新型氢氧分级燃烧循环储能系统

明珈辉，吴伟亮

新型氢氧分级燃烧循环储能系统

明珈辉，吴伟亮

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

针对可再生能源并网发电存在波动性的问题，基于对电解水和简单氢氧循环构成的储能系统效率受限原因分析，提出了一种结合电解高压水和高温高压涡轮热力循环技术的新型储能系统构架。该系统通过高压水电解技术，将可再生能源在用电低谷期发出的电能转化为氢气、氧气的化学能和压力能储存；在电网用电高峰期，将高压氢气和氧气通入燃烧室进行分级燃烧，生成的蒸汽进入涡轮膨胀做功，所发电力补充回电网。分析计算表明，改进的新型储能系统能量转换效率比简单氢氧循环构成的储能系统效率提升约6%，效率增幅超过15%。

可再生能源；储能；电解水；氢气；热力循环；分级燃烧；效率

面对传统化石燃料带来的能源危机和环境污染问题，开发清洁可再生能源已成为全球共识[1-2]。近年来，以风能、太阳能为代表的可再生能源发电技术发展迅速[3]，然而由于风力变化、昼夜交替等因素影响，可再生能源电站的电力输出存在较大的间歇性波动，这种波动不仅难以满足大型工业和现代化城市的发展需求，也会对电网的安全运行构成威胁[4]。储能系统可以将可再生能源的富余发电以一定方式储存，并在需要时提取使用，起到平滑波动、削峰填谷的作用，是发展可再生能源发电的必要辅助系统[5]。

在目前的储能系统中，抽水蓄能是应用最广泛的技术之一。作为一种物理储能技术，抽水蓄能电站将电网低负荷时多余的电能转化为水的势能并储存，在高负荷时将水的势能转化为电能，具有技术成熟、污染小、效率高、容量大、储能周期长等优点。聂金峰[6]建立了抽水蓄能与火电机组联合运行模型，并对模型进行优化，提高了电力系统运行的经济性。但是抽水蓄能系统对地理环境的要求高，选址困难，且初期投资巨大，建设周期长[7]。电化学储能是另一种应用较广泛储能技术，它通过可逆的化学反应，以电池的形式来储存或释放电能，其特点是能量密度大、转换效率高、建设周期短、选址不受限制[8]。李建林等[9]提出了基于区间层次分析法的电化学储能方案，针对不同工况下的需求，选取合适的电池系统和储能方案，可用于发电量10MW的光伏电站中。然而，电化学储能由于容量小，发电功率有限，同时在电池的制造、使用过程中会对环境造成潜在压力，目前难以在大型电站中应用。相比以上2种储能技术，氢作为一种二次能源，具有能量密度高、产物无污染、可再生等优点，受到国内外学者的广泛关注，可用作新型储能系统的优良载体。

氢储能技术主要由制氢技术、储氢技术和氢能利用技术三部分组成。其中，制氢技术主要采用电解水方式，包括碱性电解、固体聚合物电解、固体氧化物电解等，电解制氢效率一般在40%～60%[10]。储氢技术主要采用高压气态储存的方式，将电解产生的氢气加压储存在特定罐体中。对于氢能利用技术，近年来燃料电池发电技术发展迅速，以其污染小、装置灵活、效率高等优点，引起广泛关注。目前美、日、德等国家对氢燃料电池的研究已进入商业应用阶段[11]。与氢燃料电池发电技术相比，氢氧热力循环发电技术凭借系统容量大、结构简单、技术成熟等特点，可用于大规模可再生能源电站中。Ebaid、Hammad等人[12]设计了光伏-氢能混合电网系统，该系统由太阳能光伏组件、电解水组件和燃氢燃气轮机组成，输出功率达100 MW，具有一定的经济性和可持续性。2018年1月，日本在神户建成世界首个氢能市政供电设施，实现了氢氧热力循环发电的商业化[13]。然而，传统的基于简单氢氧热力循环的储能系统存在能量转换效率低的问题，需做进一步的改进。

