新型氫氧分級燃燒循環儲能系統

明珈輝，吳偉亮

新型氫氧分級燃燒循環儲能系統

明珈輝，吳偉亮

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

針對可再生能源并網發電存在波動性的問題，基于對電解水和簡單氫氧循環構成的儲能系統效率受限原因分析，提出了一種結合電解高壓水和高溫高壓渦輪熱力循環技術的新型儲能系統構架。該系統通過高壓水電解技術，將可再生能源在用電低谷期發出的電能轉化為氫氣、氧氣的化學能和壓力能儲存；在電網用電高峰期，將高壓氫氣和氧氣通入燃燒室進行分級燃燒，生成的蒸汽進入渦輪膨脹做功，所發電力補充回電網。分析計算表明，改進的新型儲能系統能量轉換效率比簡單氫氧循環構成的儲能系統效率提升約6%，效率增幅超過15%。

可再生能源；儲能；電解水；氫氣；熱力循環；分級燃燒；效率

面對傳統化石燃料帶來的能源危機和環境污染問題，開發清潔可再生能源已成為全球共識[1-2]。近年來，以風能、太陽能為代表的可再生能源發電技術發展迅速[3]，然而由于風力變化、晝夜交替等因素影響，可再生能源電站的電力輸出存在較大的間歇性波動，這種波動不僅難以滿足大型工業和現代化城市的發展需求，也會對電網的安全運行構成威脅[4]。儲能系統可以將可再生能源的富余發電以一定方式儲存，并在需要時提取使用，起到平滑波動、削峰填谷的作用，是發展可再生能源發電的必要輔助系統[5]。

在目前的儲能系統中，抽水蓄能是應用最廣泛的技術之一。作為一種物理儲能技術，抽水蓄能電站將電網低負荷時多余的電能轉化為水的勢能并儲存，在高負荷時將水的勢能轉化為電能，具有技術成熟、污染小、效率高、容量大、儲能周期長等優點。聶金峰[6]建立了抽水蓄能與火電機組聯合運行模型，并對模型進行優化，提高了電力系統運行的經濟性。但是抽水蓄能系統對地理環境的要求高，選址困難，且初期投資巨大，建設周期長[7]。電化學儲能是另一種應用較廣泛儲能技術，它通過可逆的化學反應，以電池的形式來儲存或釋放電能，其特點是能量密度大、轉換效率高、建設周期短、選址不受限制[8]。李建林等[9]提出了基于區間層次分析法的電化學儲能方案，針對不同工況下的需求，選取合適的電池系統和儲能方案，可用于發電量10MW的光伏電站中。然而，電化學儲能由于容量小，發電功率有限，同時在電池的制造、使用過程中會對環境造成潛在壓力，目前難以在大型電站中應用。相比以上2種儲能技術，氫作為一種二次能源，具有能量密度高、產物無污染、可再生等優點，受到國內外學者的廣泛關注，可用作新型儲能系統的優良載體。

氫儲能技術主要由制氫技術、儲氫技術和氫能利用技術三部分組成。其中，制氫技術主要采用電解水方式，包括堿性電解、固體聚合物電解、固體氧化物電解等，電解制氫效率一般在40%～60%[10]。儲氫技術主要采用高壓氣態儲存的方式，將電解產生的氫氣加壓儲存在特定罐體中。對于氫能利用技術，近年來燃料電池發電技術發展迅速，以其污染小、裝置靈活、效率高等優點，引起廣泛關注。目前美、日、德等國家對氫燃料電池的研究已進入商業應用階段[11]。與氫燃料電池發電技術相比，氫氧熱力循環發電技術憑借系統容量大、結構簡單、技術成熟等特點，可用于大規?？稍偕茉措娬局?。Ebaid、Hammad等人[12]設計了光伏-氫能混合電網系統，該系統由太陽能光伏組件、電解水組件和燃氫燃氣輪機組成，輸出功率達100 MW，具有一定的經濟性和可持續性。2018年1月，日本在神戶建成世界首個氫能市政供電設施，實現了氫氧熱力循環發電的商業化[13]。然而，傳統的基于簡單氫氧熱力循環的儲能系統存在能量轉換效率低的問題，需做進一步的改進。

本文分析了傳統的利用電解水技術、儲氫技術和氫氧熱力循環發電技術的儲能系統中影響儲能效率的主要因素，提出了在制氫和氫能利用階段分別采用電解高壓水和氫氧分級燃燒技術的改進措施，并對新構建的儲能系統性能進行理論計算和性能分析。

