基于水下儲氫的抽水蓄能電站與電解制氫耦合儲能系統(tǒng)構想及分析
蔣迎偉, 萬金明
（中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）
DOI：10.20121/j.2097-2784.ntps.230035
1.研究背景
隨著波動性可再生能源大規(guī)模接入，對電力系統(tǒng)電力電量平衡、跨區(qū)域大范圍優(yōu)化調度、電能長時間跨季節(jié)存儲、電能質量保障提出了更高要求。儲能技術是平衡能源供需關系、實現(xiàn)可再生能源高水平消納和區(qū)域能源優(yōu)化、提高電力系統(tǒng)高效性、穩(wěn)定性、經濟性和靈活性的關鍵技術，在新型電力系統(tǒng)建設進程中發(fā)揮著重要作用。其中，抽水蓄能是成熟的儲能方式，是電力系統(tǒng)重要的調節(jié)資源。抽水蓄能電站具有響應速度快、可靠性高等特點，主要承擔調峰調頻、系統(tǒng)備用、黑啟動等調節(jié)功能，在保障大電網安全、促進新能源消納等方面發(fā)揮重要作用。近幾年，抽水蓄能電站在我國得到了快速發(fā)展，但抽水蓄能電站建設依賴地理條件，建成后擴容困難，死庫容水量無法充分利用。因此，迫切需要進一步挖掘抽水蓄能電站調節(jié)潛力，滿足電力系統(tǒng)日益增長的靈活性調節(jié)需求。
氫能作為一種二次能源，具有清潔低碳、可長期存儲、靈活高效等特點，既可發(fā)揮能源屬性作為儲能介質參與電力系統(tǒng)調節(jié)，也可發(fā)揮原料屬性應用于工業(yè)領域獲得產品收益。氫能在新型電力系統(tǒng)中應用將發(fā)揮重要作用，利用電制氫可有效提升可再生能源消納水平；氫儲能具有容量大、時間長、無污染等優(yōu)點，在跨季節(jié)長周期儲能場景中具有競爭力；先進電解水制氫裝備對輸入功率具備秒級響應能力，為電網提供調峰等輔助服務，提高電力系統(tǒng)的安全性、可靠性、靈活性。需要探索抽水蓄能電站與電解制氫耦合方式，實現(xiàn)二者優(yōu)勢互補。
2.研究意義
將抽水蓄能電站與電解制氫耦合，提升系統(tǒng)的可再生能源消納能力、電力系統(tǒng)調節(jié)能力、經濟效益，突破抽水蓄能電站發(fā)展瓶頸，推動氫能與新型電力系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。本系統(tǒng)利用水輪機抽水與電解槽制氫聯(lián)合消納可再生能源，采用水下儲氫氣囊儲存氫氣，通過水輪機與氫燃料電池發(fā)電，支撐電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。在提升抽水蓄能電站性能方面，通過電解槽制氫補充消納富余可再生能源，依靠水下儲氫充分利用死庫容空間，利用氫燃料電池發(fā)電輔助參與電力系統(tǒng)調節(jié)，售氫增加系統(tǒng)經濟效益。在保障電解制氫安全經濟運行方面，通過水下儲氫提升系統(tǒng)公共安全水平，依靠庫底已有水壓可降低儲氫材料強度需求，儲氫成本下降從而經濟性提升。
3.系統(tǒng)構想及設計
本系統(tǒng)以就近消納可再生能源為主要目的，包含抽水蓄能電站及電制氫儲能兩個子系統(tǒng)，抽水蓄能電站子系統(tǒng)通過可逆式水輪機組實現(xiàn)電能儲存與釋放；電制氫儲能通過質子交換膜（PEM）電解槽將富余可再生能源電力轉化為氫氣，并將氫氣儲存在上水庫死庫容中的由復合材料制成的儲氫氣囊中；氫氣可用于氫燃料電池發(fā)電，也可直接銷售。
本系統(tǒng)運行模式所包含9種運行工況：
1）可再生能源出力低，電解槽制氫：當電力系統(tǒng)內過?？稍偕茉床蛔阋詥映樗钅茈娬舅啓C組抽水，但大于PEM電解槽單槽最低運行功率時，抽水蓄能電站不啟動，利用運行控制系統(tǒng)精細化控制多臺電解槽消納可再生能源。
2）水庫上游水量不足，電解槽制氫：當水庫上游來水不足，出現(xiàn)無水少水現(xiàn)象時，抽水蓄能電站無法抽水，PEM電解槽啟動制氫，代替抽水蓄能電站消納可再生能源。
3）抽水蓄能電站抽水：當過剩可再生能源電力介于抽水蓄能電站最小啟動功率及額定容量之間時，抽水蓄能電站抽水儲能。電制氫系統(tǒng)處于停機備用狀態(tài)，可將氫氣銷售使氣囊體積由最大膨脹狀態(tài)Vs,max減小至折疊狀態(tài)Vs,min，提升上水庫蓄水容量。
4）抽水蓄能電站抽水，電解槽制氫：當電力系統(tǒng)需要抽水蓄能電站抽水來消納過?？稍偕茉措娏?，且過剩電力大于抽水蓄能電站額定容量時，抽水蓄能電站滿負荷運行，同時利用電解水制氫將抽水蓄能電站無法消納的剩余可再生能源電力轉化為氫氣并就地銷售。