本文分析了传统的利用电解水技术、储氢技术和氢氧热力循环发电技术的储能系统中影响储能效率的主要因素，提出了在制氢和氢能利用阶段分别采用电解高压水和氢氧分级燃烧技术的改进措施，并对新构建的储能系统性能进行理论计算和性能分析。

1 简单氢氧热力循环的储能系统

1.1 基本结构

图1为简单氢氧热力循环储能系统结构。储能系统由电解水系统、氢氧储存系统和氢氧热力循环系统3部分组成。系统的整体工作方式为：通过电解水系统生成氢气和氧气，将可再生能源产生的富余电能转化为氢气和氧气的化学能并加以储存。当电网需要电力补充时，将储存的氢气和氧气通入氢氧热力循环系统，将氢能转化为稳定的电能输出。

图1 简单氢氧热力循环的储能系统结构

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

作为氢能在传统涡轮热力循环中的应用，国内外主要采用简单氢氧循环方式[14-15]，如图2所示。该循环将压缩储存的氢气、氧气等当量通入燃烧室燃烧，产生高温高压水蒸气，经过必要的冷却后推动涡轮做功，带动发电机发电。从涡轮出来的水蒸气经冷凝器冷却后，一部分通入燃烧室对热蒸汽进行冷却，另一部分经过一定处理返回电解池再利用。简单氢氧循环可以看作以氢气、氧气为燃料体系，将燃气轮机与蒸汽轮机技术串联结合成的热力循环系统。

图2 简单氢氧循环系统

1.2 性能计算

根据热力学计算，简单氢氧循环系统中压气机耗功为

进入该循环系统的热量由氢氧燃烧提供，

式中，LHV为氢气的低位热值，kJ/kg。

由于氢气的热值高，为了防止涡轮过热损坏，必须加入一定量的冷却水对燃烧产物进行降温。

冷却水量的计算式为

系统的涡轮做功为

忽略给水泵对水的压缩耗功，简单氢氧热力循环系统的效率为

式中，涡轮做功T与压气机耗功C的差表示循环系统输出的有用功。

整个储能系统的能量转换效率可表示为

式中：e为水电解制氢效率，本文取40%~60%；m和g分别为机械效率和发电机效率，通常可 达99%。

储能系统的运行参数设定见表1，图3给出了涡轮进口压力为5MPa、进口温度为1 273~1 673K时储能系统的整体效率随电解效率和氢氧循环中燃烧室温度的关系。由图3可见，当电解水效率或氢氧燃烧室的温度增加时，储能系统的能量转换效率提高。但是，即使当水的电解制氢效率高达60%且氢氧燃烧室处于极限温度1 673 K的条件下，储能系统的能量转换效率仅为33.4%。通过分析可知，制约传统储能系统能量转换效率的因素是冷却水会对热蒸汽冷却过程产生一定㶲损失。在燃烧室温度为1 673 K时，计算得到冷却㶲损失占系统总损失的54.5%，冷却㶲损失导致系统整体循环效率偏低[16-17]。此外，计算表明压气机对氢气与氧气的压缩耗功约占涡轮做功的20%，大幅影响了循环系统输出有用功，也使循环效率偏低。基于此，本文提出采用高压电解技术与氢氧分级燃烧技术提高能量转换效率的新型储能系统构架。

表1 储能系统运行参数

Tab.1 Operation parameters of the energy storage system

图3 基于简单氢氧循环的储能系统能量转换效率

2 新型电解高压水与氢氧分级燃烧循环储能系统

2.1 新型储能系统优化结构

李俊荣等[18]对高压质子交换膜水电解（PEM）技术进行研究，产生的氢气与氧气压力可达5 MPa，且电解压力的提高对制氢效率的影响不大，能够满足实际应用需要。Sartory等人[19]将高压PEM的电解压力提高至15.5 MPa，直接产生相应压力的氢气。以电解高压水的方式产生氢气和氧气，用液态水增压过程取代压缩氢气与氧气过程，省去气体压缩功耗，有效提高储能系统的能量转换效率。然而，相比常压电解，PEM高压水电解产生的气体纯度会随电解压力的增加而降低，需要进行相应纯化处理，增加了工序和成本。

