說,其能量密度應該大于100Wh/L。一家初創公司最近表示,該公司開發和生產的一種“水性空氣”電池可以滿足超過50小時的長時儲能目標。
 
 
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