1 簡單氫氧熱力循環的儲能系統

1.1 基本結構

圖1為簡單氫氧熱力循環儲能系統結構。儲能系統由電解水系統、氫氧儲存系統和氫氧熱力循環系統3部分組成。系統的整體工作方式為：通過電解水系統生成氫氣和氧氣，將可再生能源產生的富余電能轉化為氫氣和氧氣的化學能并加以儲存。當電網需要電力補充時，將儲存的氫氣和氧氣通入氫氧熱力循環系統，將氫能轉化為穩定的電能輸出。

圖1 簡單氫氧熱力循環的儲能系統結構

Fig.1 Structure of the energy storage system with simple hydrogen-oxygen thermodynamic cycle

作為氫能在傳統渦輪熱力循環中的應用，國內外主要采用簡單氫氧循環方式[14-15]，如圖2所示。該循環將壓縮儲存的氫氣、氧氣等當量通入燃燒室燃燒，產生高溫高壓水蒸氣，經過必要的冷卻后推動渦輪做功，帶動發電機發電。從渦輪出來的水蒸氣經冷凝器冷卻后，一部分通入燃燒室對熱蒸汽進行冷卻，另一部分經過一定處理返回電解池再利用。簡單氫氧循環可以看作以氫氣、氧氣為燃料體系，將燃氣輪機與蒸汽輪機技術串聯結合成的熱力循環系統。

圖2 簡單氫氧循環系統

1.2 性能計算

根據熱力學計算，簡單氫氧循環系統中壓氣機耗功為

進入該循環系統的熱量由氫氧燃燒提供，

式中，LHV為氫氣的低位熱值，kJ/kg。

由于氫氣的熱值高，為了防止渦輪過熱損壞，必須加入一定量的冷卻水對燃燒產物進行降溫。

冷卻水量的計算式為

系統的渦輪做功為

忽略給水泵對水的壓縮耗功，簡單氫氧熱力循環系統的效率為

式中，渦輪做功T與壓氣機耗功C的差表示循環系統輸出的有用功。

整個儲能系統的能量轉換效率可表示為

式中：e為水電解制氫效率，本文取40%~60%；m和g分別為機械效率和發電機效率，通常可 達99%。

儲能系統的運行參數設定見表1，圖3給出了渦輪進口壓力為5MPa、進口溫度為1 273~1 673K時儲能系統的整體效率隨電解效率和氫氧循環中燃燒室溫度的關系。由圖3可見，當電解水效率或氫氧燃燒室的溫度增加時，儲能系統的能量轉換效率提高。但是，即使當水的電解制氫效率高達60%且氫氧燃燒室處于極限溫度1 673 K的條件下，儲能系統的能量轉換效率僅為33.4%。通過分析可知，制約傳統儲能系統能量轉換效率的因素是冷卻水會對熱蒸汽冷卻過程產生一定?損失。在燃燒室溫度為1 673 K時，計算得到冷卻?損失占系統總損失的54.5%，冷卻?損失導致系統整體循環效率偏低[16-17]。此外，計算表明壓氣機對氫氣與氧氣的壓縮耗功約占渦輪做功的20%，大幅影響了循環系統輸出有用功，也使循環效率偏低?；诖?，本文提出采用高壓電解技術與氫氧分級燃燒技術提高能量轉換效率的新型儲能系統構架。

表1 儲能系統運行參數

Tab.1 Operation parameters of the energy storage system

圖3 基于簡單氫氧循環的儲能系統能量轉換效率

2 新型電解高壓水與氫氧分級燃燒循環儲能系統

2.1 新型儲能系統優化結構

李俊榮等[18]對高壓質子交換膜水電解（PEM）技術進行研究，產生的氫氣與氧氣壓力可達5 MPa，且電解壓力的提高對制氫效率的影響不大，能夠滿足實際應用需要。Sartory等人[19]將高壓PEM的電解壓力提高至15.5 MPa，直接產生相應壓力的氫氣。以電解高壓水的方式產生氫氣和氧氣，用液態水增壓過程取代壓縮氫氣與氧氣過程，省去氣體壓縮功耗，有效提高儲能系統的能量轉換效率。然而，相比常壓電解，PEM高壓水電解產生的氣體純度會隨電解壓力的增加而降低，需要進行相應純化處理，增加了工序和成本。

