中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：9月9日，第二屆儲(chǔ)能電池技術(shù)發(fā)展方向研討會(huì)在京召開。
本次會(huì)議由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)與中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究組聯(lián)合主辦，北京好風(fēng)光儲(chǔ)能技術(shù)有限公司、浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司、中天儲(chǔ)能科技有限公司、長興太湖能谷科技有限公司及合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司等單位聯(lián)合支持。
有研工程技術(shù)研究院高級(jí)工程師、博士李志念出席了本次會(huì)議，并發(fā)表了題為《氫規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)進(jìn)展》的報(bào)告，以下為演講全文：
李志念：各位專家、各位嘉賓大家下午好！非常榮幸今天有機(jī)會(huì)跟大家進(jìn)行一個(gè)交流。首先簡單介紹一下我們單位，我們單位在之前叫做北京有色金屬研究總院，是國資委直屬中央企業(yè)，2017年底應(yīng)國家要求由全民所有制轉(zhuǎn)為股份制，單位更名為有研科技集團(tuán)公司。總院將其直屬的研究室所整合成立了有研工程技術(shù)研究院，負(fù)責(zé)行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)和應(yīng)用研發(fā)，我們部門—能源材料與技術(shù)研究所是其中一部分。我們北京有色院也是國內(nèi)做電池的一個(gè)老的單位，現(xiàn)在我們跟國內(nèi)五大汽車廠家還有電池的一些廠家成立了國聯(lián)汽車動(dòng)力電池研究院，是國內(nèi)動(dòng)力電池研究的重要力量。
我這個(gè)部門主要是做氫能這一塊，我們也是中國可再生能源協(xié)會(huì)氫能專業(yè)會(huì)的主任委員和秘書長單位，秘書處就在我們團(tuán)隊(duì)。很高興上午聽到華中科技大學(xué)李老師關(guān)于SOFC的報(bào)告，讓我感覺很親切，也說明氫能技術(shù)在儲(chǔ)能也開始發(fā)揮作用。
我今天的報(bào)告主要是從氫的規(guī)模儲(chǔ)能這一塊講，主要講兩個(gè)部分，一個(gè)是規(guī)模儲(chǔ)氫，另一個(gè)是規(guī)模儲(chǔ)熱，近年來隨著可再生能源快速發(fā)展，氫的規(guī)模儲(chǔ)能在國際上成為研究熱點(diǎn)。在我們中國隨著可再生能源的快速發(fā)展，可再生能源的儲(chǔ)能越來越受到國家層面重視，2017年我國可再生能源棄電量超過一千億千瓦時(shí)，氫規(guī)模儲(chǔ)能是解決可再生能源效率的重量途徑之一。氫儲(chǔ)能跟其他的儲(chǔ)能來比，有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一個(gè)氫的儲(chǔ)能單體可大可小，可以做到數(shù)十兆瓦，甚至上百兆瓦也可以做到便攜式，另外一個(gè)氫的儲(chǔ)能不存在存放時(shí)間的限制，他可以跨季、甚至跨年的儲(chǔ)存。在用途上，氫儲(chǔ)能的應(yīng)用途徑也很多，既可通過燃料電池發(fā)電反饋電網(wǎng)，也可以作為工業(yè)氣體應(yīng)用。
今天早晨很高興聽到劉秘書長介紹，國際上已有20多個(gè)兆瓦的規(guī)模儲(chǔ)氫應(yīng)用，據(jù)我們統(tǒng)計(jì)，目前，規(guī)模已經(jīng)超過20MW。如何實(shí)現(xiàn)氫的安全、高效儲(chǔ)存是氫規(guī)模儲(chǔ)能是的關(guān)鍵?？梢砸虻刂埔耍捎枚囱▋?chǔ)氫，可以采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)罐，還可以采用以儲(chǔ)氫材料為介質(zhì)的固態(tài)儲(chǔ)氫，這是目前儲(chǔ)氫密度最高，也是最安全的儲(chǔ)氫方式。現(xiàn)在簡單的跟大家分享一下國際上的一些比較典型的兆瓦級(jí)的氫規(guī)模儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)是德國柏林機(jī)場的Power-to-gas示范項(xiàng)目，其采用風(fēng)電電解水制氫，氫有多種用途，一是為機(jī)場的燃料汽車加氫，二是熱電聯(lián)供，還有另外一部分摻入到天然氣管路上，直接給附近的居民來使用，其儲(chǔ)氫方式采用了氣態(tài)高壓儲(chǔ)罐，占用體積較大，壓力較高。為更好的解決儲(chǔ)氫問題，歐盟支持開展了INGRID項(xiàng)目，具體在意大利進(jìn)行實(shí)施的，采用鎂基氫化物為介質(zhì)儲(chǔ)存可再生能源電解水產(chǎn)生的氫氣，其儲(chǔ)氫量為1000kg ，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能達(dá)39MW。鎂基氫化物儲(chǔ)氫密度高，但放氫需要300℃ 左右的高溫，給應(yīng)用帶來一定的不便，在項(xiàng)目中，在鎂基儲(chǔ)氫罐外面包裹了厚厚的一層相變儲(chǔ)熱材料，以實(shí)現(xiàn)氫氣的可逆儲(chǔ)存。
