本申請(qǐng)涉及能源系統(tǒng)，特別是涉及一種風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、大規(guī)模開(kāi)發(fā)可再生能源對(duì)降低碳排放具有重要意義。然而，受限于其波動(dòng)性和間歇性，現(xiàn)有的風(fēng)光發(fā)電面臨嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光問(wèn)題，且單一儲(chǔ)能技術(shù)難以顯著提升能源利用效率。將過(guò)剩的風(fēng)光資源轉(zhuǎn)化為氫能被視為一種理想的解決方案，但當(dāng)前氫能消納的產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善。同時(shí)，大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性造成了顯著挑戰(zhàn)，亟需通過(guò)火力發(fā)電的靈活性改造支持深度調(diào)峰，并通過(guò)摻氨燃燒的低碳化改造來(lái)大幅降低碳排放。在此背景下，利用可再生能源制氨不僅可以解決氫能消納問(wèn)題，還能為火力發(fā)電的摻氨燃燒提供綠色經(jīng)濟(jì)的氨氣來(lái)源，實(shí)現(xiàn)氨氣的就地消納。此外，通過(guò)碳捕集技術(shù)捕捉火電排放的二氧化碳，并將其用于合成甲醇，可有效降低碳排放并實(shí)現(xiàn)碳資源的下游利用。通過(guò)風(fēng)光火儲(chǔ)一體化協(xié)同運(yùn)行，結(jié)合制氫、制氨和制醇工藝，有助于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，并實(shí)現(xiàn)風(fēng)光資源的高效消納及近零碳排放目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要提供一種風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)。

2、本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，包括：風(fēng)光發(fā)電單元、火力發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、混合制氫單元、空氣分離單元、氨氣合成單元、煙氣碳捕集單元、甲醇合成單元、富氧燃燒單元和摻氨燃燒單元；

3、所述風(fēng)光發(fā)電單元、所述火力發(fā)電單元均和所述儲(chǔ)能單元相連接，所述風(fēng)光發(fā)電單元、所述火力發(fā)電單元和所述儲(chǔ)能單元共同向外部電網(wǎng)及內(nèi)部系統(tǒng)供電；所述混合制氫單元與所述風(fēng)光發(fā)電單元相連接，所述混合制氫單元利用風(fēng)光電進(jìn)行電解水生產(chǎn)氫氣和氧氣；所述空氣分離單元利用空氣生產(chǎn)氮?dú)夂脱鯕?；所述空氣分離單元和所述混合制氫單元均與所述氨氣合成單元相連接，所述氨氣合成單元以氮?dú)夂蜌錃鉃樵虾铣砂睔?；所述煙氣碳捕集單元與所述火力發(fā)電單元相連接，所述煙氣碳捕集單元用于捕集煙氣中的二氧化碳；所述煙氣碳捕集單元和所述混合制氫單元均與所述甲醇合成單元相連接，所述甲醇合成單元以二氧化碳和氫氣為原料合成甲醇；所述富氧燃燒單元和所述摻氨燃燒單元均與所述火力發(fā)電單元相連接，所述富氧燃燒單元用于實(shí)現(xiàn)所述火力發(fā)電單元的富氧燃燒，所述摻氨燃燒單元用于實(shí)現(xiàn)所述火力發(fā)電單元的摻氨燃燒。

4、在其中一些實(shí)施方式中，所述風(fēng)光發(fā)電單元包括光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)；所述火力發(fā)電單元包括鍋爐；所述儲(chǔ)能單元包括儲(chǔ)能裝置；所述混合制氫單元包括電源控制裝置；所述光伏陣列和所述電源控制裝置相連接，所述光伏陣列用于為所述混合制氫單元提供電能；所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)整流器后和所述電源控制裝置相連接，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于為所述混合制氫單元提供電能；所述光伏陣列、所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)和所述鍋爐均與所述儲(chǔ)能裝置相連接。