此外，針對簡單氫氧循環系統部分冷卻?損失過大的情況，本文擬采用分級燃燒代替簡單氫氧循環的方式。徐鴻和荊汝林等[16]的研究成果表明，在特定工況下采用氫氧分級燃燒可使系統循環效率提升約4%。Stathopoulos及Sleem等人[20]對氫氧分級燃燒與燃煤鍋爐聯合循環系統進行了分析，結果表明該系統使循環效率和輸出功率均有所提升?；诖?，本文建立的氫氧分級燃燒循環如圖4所示。與簡單氫氧循環相比，該循環增加了多組燃燒室與渦輪。在該氫氧分級燃燒循環中，首先將部分氫氣和氧氣加入第1燃燒室，生成高溫高壓水蒸氣，經第1級渦輪做功后通入第2燃燒室；在第2燃燒室中再加入一部分氫氣和氧氣燃燒，同時對前一級的水蒸氣再熱，使蒸汽溫度達到與第1級相同的水平；再熱后的蒸汽在第2級渦輪中膨脹做功，之后進入第3燃燒室，進行與前一級類似的燃燒、再熱、做功過程。

圖4 氫氧分級燃燒循環示意

Fig.4 Schematic diagram of the hydrogen and oxygen staged combustion cycle

與簡單氫氧燃燒相比，氫氧分級燃燒過程會對前一級的水蒸氣再熱，既增加渦輪的輸出功，同時也會使冷卻燃燒室所需的冷卻水量減少，從而降低循環?損失。整體上膨脹過程向等溫膨脹過程靠攏，有利于提高熱力循環效率。

2.2 新型儲能系統性能計算

新型儲能系統中氫氧熱力循環的溫度、壓力等運行參數與表1基本一致。由于新型儲能系統采用電解高壓水方法，初始參數中電解壓力由原儲能系統的0.1 MPa變為2~5 MPa，同時在新型儲能系統中省去原系統中壓氣機的壓縮氣體過程。

進入系統的熱量為

式中，C1、C2、C3分別為3個燃燒室的氫氣和氧氣質量流量。

系統總輸出功為：

由于高壓電解技術回避了氫氧熱力循環中的壓縮氣體功C，因此氫氧分級燃燒系統的循環效率直接表示為總輸出功與進入系統熱量之比

儲能系統的整體能量轉換效率仍用式(6)表示。

3 新型儲能系統性能分析

在電解制氫效率為60%、電解壓力為5 MPa時，新型儲能系統與傳統儲能系統的氫氧熱力循環效率對比和能量轉換效率對比曲線如圖5所示。由圖5可見，氫氧燃燒室溫度在1 273～1 673 K時，熱力循環效率從簡單氫氧循環時的44.1%~55.6%提高到采用分級燃燒循環的57.5%~65.5%，熱力循環效率增加約10%，增幅約達20%。儲能系統的能量轉換效率也從26.5%~33.4%提高到33.2%~39.3%，能量轉換效率增加約6%，增幅超過15%。

圖5 氫氧分級燃燒與簡單氫氧循環系統效率對比

與傳統簡單氫氧循環的儲能系統相比，新型儲能系統省去壓縮耗功，使熱力循環輸出的有用功增加；而分級燃燒減少了燃燒熱量的散失，使冷卻?損失降低。在電解壓力為5 MPa、氫氧燃燒室溫度為1 673 K的工況下，新型儲能系統在該工況下的輸出有用功增加了10.4%，同時冷卻?損失降低了8.7%，說明在實際生產應用過程中，高壓電解技術和氫氧分級燃燒對儲能系統的性能有明顯提升。

圖6表示電解壓力為5 MPa、電解效率為40%~60%時，儲能系統的能量轉換效率隨氫氧燃燒室溫度變化曲線。由圖6可見，隨著電解水效率的增大，儲能系統的能量轉換效率明顯提高。同時，能量轉換效率也隨氫氧燃燒室溫度的提高而升高。對新型儲能系統而言，電解制氫效率為60%，燃燒室溫度從1 273 K增加至1 673 K時，系統的能量轉換效率由33.1%增大至39.8%，提升超過6%。而受到渦輪葉片材料強度、冷卻技術等條件制約，燃燒室溫度不能過高。如果渦輪材料及冷卻技術取得突破，燃燒室的出口溫度會進一步提高，該儲能系統轉換效率將會更高。