此外，针对简单氢氧循环系统部分冷却㶲损失过大的情况，本文拟采用分级燃烧代替简单氢氧循环的方式。徐鸿和荆汝林等[16]的研究成果表明，在特定工况下采用氢氧分级燃烧可使系统循环效率提升约4%。Stathopoulos及Sleem等人[20]对氢氧分级燃烧与燃煤锅炉联合循环系统进行了分析，结果表明该系统使循环效率和输出功率均有所提升。基于此，本文建立的氢氧分级燃烧循环如图4所示。与简单氢氧循环相比，该循环增加了多组燃烧室与涡轮。在该氢氧分级燃烧循环中，首先将部分氢气和氧气加入第1燃烧室，生成高温高压水蒸气，经第1级涡轮做功后通入第2燃烧室；在第2燃烧室中再加入一部分氢气和氧气燃烧，同时对前一级的水蒸气再热，使蒸汽温度达到与第1级相同的水平；再热后的蒸汽在第2级涡轮中膨胀做功，之后进入第3燃烧室，进行与前一级类似的燃烧、再热、做功过程。

图4 氢氧分级燃烧循环示意

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

与简单氢氧燃烧相比，氢氧分级燃烧过程会对前一级的水蒸气再热，既增加涡轮的输出功，同时也会使冷却燃烧室所需的冷却水量减少，从而降低循环㶲损失。整体上膨胀过程向等温膨胀过程靠拢，有利于提高热力循环效率。

2.2 新型储能系统性能计算

新型储能系统中氢氧热力循环的温度、压力等运行参数与表1基本一致。由于新型储能系统采用电解高压水方法，初始参数中电解压力由原储能系统的0.1 MPa变为2~5 MPa，同时在新型储能系统中省去原系统中压气机的压缩气体过程。

进入系统的热量为

式中，C1、C2、C3分别为3个燃烧室的氢气和氧气质量流量。

系统总输出功为：

由于高压电解技术回避了氢氧热力循环中的压缩气体功C，因此氢氧分级燃烧系统的循环效率直接表示为总输出功与进入系统热量之比

储能系统的整体能量转换效率仍用式(6)表示。

3 新型储能系统性能分析

在电解制氢效率为60%、电解压力为5 MPa时，新型储能系统与传统储能系统的氢氧热力循环效率对比和能量转换效率对比曲线如图5所示。由图5可见，氢氧燃烧室温度在1 273～1 673 K时，热力循环效率从简单氢氧循环时的44.1%~55.6%提高到采用分级燃烧循环的57.5%~65.5%，热力循环效率增加约10%，增幅约达20%。储能系统的能量转换效率也从26.5%~33.4%提高到33.2%~39.3%，能量转换效率增加约6%，增幅超过15%。

图5 氢氧分级燃烧与简单氢氧循环系统效率对比

与传统简单氢氧循环的储能系统相比，新型储能系统省去压缩耗功，使热力循环输出的有用功增加；而分级燃烧减少了燃烧热量的散失，使冷却㶲损失降低。在电解压力为5 MPa、氢氧燃烧室温度为1 673 K的工况下，新型储能系统在该工况下的输出有用功增加了10.4%，同时冷却㶲损失降低了8.7%，说明在实际生产应用过程中，高压电解技术和氢氧分级燃烧对储能系统的性能有明显提升。