第三個(gè)項(xiàng)目是日本TOSHIBA公司的H2ONE項(xiàng)目，其完全依靠可再生能源實(shí)現(xiàn)對(duì)一座賓館供能。白天將光伏產(chǎn)生的多余的電電解制氫，儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫合金罐內(nèi)，晚上將儲(chǔ)存的氫氣釋放出來通過燃料電池對(duì)賓館供電和供熱。其儲(chǔ)氫合金選用稀土系A(chǔ)B5型儲(chǔ)氫合金，可實(shí)現(xiàn)常溫工作，避免了鎂基儲(chǔ)氫材料300℃高溫的問題。但稀土系合金在規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用也存在一些問題，主要在于它的成本偏高，容量偏低。針對(duì)這些問題，這些年來我們也做了很多工作。想把的氫規(guī)模儲(chǔ)能用上去，主要解決了三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。首先是高容量、低成本儲(chǔ)氫合金的研制和規(guī)模制備，通過我們近十年的努力，最新開發(fā)出來低成本鈦錳系A(chǔ)B2型儲(chǔ)氫合金，有效儲(chǔ)氫容量比稀土系提高20%-30%，而單位原材料成本只有稀土系的三分之一，大幅度降低了成本，為其規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。由于這種鈦錳系合金原材料含有大量的鈦、鋯等高熔點(diǎn)、高活性金屬元素，規(guī)模制備還是比較困難的。我們經(jīng)過了三年左右的努力，目前我們?cè)趪鴥?nèi)率先突破該體系合金單批次百公斤級(jí)規(guī)模制備技術(shù)，目前已經(jīng)具備了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)能力。
第二個(gè)因?yàn)楣虘B(tài)儲(chǔ)氫一個(gè)化學(xué)的儲(chǔ)存過程，它既是一個(gè)反應(yīng)器，也是一個(gè)熱交換器，如何實(shí)現(xiàn)氫快速的吸收和釋放，是儲(chǔ)氫系統(tǒng)研制的核心問題，必然要求我們進(jìn)行一個(gè)模擬仿真，通過模擬設(shè)計(jì)指導(dǎo)我們的系統(tǒng)研制。我們的工作主要是把材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，代入他的三維傳熱傳質(zhì)方程，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的模擬仿真。我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上建立一個(gè)三維設(shè)計(jì)的平臺(tái)，并研制出了單體儲(chǔ)氫容量達(dá)500立方的儲(chǔ)氫罐，并在我們懷柔基地建立了從風(fēng)電電解制氫到燃料電池發(fā)電一個(gè)完整的示范系統(tǒng)，初步解決了非穩(wěn)定風(fēng)電電解制氫控制技術(shù)和制氫--儲(chǔ)氫耦合技術(shù)。這是我們示范系統(tǒng)在比較小的風(fēng)速下持續(xù)工作的曲線，可以顯示我們系統(tǒng)在非穩(wěn)定的風(fēng)電下基本可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)連續(xù)的制氫。同時(shí)我們對(duì)儲(chǔ)氣罐和燃料電池聯(lián)機(jī)進(jìn)行了多次的測(cè)試，無論是是全功率還是各種波動(dòng)功率下，我們的儲(chǔ)氫罐供氫速度，壓力特性完全能夠滿足燃料電池應(yīng)用需要。在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步開發(fā)1000立方米級(jí)的固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，也就是大概3兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能，我們對(duì)這個(gè)裝置成本計(jì)算，儲(chǔ)能的成本大概只有三毛錢每瓦時(shí)，跟電池比起來有比較好的競爭力。同時(shí)我們這個(gè)固態(tài)儲(chǔ)氫我剛才講到由于它是一種化學(xué)吸附，對(duì)氫的化學(xué)選擇性吸入，可在儲(chǔ)放的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫的純化，我們就對(duì)儲(chǔ)氫系統(tǒng)充入純度為4N的普氫，可釋放出來6N的超純氫，氫氣價(jià)值可實(shí)現(xiàn)數(shù)十倍的提升，純度6N及以上的超純氫在電子工業(yè)，尤其是LED和半導(dǎo)體工業(yè)有良好的應(yīng)用前景和巨大市場空間。關(guān)于規(guī)模儲(chǔ)氫簡單匯報(bào)到這里。
