2024綠氫電力系統(tǒng)的形態(tài)演進(jìn)報(bào)告-清華大學(xué)（林今）

綠氫電力系統(tǒng)的形態(tài)演進(jìn)清華大學(xué)電機(jī)系長(zhǎng)聘副教授/博士生導(dǎo)師清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院智慧氫能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任2024年8月目目◆離網(wǎng)型綠氫電力系統(tǒng)lsolatedGreenHydrogenPowerSystem◆氫儲(chǔ)能電力系統(tǒng)HydrogenEnergyStoragePowerSystem◆耦合綠氫供應(yīng)鏈的電力系統(tǒng)PowerSystemwithHydrogen2綠氫過(guò)去式：小標(biāo)方時(shí)代定子冷卻水循環(huán)water氫氣冷卻器HydrogenCooler定子冷卻水循環(huán)Statorcoolingwatercircula水氫氫冷發(fā)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)示意圖water-hydrogen-cooledgenerator31綠氫過(guò)去式：小標(biāo)方時(shí)代電力系統(tǒng)Ab+a電解槽b晶閘管雙反星型整流器，以提高輸出電流RonRon電阻損耗占比10.1%電壓損耗占比89.9%5標(biāo)方/h電解系統(tǒng)輸出電壓低，電壓損耗占比高Largescaleapplicationofhydrogenproductionbyelectrolysis:polycrystallinesiliconproductionbasedonmodifiedH馨分餾塔分餾塔廢料冷凝器冷凝器分餾塔分離柱分餾塔分離柱應(yīng)HH使用氫氣在高溫下將純化的SiCl?還原成高純度的多晶硅48對(duì)棒還原爐氫氣進(jìn)料量約500標(biāo)方/小時(shí)48對(duì)棒還原爐氫氣進(jìn)料量約500標(biāo)方/小時(shí)2綠氫過(guò)去式：大標(biāo)方時(shí)代>10kV電壓等級(jí)供電，多采用晶閘管多脈波(12/24/48)整流電源百標(biāo)方-千標(biāo)方/h電制氫系統(tǒng)(兆瓦級(jí))大工大個(gè)大工大個(gè)2綠氫過(guò)去式：大標(biāo)方時(shí)代晶閘管整流器電流總諧波畸變THDof功率因數(shù)直流電流紋波系數(shù)直流電壓紋波系數(shù)6脈波12脈波24脈波0.1%使用堿性電解槽模型，負(fù)載為80%額定值，5MW交流側(cè)均未加無(wú)功補(bǔ)償和有載調(diào)壓裝置72綠氫過(guò)去式：大標(biāo)方時(shí)代2出本本去困杏Q暖困883綠氫現(xiàn)在式：一次系統(tǒng)內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)光制氫一體化示范項(xiàng)目實(shí)施細(xì)則(2022年版)第十一條水范項(xiàng)和亂能應(yīng)用項(xiàng)由溫事能源主管部門(mén)實(shí)施一體化備滾，米范項(xiàng)作為整體酸受電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，統(tǒng)一經(jīng)管。過(guò)年總發(fā)電量的20%.上網(wǎng)部分占用盟市保障性消納空間。原則93風(fēng)光發(fā)電基地風(fēng)光氫一體化電制氫場(chǎng)站保困困困困MW級(jí)電制氫系統(tǒng)一拖二拓?fù)鋮^(qū)域配電網(wǎng)甘QM0.4kV.一拖四拓?fù)涓邏弘姍C(jī)(用于氨壓縮機(jī))低壓電機(jī)(用于制氫泵組)3尺變壓器并聯(lián)Buck|變換器換器變壓器尺變壓器并聯(lián)Buck|變換器換器變壓器換器二極管多脈波+并聯(lián)DCDC整流制氫電源Parallelvoltages-網(wǎng)側(cè)需額外補(bǔ)償設(shè)備低低低中較高高需濾波設(shè)備高高中可控=低高中高快較高中可控=1低高中高快3綠氫現(xiàn)在式：一次系統(tǒng)>基于IGBT的制氫電源低負(fù)載運(yùn)行時(shí)紋波低，有利于提升制氫效率和氣體純度時(shí)間/毫秒負(fù)荷綠氫現(xiàn)在式：二次系統(tǒng)綠氫電力系統(tǒng)涉及的上下游邊界復(fù)雜風(fēng)機(jī)A年電網(wǎng)=電解槽AH20%總上網(wǎng)，10%總下網(wǎng)上網(wǎng)功率不超過(guò)40%月度/季度均不超過(guò)30%正向爬坡速率反向爬坡速率其他約束20%-100%1網(wǎng)5%-150%1%30%-100%15/20%-100%團(tuán)爬坡不超過(guò)1%p.u./min調(diào)節(jié)范圍30%(20%)-21Yu.Z,Lin,J.etal(2023.OpimalsimgandpiPowerSystems,39(2),3631-3綠氫現(xiàn)在式：二次系統(tǒng)功率因數(shù)無(wú)功補(bǔ)償費(fèi)用(萬(wàn)元)月均力調(diào)電費(fèi)(萬(wàn)元)月電費(fèi)增0500無(wú)功補(bǔ)償費(fèi)用按0.006萬(wàn)元/kVar計(jì)算，電費(fèi)按0.5元/度估計(jì)2314(b123d)(d)早-①(e)y-②(1)r③d)(d)早-①(e)y-②(1)r③電能質(zhì)量約束下的系統(tǒng)可行域3LJ.Yang.B,Lim,JLm,F,amu,Y,xu,Y,…&Song,Y.