图6表示电解压力为5 MPa、电解效率为40%~60%时，储能系统的能量转换效率随氢氧燃烧室温度变化曲线。由图6可见，随着电解水效率的增大，储能系统的能量转换效率明显提高。同时，能量转换效率也随氢氧燃烧室温度的提高而升高。对新型储能系统而言，电解制氢效率为60%，燃烧室温度从1 273 K增加至1 673 K时，系统的能量转换效率由33.1%增大至39.8%，提升超过6%。而受到涡轮叶片材料强度、冷却技术等条件制约，燃烧室温度不能过高。如果涡轮材料及冷却技术取得突破，燃烧室的出口温度会进一步提高，该储能系统转换效率将会更高。

图6 不同电解效率下能量转换效率与燃烧室温度关系曲线

图7给出了氢氧燃烧室温度在1 673 K时，40%~60%的电解效率下储能系统能量转换效率随电解压力的变化关系。

图7 不同电解效率下能量转换效率与电解压力关系曲线

由图7可见：随着电解压力的增加，储能系统能量转换效率有所提高。电解压力从2 MPa增加到5 MPa，能量转换效率提升约2%。虽然提升幅度不明显，但电解压力的提高还会使生成的氢气和氧气体积减小，有利于缩小储气罐体积。然而，受储气罐材料与罐体结构强度的限制，压力不宜过高。因此在强度允许的条件下，为提高储能系统的能量转换效率，应选取尽可能高的电解压力。

在经济性和环保性方面，该储能系统通过电解产生的氢气储存在高压罐体中，系统容量大，稳定性强；储能系统不受地域限制；以纯氢纯氧为燃料，燃烧产物为水蒸气，不会对环境造成污染，同时做功后的蒸汽经处理可以循环再利用，实现了水的可持续性利用。

4 结 论

1）在传统的电解水和简单氢氧循环储能系统中，压气机的气体压缩耗功和向氢氧燃烧室注入冷却水过程带来的㶲损失是影响储能系统效率提升的重要原因。

2）经过改进的新型储能系统采用电解高压水的方法生成氢气，省去气体压缩过程，有效减少了压缩耗功；而氢氧分级燃烧的方式降低了燃烧室冷却过程的㶲损失，进一步提高了氢氧热力循环的效率。在特定工况下，新型储能系统的整体能量转换效率可提升约6%，效率增幅超过15%。

3）在系统结构性能允许的条件下，增加氢氧燃烧室温度，或提高电解高压水系统的电解压力，均可进一步提升新型储能系统的能量转换效率。

［1］ 康重庆, 姚良忠. 高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架[J]. 电力系统自动化, 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, 段红霞. 中国可再生能源发展综合评价与结构优化研究[J]. 资源科学, 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, 李琼慧, 雷雪姣. 储能对大比例可再生能源接入电网的调频价值分析[J]. 中国电力, 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, 程时杰, 文劲宇. 储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析[J]. 电力系统自动化, 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］ 聂金峰. 抽水蓄能电站与火电厂联合优化运行分析[J]. 南方能源建设, 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］ 谭雅倩, 周学志, 徐玉杰, 等. 海水抽水蓄能技术发展现状及应用前景[J]. 储能科学与技术, 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, 马会萌, 田春光, 等. 基于区间层次分析法的电化学储能选型方案[J]. 高电压技术, 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］ 刘明义, 于波, 徐景明. 固体氧化物电解水制氢系统效率[J]. 清华大学学报(自然科学版), 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］ 薛洁琼. 石油经济要闻[J]. 国际石油经济, 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］ 蒋东方, 安康, 刘娟, 等. 储氢-氢氧联合循环储能系统的应用分析[J]. 陕西电力, 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］ 徐鸿, 荆汝林, 高丹, 等. 三种类型氢-氧联合循环系统热力性能的比较[J]. 动力工程, 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］ 李俊荣, 周抗寒, 王飞, 等. 高压质子交换膜水电解技术研究[J]. 载人航天, 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

明珈辉, 吴伟亮. 新型氢氧分级燃烧循环储能系统[J]. 热力发电, 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

明珈辉(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向为新型热力系统设计与分析，mingjiahui518@sjtu.edu.cn。

（责任编辑 杜亚勤）