圖6 不同電解效率下能量轉換效率與燃燒室溫度關系曲線

圖7給出了氫氧燃燒室溫度在1 673 K時，40%~60%的電解效率下儲能系統能量轉換效率隨電解壓力的變化關系。

圖7 不同電解效率下能量轉換效率與電解壓力關系曲線

由圖7可見：隨著電解壓力的增加，儲能系統能量轉換效率有所提高。電解壓力從2 MPa增加到5 MPa，能量轉換效率提升約2%。雖然提升幅度不明顯，但電解壓力的提高還會使生成的氫氣和氧氣體積減小，有利于縮小儲氣罐體積。然而，受儲氣罐材料與罐體結構強度的限制，壓力不宜過高。因此在強度允許的條件下，為提高儲能系統的能量轉換效率，應選取盡可能高的電解壓力。

在經濟性和環保性方面，該儲能系統通過電解產生的氫氣儲存在高壓罐體中，系統容量大，穩定性強；儲能系統不受地域限制；以純氫純氧為燃料，燃燒產物為水蒸氣，不會對環境造成污染，同時做功后的蒸汽經處理可以循環再利用，實現了水的可持續性利用。

4 結 論

1）在傳統的電解水和簡單氫氧循環儲能系統中，壓氣機的氣體壓縮耗功和向氫氧燃燒室注入冷卻水過程帶來的?損失是影響儲能系統效率提升的重要原因。

2）經過改進的新型儲能系統采用電解高壓水的方法生成氫氣，省去氣體壓縮過程，有效減少了壓縮耗功；而氫氧分級燃燒的方式降低了燃燒室冷卻過程的?損失，進一步提高了氫氧熱力循環的效率。在特定工況下，新型儲能系統的整體能量轉換效率可提升約6%，效率增幅超過15%。

3）在系統結構性能允許的條件下，增加氫氧燃燒室溫度，或提高電解高壓水系統的電解壓力，均可進一步提升新型儲能系統的能量轉換效率。

［1］ 康重慶, 姚良忠. 高比例可再生能源電力系統的關鍵科學問題與理論研究框架[J]. 電力系統自動化, 2017, 41(9): 2-11. KANG Chongqing, YAO Liangzhong. Key scientific issues and theoretical research framework for power systems with high proportion of renewable energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(9): 2-11.

［2］ 李虹, 董亮, 段紅霞. 中國可再生能源發展綜合評價與結構優化研究[J]. 資源科學, 2011, 33(3): 431-440. LI Hong, DONG Liang, DUAN Hongxia. On comprehensive evaluation and optimization of renewable energy development in China[J]. Resources Science, 2011, 33(3): 431-440.

［3］ OLABI A G. Renewable energy and energy storage systems[J]. Energy, 2017, 136: 1-6.

［4］ 王彩霞, 李瓊慧, 雷雪姣. 儲能對大比例可再生能源接入電網的調頻價值分析[J]. 中國電力, 2016, 49(10): 148-152. WANG Caixia, LI Qionghui, LEI Xuejiao. Methodology for analyzing the value of energy storage to power system frequency control in context of high shares of renewable energy[J]. Electric Power, 2016, 49(10): 148-152.

［5］ 袁小明, 程時杰, 文勁宇. 儲能技術在解決大規模風電并網問題中的應用前景分析[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(1): 14-18. YUAN Xiaoming, CHENG Shijie, WEN Jinyu. Prospects analysis of energy storage application in grid integration of large-scale wind power[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(1): 14-18.

［6］ 聶金峰. 抽水蓄能電站與火電廠聯合優化運行分析[J]. 南方能源建設, 2018, 5(3): 61-66. NIE Jinfeng. Analysis of combined optimal operation of pumped storage power[J]. Southern Energy Construction, 2018, 5(3): 61-66.

［7］ 譚雅倩, 周學志, 徐玉杰, 等. 海水抽水蓄能技術發展現狀及應用前景[J]. 儲能科學與技術, 2017, 6(1): 35-42. TAN Yaqian, ZHOU Xuezhi, XU Yujie, et al. Seawater pumped hydro energy storage: review and perspectives[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(1): 35-42.

［8］ YE L, WEN K, ZHANG Z, et al. Highly efficient materials assembly via electrophoretic deposition for electrochemical energy conversion and storage devices[J]. Advanced Energy Materials, 2016, 6(7): 1502018.

［9］ 李建林, 馬會萌, 田春光, 等. 基于區間層次分析法的電化學儲能選型方案[J]. 高電壓技術, 2016, 42(9): 2707-2714. LI Jianlin, MA Huimeng, TIAN Chunguang, et al. Selection scheme of electrochemical energy storage based on interval analytic hierarchy process method[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(9): 2707-2714.