5）調節(jié)需求低，氫燃料電池發(fā)電：當電力系統(tǒng)調峰需求低于抽水蓄能電站水輪機組發(fā)電功率，但滿足氫燃料電池單機最低運行功率時，抽水蓄能電站不啟動，氫燃料電池發(fā)電。
6）水庫水量不足，氫燃料電池發(fā)電：當水庫內水量不足，抽水蓄能電站無法啟動，但電力系統(tǒng)調峰需求依然存在時，氫燃料電池發(fā)電。
7）抽水蓄能電站發(fā)電，電解槽制氫：當電力系統(tǒng)調峰需求小于等于抽水蓄能電站額定發(fā)電容量時，抽水蓄能電站發(fā)電。同時電解槽制氫，儲氫氣囊由于充氫體積膨脹，產生從氣囊折疊狀態(tài)Vs,min到最大膨脹狀態(tài)Vs,max的體積差△Vs，抬升上水庫水頭，死庫容中原本難以利用的剩余水量得到充分利用。
8）抽水蓄能電站與氫燃料電池聯(lián)合發(fā)電：當電力系統(tǒng)調峰需求大于抽水蓄能電站額定發(fā)電容量時，抽水蓄能電站達到滿發(fā)狀態(tài)，氫燃料電池與水輪機組聯(lián)合發(fā)電。
9）可再生能源與抽水蓄能電站供給電解槽制氫：當可再生能源出力與抽水蓄能電站調節(jié)裕度滿足電解槽制氫時，電解槽制氫，此工況通過售氫獲得收益。
4.系統(tǒng)運行及效益評估方法
論文結合水力發(fā)電裝備的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析了其在新型電力系統(tǒng)背景下面臨的挑戰(zhàn)；圍繞高海拔環(huán)境下沖擊式機組、適應水風光互補的超寬負荷穩(wěn)定運行水電機組、大型變速、超大水頭變幅和海水等抽水蓄能機組和水電機組數字孿生智能運維系統(tǒng)開發(fā)等四個方面總結分析了水力發(fā)電裝備的發(fā)展趨勢、待解決關鍵問題及研究路徑。
1）可再生能源消納能力
以現(xiàn)階段電解制氫的電氫轉換效率約71%計算，本系統(tǒng)額定氫氣容量為10000Nm3，則本系統(tǒng)可消納的可再生能源電量約為50000kWh。
2）系統(tǒng)調節(jié)能力
以水輪機組轉換效率80%計算，忽略滯留氫氣，氣囊由最小體積充分調節(jié)至最大體積，抬高水體產生等效發(fā)電量約為450kWh。氫發(fā)電的效率約為60%，1Nm3氫氣完全燃燒產生的熱量約為12.6×106J，本系統(tǒng)氫氣發(fā)電量最大值約為17500 kWh。
3）系統(tǒng)經濟效益
經計算，系統(tǒng)建設成本約6.91億元，年運維成本約2.28億元，制氫平準化單位成本約為32元/kg。若該系統(tǒng)通過售氫獲利，假設售氫價格約35元/kg，本系統(tǒng)售氫附加收益約為2679元。若該系統(tǒng)通過燃料電池發(fā)電參與電力系統(tǒng)調峰輔助服務獲利，假設輔助服務收益為0.5元/kWh，則本系統(tǒng)附加收益約為8750元。
4）安全性
水下氣囊儲氫方式的特點在于，當氫氣泄漏時，氫氣與水接觸形成氣泡，氫氣不與空氣中氧氣直接接觸，不易爆炸。抽水蓄能電站對水庫地質條件要求較高，盡量選擇遠離地震帶且穩(wěn)定性較好的區(qū)域，水下環(huán)境復雜程度較低、水文情況更為穩(wěn)定，外界因素帶來的儲氫安全性影響因素較少。抽水蓄能電站選址多為人口密度低的區(qū)域，在此區(qū)域開展制氫、儲氫等工作，能夠減少人員與氫氣的接觸，最大限度的減少因氫氣爆炸造成的人員傷亡及公共財產損失，保障系統(tǒng)公共安全。
5.結論
本文首先結合國內外抽水蓄能改造及水下儲氫技術特點，提出了一種抽水蓄能電站與電解制氫耦合儲能系統(tǒng)，將傳統(tǒng)抽水蓄能電站與PEM電解制氫、氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)相結合，利用水下儲氫氣囊膨脹收縮特性調節(jié)上水庫水頭，實現(xiàn)死庫容利用率的提升；然后設計了系統(tǒng)結構及運行模式，評估了相應電制氫、氫發(fā)電、儲氫系統(tǒng)對傳統(tǒng)抽水蓄能電站在消納能力、調節(jié)能力、經濟效益等方面的提升效果，并給出相應評估方法；最后對抽水蓄能電站與電解制氫耦合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢與應用進行了總結與展望，為氫能與新型電力系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供參考。
抽水蓄能電站與電解制氫耦合，可大大提高已有抽蓄電站對可再生能源發(fā)電的消納能力，豐富對電力系統(tǒng)的調節(jié)手段，同時安全經濟的實現(xiàn)氫氣儲存，產生一舉多得的作用，更好支撐電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在未來構建新型電力系統(tǒng)過程中具有一定應用前景。