5、在其中一些實(shí)施方式中，所述混合制氫單元還包括堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、氧氣壓縮機(jī)、氫氣壓縮機(jī)、氧氣儲(chǔ)罐和氫氣儲(chǔ)罐；所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽均連接于所述電源控制裝置，所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽用于負(fù)載不同波動(dòng)特征的風(fēng)光電負(fù)荷制取氫氣；所述電源控制裝置用于將風(fēng)光電負(fù)荷分配于所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機(jī)和所述氫氣壓縮機(jī)均同時(shí)連接于所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機(jī)用于將氧氣升壓到儲(chǔ)存壓力，所述氫氣壓縮機(jī)用于將氫氣升壓到反應(yīng)工段所需的壓力；所述氧氣儲(chǔ)罐連接于所述氧氣壓縮機(jī)，所述氧氣儲(chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述富氧燃燒單元的氧氣供給；所述氫氣儲(chǔ)罐連接于所述氫氣壓縮機(jī)，所述氫氣儲(chǔ)罐用于分配調(diào)節(jié)所述氨氣合成單元和所述甲醇合成單元的氫氣供給。

6、在其中一些實(shí)施方式中，所述堿性電解槽的制氫直流能耗為4.0kwh/nm3~4.3kwh/nm3，電流密度為6000a/m2~7000a/m2，小室電壓為1.8v~2.0v，氫氣純度≥99.7%；

7、所述質(zhì)子交換膜電解槽的制氫直流能耗為3.8kwh/nm3~4.0kwh/nm3，電流密度為7000a/m2~8000a/m2，小室電壓為1.8v~2.0v，氫氣純度≥99.9%。

8、在其中一些實(shí)施方式中，所述空氣分離單元包括依次連接的空氣分離裝置、氮?dú)鈮嚎s機(jī)和氮?dú)鈨?chǔ)罐；所述空氣分離裝置與所述氧氣儲(chǔ)罐連接，所述空氣分離裝置以空氣為原料制取氮?dú)夂脱鯕?；所述氮?dú)鈮嚎s機(jī)用于將氮?dú)馍龎旱椒磻?yīng)工段所需的壓力；所述氮?dú)鈨?chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述氨氣合成單元的氮?dú)夤┙o。

9、在其中一些實(shí)施方式中，所述氨氣合成單元包括依次連接的氨合成反應(yīng)裝置、氨氣壓縮機(jī)和氨氣儲(chǔ)罐；所述氨合成反應(yīng)裝置連接于所述氫氣儲(chǔ)罐和所述氮?dú)鈨?chǔ)罐，所述氨合成反應(yīng)裝置利用氫氣和氮?dú)夂铣砂保凰霭睔鈮嚎s機(jī)用于將氨氣液化；所述氨氣儲(chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述摻氨燃燒單元的氨氣供給。

10、在其中一些實(shí)施方式中，所述氨合成反應(yīng)裝置的工作溫度為400℃~500℃，工作壓力為15mpa~30mpa，氫氣和氮?dú)獾捏w積比為（3~3.2）:1，氨選擇率為95%~98%。

11、在其中一些實(shí)施方式中，所述煙氣碳捕集單元包括依次連接的吸收塔、再生塔和二氧化碳儲(chǔ)罐；所述吸收塔與所述鍋爐相連接；所述鍋爐排放的煙氣經(jīng)過(guò)所述吸收塔和所述再生塔進(jìn)行二氧化碳捕集；所述二氧化碳儲(chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述甲醇合成單元的二氧化碳供給；所述吸收塔與所述再生塔之間通過(guò)貧富液循環(huán)系統(tǒng)相連接，所述貧富液循環(huán)系統(tǒng)中容納有二氧化碳吸收劑；所述煙氣碳捕集單元還包括水洗設(shè)備，所述水洗設(shè)備連接于所述吸收塔。