［10］ 劉明義, 于波, 徐景明. 固體氧化物電解水制氫系統效率[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2009(6): 868-871. LIU Mingyi, YU Bo, XU Jingming. Efficiency of solid oxide water electrolysis system for hydrogen production[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2009(6): 868-871.

［11］ DEKEL D R. Review of cell performance in anion exchange membrane fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2018, 375: 158-169.

［12］ EBAID M S Y, HAMMAD M, ALGHAMDI T. Thermo economic analysis of PV and hydrogen gas turbine hybrid power plant of 100 MW power output[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(36): 12120-12143.

［13］ 薛潔瓊. 石油經濟要聞[J]. 國際石油經濟, 2018, 26(1): 91-92. XUE Jieqiong. Petroleum economic news[J]. International Petroleum Economics, 2018, 26(1): 91-92.

［14］ DI GAETA A, REALE F, CHIARIELLO F, et al. A dynamic model of a 100 kW micro gas turbine fuelled with natural gas and hydrogen blends and its application in a hybrid energy grid[J]. Energy, 2017, 129: 299-320.

［15］ 蔣東方, 安康, 劉娟, 等. 儲氫-氫氧聯合循環儲能系統的應用分析[J]. 陜西電力, 2014, 42(8): 30-33. JIANG Dongfang, AN Kang, LIU Juan, et al. Applications analysis on hydrogen storage-hydrogen and oxygen combined cycle systems[J]. Shaanxi Electric Power, 2014, 42(8): 30-33.

［16］ 徐鴻, 荊汝林, 高丹, 等. 三種類型氫-氧聯合循環系統熱力性能的比較[J]. 動力工程, 2010(2): 156-160. XU Hong, JING Rulin, GAO Dan, et al. Comparison of thermal performance among three hydrogen/oxygen combined-cycle systems[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2010(2): 156-160.

［17］ DITARANTO M, LI H, HU Y. Evaluation of a pre-combustion capture cycle based on hydrogen fired gas turbine with exhaust gas recirculation (EGR)[J]. Energy Procedia, 2014, 63: 1972-1975.

［18］ 李俊榮, 周抗寒, 王飛, 等. 高壓質子交換膜水電解技術研究[J]. 載人航天, 2015, 21(2): 121-124. LI Junrong, ZHOU Kanghan, WANG Fei, et al. Research on high pressure water electrolysis with proton exchange membrane[J]. Manned Spaceflight, 2015, 21(2): 121-124.

［19］ SARTORY M, WALLNOEFER-OGRIS E, SALMAN P, et al. Theoretical and experimental analysis of an asymmetric high pressure PEM water electrolyser up to 155 bar[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(52): 30493-30508.

［20］ STATHOPOULOS P, SLEEM T, PASCHEREIT C O. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2as a way to simultaneously provide primary control reserve and energy storage[J]. Applied Energy, 2017, 205: 692-702.

An improved energy storage system with novel hydrogen-oxygen staged combustion cycle

MING Jiahui, WU Weiliang

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to solve the volatility problem of renewable energy grid-connected power generation, based on the reason analysis for low efficiency of the energy storage system composed of water electrolysis and simple hydrogen-oxygen cycle, a new type of energy storage system framework which combines high-pressure water electrolysis and high-pressure, high-temperature turbine cycle technology is proposed. This system converts the electric energy generated by renewable energy during low period into the chemical and pressure energy of hydrogen and oxygen and stores the energy by means of high-pressure water electrolysis technology. During the peak period of grid power consumption, the compressed hydrogen and oxygen enter the combustor for staged combustion, and the generated steam passes through the turbine to do work, driving the generator to generate electricity, thereby replenishing the electricity back to grid. The analysis shows that the energy conversion efficiency of the improved energy storage system is 6% higher than that of the simple hydrogen-oxygen cycle, which increases by more than 15%.

renewable energy, energy storage, water electrolysis, hydrogen, thermodynamic cycle, staged combustion, efficiency

TM619

A

10.19666/j.rlfd.201812189

明珈輝, 吳偉亮. 新型氫氧分級燃燒循環儲能系統[J]. 熱力發電, 2019, 48(7): 155-160. MING Jiahui, WU Weiliang. An improved energy storage system with novel hydrogen-oxygen staged combustion cycle[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 155-160.

2018-12-22

明珈輝(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向為新型熱力系統設計與分析，mingjiahui518@sjtu.edu.cn。

（責任編輯 杜亞勤）