第二個(gè)方面就是規(guī)模的儲(chǔ)熱，規(guī)模儲(chǔ)熱也是可再生能源高效利用這樣一個(gè)背景，主要是太陽能光熱發(fā)電，近幾年國家能源局批復(fù)太陽能光熱電站達(dá)到了數(shù)GW，但要想實(shí)現(xiàn)24小時(shí)持續(xù)的發(fā)電，必須配有相應(yīng)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。目前的儲(chǔ)熱系統(tǒng)以熔鹽為主，熔鹽的問題在于它的單位儲(chǔ)熱密度比較低，只有200kJ/kg左右，并且存在腐蝕管道和低溫凝結(jié)等問題。跟熔鹽相比，我們氫化物儲(chǔ)熱，達(dá)到2.9MJ/kg，是熔鹽儲(chǔ)熱密度的十幾倍，同時(shí)它利用氫氣為介質(zhì)，在整個(gè)工作過程中，不會(huì)產(chǎn)生腐蝕，也是目前單位儲(chǔ)熱密度最高的一種儲(chǔ)熱介質(zhì)。我們認(rèn)為氫化物儲(chǔ)熱要想應(yīng)用必須突破這樣三個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)，首先是高容量長壽命的氫化物材料研制技術(shù)，鎂基氫化物氫化速度慢，且在390度左右的高溫下容易產(chǎn)生晶粒長大，導(dǎo)致性能下降，通過納米化提高氫化反應(yīng)速度，并通過高溫相的加入，抑制它的高溫晶粒長大，提高它的高溫工作的穩(wěn)定性，目前，我們已經(jīng)成功的開發(fā)出了一種儲(chǔ)熱材料，可實(shí)現(xiàn)兩分鐘完成90%的儲(chǔ)氫容量，并且經(jīng)過100次的循環(huán)，它的容量衰減只有0.7%，這個(gè)儲(chǔ)熱密度因?yàn)榧恿讼⊥猎囟兴陆担瑢?shí)測(cè)達(dá)到2.2兆焦每公斤，也是熔鹽的十倍左右。解決了材料問題，如何實(shí)現(xiàn)該材料的規(guī)模制備是另一關(guān)鍵技術(shù)難題，由于氫化鎂制備困難，導(dǎo)致其價(jià)格高昂，氫化鎂從國外公司買的話，每十克兩千塊錢左右，是天價(jià)。我們也是花了很長的時(shí)間來解決氫化鎂規(guī)模制備技術(shù)難題，最終實(shí)現(xiàn)了氫化鎂單批制備能力由g級(jí)到50kg級(jí)的跨越。在這個(gè)基礎(chǔ)上我們就開始設(shè)計(jì)研制了高密度氫化物儲(chǔ)熱裝置，這是我們?cè)O(shè)計(jì)出的裝置示意圖，儲(chǔ)熱容量達(dá)到1000 MJ以上。
我們氫化物儲(chǔ)熱跟熔鹽儲(chǔ)熱有區(qū)別，有一個(gè)儲(chǔ)熱罐必須有一個(gè)配對(duì)的儲(chǔ)氫罐，白天的時(shí)候向儲(chǔ)熱系統(tǒng)通入400度左右的導(dǎo)熱油，使儲(chǔ)熱系統(tǒng)氫化鎂放氫，吸收大量熱量，實(shí)現(xiàn)熱量儲(chǔ)存，晚上需要儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)外供熱的時(shí)候，通過儲(chǔ)氫罐對(duì)儲(chǔ)熱罐供氫，儲(chǔ)熱罐吸氫釋放出白天儲(chǔ)存的熱量，從而保證電站在夜晚連續(xù)工作。我們研制出了配對(duì)用的儲(chǔ)氫材料，以及相應(yīng)的儲(chǔ)氫罐，通過工況、壓力以及容量、速率等各方面匹配，最后做出了這樣一個(gè)千兆焦級(jí)的規(guī)模儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，建立了太陽能光集熱氫化物儲(chǔ)熱這樣一個(gè)完整的示范系統(tǒng)。所示為示范系統(tǒng)照片，這個(gè)中間亮色的是我們氫化物儲(chǔ)熱罐，灰色的是我們配對(duì)用的儲(chǔ)氫罐，這是我們實(shí)測(cè)一個(gè)曲線，實(shí)測(cè)我們的儲(chǔ)熱密度也是達(dá)到1000兆焦以上，連續(xù)供熱速率6-8兆焦每分鐘，對(duì)應(yīng)材料儲(chǔ)熱密度達(dá)到1.8兆焦每公斤，后面放熱過程沒有完全完成，完成了材料的儲(chǔ)熱密度有望達(dá)到2兆焦每公斤以上。
對(duì)我的報(bào)告做一個(gè)簡單總結(jié)，我們認(rèn)為氫的規(guī)模儲(chǔ)能是解決可再生能源消納，提高可再生能源利用效率一個(gè)重要途徑。基于我們低成本儲(chǔ)氫材料的高密度儲(chǔ)氫裝置在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域展現(xiàn)比較強(qiáng)的競爭力。儲(chǔ)熱方面，以氫化物儲(chǔ)熱為代表的新一代高密度儲(chǔ)熱技術(shù)已得到規(guī)模示范驗(yàn)證，受到華能、中廣核等的高度關(guān)注，有望推廣。謝謝大家。