12、在其中一些實(shí)施方式中，所述甲醇合成單元包括依次連接的甲醇合成反應(yīng)裝置和甲醇儲(chǔ)罐，所述甲醇合成反應(yīng)裝置連接于所述氫氣儲(chǔ)罐和所述二氧化碳儲(chǔ)罐，所述甲醇合成反應(yīng)裝置利用氫氣和二氧化碳合成甲醇；所述甲醇儲(chǔ)罐用于儲(chǔ)存甲醇。

13、在其中一些實(shí)施方式中，所述甲醇合成反應(yīng)裝置的工作溫度為220℃~250℃，工作壓力為6mpa~8mpa，氫氣和二氧化碳的體積比為（3~5）:1，甲醇選擇率為90%~98%。

14、上述風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)中，風(fēng)光火儲(chǔ)一體化協(xié)同運(yùn)行，結(jié)合制氫、制氨和制醇工藝，有助于調(diào)峰調(diào)頻調(diào)壓，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。利用風(fēng)光等可再生能源發(fā)電與電解水制氫相結(jié)合，可以生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本的綠色氫氣，消納過(guò)剩風(fēng)光資源，減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象?；旌现茪浼夹g(shù)可以有效解決風(fēng)光的間歇性、波動(dòng)性與制氫設(shè)備之間的耦合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)柔性制氫，提高風(fēng)光電消納的效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。電解水產(chǎn)生的氫氣可以和從空氣分離出的氮?dú)庀嘟Y(jié)合生產(chǎn)氨氣，供給火電機(jī)組進(jìn)行摻氨燃燒，實(shí)現(xiàn)就地消納，解決了氫氣消納難題。電解水產(chǎn)生的氫氣可以和從火電機(jī)組排放煙氣中捕集的二氧化碳相結(jié)合生產(chǎn)高附加價(jià)值的甲醇，為電廠捕集的二氧化碳下游利用提供方向，實(shí)現(xiàn)碳減排與二氧化碳資源化利用。電解水和空氣分離產(chǎn)生的氧氣，可為火電機(jī)組富氧燃燒提供經(jīng)濟(jì)的氧氣來(lái)源，同時(shí)提高機(jī)組的運(yùn)行靈活性，增強(qiáng)調(diào)峰能力。

技術(shù)特征：

1.一種風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，包括：風(fēng)光發(fā)電單元、火力發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、混合制氫單元、空氣分離單元、氨氣合成單元、煙氣碳捕集單元、甲醇合成單元、富氧燃燒單元和摻氨燃燒單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)光發(fā)電單元包括光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)；所述火力發(fā)電單元包括鍋爐；所述儲(chǔ)能單元包括儲(chǔ)能裝置；所述混合制氫單元包括電源控制裝置；所述光伏陣列和所述電源控制裝置相連接，所述光伏陣列用于為所述混合制氫單元提供電能；所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)整流器后和所述電源控制裝置相連接，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于為所述混合制氫單元提供電能；所述光伏陣列、所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)和所述鍋爐均與所述儲(chǔ)能裝置相連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述混合制氫單元還包括堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、氧氣壓縮機(jī)、氫氣壓縮機(jī)、氧氣儲(chǔ)罐和氫氣儲(chǔ)罐；所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽均連接于所述電源控制裝置，所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽用于負(fù)載不同波動(dòng)特征的風(fēng)光電負(fù)荷制取氫氣；所述電源控制裝置用于將風(fēng)光電負(fù)荷分配于所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機(jī)和所述氫氣壓縮機(jī)均同時(shí)連接于所述堿性電解槽和所述質(zhì)子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機(jī)用于將氧氣升壓到儲(chǔ)存壓力，所述氫氣壓縮機(jī)用于將氫氣升壓到反應(yīng)工段所需的壓力；所述氧氣儲(chǔ)罐連接于所述氧氣壓縮機(jī)，所述氧氣儲(chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述富氧燃燒單元的氧氣供給；所述氫氣儲(chǔ)罐連接于所述氫氣壓縮機(jī)，所述氫氣儲(chǔ)罐用于分配調(diào)節(jié)所述氨氣合成單元和所述甲醇合成單元的氫氣供給。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述堿性電解槽的制氫直流能耗為4.0kwh/nm3~4.3kwh/nm3，電流密度為6000a/m2~7000a/m2，小室電壓為1.8v~2.0v，氫氣純度≥99.7%；