(2024).TWwolayerenergymanacemenst風(fēng)光發(fā)電基地電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能離網(wǎng)風(fēng)光氫電制氫場(chǎng)站懷QM鋰電池和氫燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)fuelBatteryenergystoragesystem大規(guī)模電制氫負(fù)荷高壓電機(jī)(用于氨壓縮機(jī))低壓電機(jī)(用于制氫泵組)綠氫將來(lái)式：離網(wǎng)型綠氫電力系統(tǒng)國(guó)請(qǐng)幕大學(xué)不同的一次電(風(fēng)光)的結(jié)構(gòu)，二次電(電化學(xué)儲(chǔ)能)與三次電(氫儲(chǔ)能)的配比不同裝機(jī)Capacity鋰電池Li-battery供電比例Ratio小時(shí)數(shù)Hours風(fēng)電直供鋰電池供電PEMFC供電風(fēng)電利用小時(shí)數(shù)高，一次電直供比例大，二次電和三次電分別承擔(dān)短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)調(diào)節(jié)，容量上表現(xiàn)為"大氫小電"裝機(jī)Capacity鋰電池Li-battery供電比例Ratio小時(shí)數(shù)Hours光伏直供鋰電池供電PEMFC供電光伏利用小時(shí)數(shù)低，一次電直供比例小，需要頻繁的充放電，該場(chǎng)景下二次電優(yōu)于三次電，容量上表現(xiàn)為“小氫大電”primarypowerandfreque綠氫將來(lái)式：氫儲(chǔ)能電力系統(tǒng)清茅大學(xué)動(dòng)力電源的離網(wǎng)可以進(jìn)一步擴(kuò)大到更大型的電力系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)中心，負(fù)荷基本是平的；隨著減碳要求的逐漸深入，深度減碳場(chǎng)景下需要四次電(氨儲(chǔ)能)LCOE(元/KWh)階段一LCOE(元/KWh)階段一風(fēng)電+網(wǎng)電網(wǎng)電售價(jià)碳減排目標(biāo)(%)Decarbonization電池儲(chǔ)能應(yīng)氫儲(chǔ)能階段二風(fēng)電+網(wǎng)電+電池階段三風(fēng)電+網(wǎng)+氫儲(chǔ)能僅電池儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能+氫儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能+氫儲(chǔ)能+氨儲(chǔ)能風(fēng)電+電池+氫氨儲(chǔ)能+少量網(wǎng)電梯級(jí)雞尾酒儲(chǔ)能6|ChiY,Lin,J,eta.(2024).>數(shù)據(jù)中心降低成本的訣竅是復(fù)用好冗余的發(fā)電資產(chǎn)，氫儲(chǔ)能作為備用發(fā)電機(jī)組，通過(guò)集中開(kāi)發(fā)維護(hù)，實(shí)現(xiàn)共享互濟(jì)，相應(yīng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要從交流向交直流混合甚至純直流進(jìn)一步調(diào)整區(qū)外綠電區(qū)外綠電區(qū)外綠電AC/DCAC/AC/DCAC/DCAC/DC長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能價(jià)格非線性，集中開(kāi)發(fā)具有規(guī)模效應(yīng)綠氫將來(lái)式：耦合綠氫供應(yīng)鏈的電力系統(tǒng)清茅大學(xué)四次電的存儲(chǔ)成本極低(儲(chǔ)氨大約1元/kWh,僅為二次電的1/1000),通過(guò)復(fù)用發(fā)電資產(chǎn)，如火電摻氨，可降低電網(wǎng)減碳成本(2024—2027年)替代部分燃煤。改造建設(shè)后煤電機(jī)組應(yīng)具備造燒10%以上綠(2024—2027年)替代部分燃煤。改造建設(shè)后煤電機(jī)組應(yīng)具備造燒10%以上綠氨儲(chǔ)能氫儲(chǔ)能Storage電化學(xué)儲(chǔ)能存儲(chǔ)造價(jià)0.15-0.2發(fā)電造價(jià)0.1-0.3充電造價(jià)綠氫將來(lái)式：耦合綠氫供應(yīng)鏈的電力系統(tǒng)請(qǐng)草大學(xué)綠氨供應(yīng)鏈有外鏈和內(nèi)鏈之分，外鏈主要通過(guò)三北走渤海灣后運(yùn)輸?shù)綎|部沿海，內(nèi)鏈主要通過(guò)海上風(fēng)電，成本(元/噸氨)成本(元/噸氨)chains風(fēng)電制氫環(huán)節(jié)氫氨轉(zhuǎn)換航運(yùn)港口存儲(chǔ)、吊裝內(nèi)鏈供應(yīng)陸地>外鏈供應(yīng)風(fēng)電航運(yùn)海上制氫氨就地制氫氨航運(yùn)氫在電力系統(tǒng)中的集成經(jīng)歷了由小規(guī)模到大規(guī)模的發(fā)展隨著可再生能源的發(fā)展和制氫裝置的大型化，制氫電源形成專業(yè)化的細(xì)分行業(yè)Withthedevelopmentofrenewableenergyandthescalingupofelectrolysissyste