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣分離單元包括依次連接的空氣分離裝置、氮?dú)鈮嚎s機(jī)和氮?dú)鈨?chǔ)罐；所述空氣分離裝置與所述氧氣儲(chǔ)罐連接，所述空氣分離裝置以空氣為原料制取氮?dú)夂脱鯕?；所述氮?dú)鈮嚎s機(jī)用于將氮?dú)馍龎旱椒磻?yīng)工段所需的壓力；所述氮?dú)鈨?chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述氨氣合成單元的氮?dú)夤┙o。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述氨氣合成單元包括依次連接的氨合成反應(yīng)裝置、氨氣壓縮機(jī)和氨氣儲(chǔ)罐；所述氨合成反應(yīng)裝置連接于所述氫氣儲(chǔ)罐和所述氮?dú)鈨?chǔ)罐，所述氨合成反應(yīng)裝置利用氫氣和氮?dú)夂铣砂?；所述氨氣壓縮機(jī)用于將氨氣液化；所述氨氣儲(chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述摻氨燃燒單元的氨氣供給。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述氨合成反應(yīng)裝置的工作溫度為400℃~500℃，工作壓力為15mpa~30mpa，氫氣和氮?dú)獾捏w積比為（3~3.2）:1，氨選擇率為95%~98%。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述煙氣碳捕集單元包括依次連接的吸收塔、再生塔和二氧化碳儲(chǔ)罐；所述吸收塔與所述鍋爐相連接；所述鍋爐排放的煙氣經(jīng)過(guò)所述吸收塔和所述再生塔進(jìn)行二氧化碳捕集；所述二氧化碳儲(chǔ)罐用于調(diào)節(jié)所述甲醇合成單元的二氧化碳供給；所述吸收塔與所述再生塔之間通過(guò)貧富液循環(huán)系統(tǒng)相連接，所述貧富液循環(huán)系統(tǒng)中容納有二氧化碳吸收劑；所述煙氣碳捕集單元還包括水洗設(shè)備，所述水洗設(shè)備連接于所述吸收塔。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述甲醇合成單元包括依次連接的甲醇合成反應(yīng)裝置和甲醇儲(chǔ)罐，所述甲醇合成反應(yīng)裝置連接于所述氫氣儲(chǔ)罐和所述二氧化碳儲(chǔ)罐，所述甲醇合成反應(yīng)裝置利用氫氣和二氧化碳合成甲醇；所述甲醇儲(chǔ)罐用于儲(chǔ)存甲醇。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述甲醇合成反應(yīng)裝置的工作溫度為220℃~250℃，工作壓力為6mpa~8mpa，氫氣和二氧化碳的體積比為（3~5）:1，甲醇選擇率為90%~98%。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及一種風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，包括：風(fēng)光發(fā)電單元、火力發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、混合制氫單元、空氣分離單元、氨氣合成單元、煙氣碳捕集單元、甲醇合成單元、富氧燃燒單元和摻氨燃燒單元。上述風(fēng)光火儲(chǔ)耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)中，風(fēng)光火儲(chǔ)一體化協(xié)同運(yùn)行，結(jié)合制氫、制氨和制醇工藝，有助于調(diào)峰調(diào)頻調(diào)壓，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。利用風(fēng)光等可再生能源發(fā)電與電解水制氫相結(jié)合，可以生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本的綠色氫氣，消納過(guò)剩風(fēng)光資源，減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。混合制氫技術(shù)可以有效解決風(fēng)光的間歇性、波動(dòng)性與制氫設(shè)備之間的耦合問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)柔性制氫，提高風(fēng)光電消納的效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：姚嶠鵬,趙耀洪,廖漢東,王君,郭英倫,張沖,陳偉澤,林浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東新型儲(chǔ)能?chē)?guó)家研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19