電解水制氫儲能與Allam循環發電集成系統的熱力學特性分析

李喆,王可可,王順森,李博,顏曉江,王江峰

(西安交通大學葉輪機械研究所,710049,西安)

大力發展并最大程度利用太陽能、風能等可再生能源是實現碳達峰、碳中和目標的主要方向[1]。然而,由于風電和太陽能發電的間歇性和逆調峰特性,影響到電網的穩定性,導致棄風棄光現象非常突出[2]。為了解決這一問題,具有削峰填谷、保護電網安全功能的電儲能技術備受關注[3]。

蓄電池儲能是最簡單的電儲能方法[4],但存在成本高、規模小、安全性和環保性差等問題,還有待進一步完善[5]。抽水蓄能、壓縮空氣儲能是大規模電儲能的主要方式,但需要借助梯級水庫、廢棄鹽礦等地理條件,難以大量建設[6]。

電解水制氫儲能是利用電解水制氫技術將電網難以消納的風、光、電能轉化為化學能儲存起來,是解決棄風棄光問題的一個重要途徑[7]。目前,電解水制氫技術主要有堿性電解、質子交換膜電解、固體氧化物電解等[8],其中固體氧化物電解工作溫度(800～1 000℃)高,無需加入催化劑即可制取氫,在增加外部熱源時效率可接近100%,是一種極具發展潛力的制氫方式[9]。在此基礎上,利用電解產生的氫氣、氧氣在用電高峰時段進行發電,就可以實現電網的削峰填谷。與抽水蓄能、壓縮空氣儲能相比,化學儲能-發電具有儲能密度大、不依賴地理條件等優勢[10],具有重要的發展前景。

文獻[11]提出電解水制氫和以高溫蒸汽為工質的氫氧燃燒循環集成的儲能系統,電儲能效率可以達到49%～55%,已超過電解水制氫-燃料電池集成方案。文獻[12]提出了一種基于壓縮空氣和氫氣為能量載體的混合儲能系統,該系統通過利用氫氣甲烷反應熱與煙氣余熱加熱壓縮空氣,結果表明,混合儲能系統效率(38.15%)比獨立氫儲能系統高。

與上述系統中選擇的發電循環相比,由Allam等提出的以CO2為循環工質的富氧燃燒循環(Allam循環),在減少碳排放的同時[13-14]具有更高的發電效率。利用Allam循環與電解水制氫系統間的強互補性,本文提出了一種基于電解水制氫儲能與Allam循環發電的集成系統,利用電解水制取的氧氣代替空分供氧,儲氣過程的壓縮熱為回熱器提供熱量。該研究對發展新型大規模電儲能技術具有一定的借鑒意義。

1 系統描述

圖1展示了基于電解水制氫儲能與Allam循環發電的集成系統示意圖。系統儲能過程的工作原理為:固體氧化物電解槽(SOEC)利用電網難以消納的風、光、電能電解水制取氫氣和氧氣,經過三級壓縮、冷卻后,分別儲存在儲氫罐和儲氧罐中,同時將各間冷器、換熱器的熱能儲存到熱罐中。

1、5、6、16—氧氣流;2、3、4、7—氫氣流;01a、02a、01b、02b、01c、02c、01d、02d、01、02、03、04—熱水流;8、9、10—高溫高壓的水和二氧化碳混合流;11、12、13、14、15、18、19—二氧化碳流;17、20—氧氣與二氧化碳混合流。圖1 基于電解水制氫儲能與Allam循環發電的集成系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of an integrated system based on hydrogen storage from water electrolysis and Allam cycle power generation

釋能過程是指在用電高峰時段將化學能轉換為電能輸出到電網,工作原理為:儲氫罐中的氫氣(7)與被預熱的O2-CO2混合物(20)進入燃燒室燃燒(預熱前O2與部分CO2進行混合),CO2工質(19)用于調節燃燒溫度。燃燒后的高溫高壓氣體(8)進入透平做功,透平乏氣(9)在回熱器中冷卻,經過氣液分離后的循環工質(11)被壓縮、冷卻、泵送至回熱器中,完成循環。

2 熱力計算模型

2.1 電解水制氫儲能子系統

2.1.1 SOEC模型

本文主要研究如何將高效的Allam循環發電與電解水制氫儲能進行集成,且儲氣和發電過程與儲能過程相互獨立,參照文獻[15]建立SOEC的簡化模型和選取SOEC的能源效率,完成系統計算,具體的模型示意圖如圖2所示。

在文獻[15]的SOEC模型中,電解所需的高溫環境由電加熱器提供,電解水蒸發在電蒸汽發生器中完成。此外,假設電解產生的氫氣、氧氣質量分數均為100%,忽略電解過程中水的損失。SOEC耗功WSOEC可以表示為

(1)

式中:m7為氫氣流量;q為氫氣的低位熱值;ηSOEC為SOEC能源效率(以氫氣低位熱值為基準)。

2.1.2 壓縮機/泵模型

壓縮機/泵的耗功為

(2)

式中:m為工質流量;h為工質焓;ηcom/pump為壓縮機/泵的內效率;下標in、out、s分別表示進口、出口以及等熵過程。

2.1.3 換熱器(冷卻器)模型

電解水子系統中換熱器(冷卻器)的夾點溫度均設置為10℃,換熱器(冷卻器)中導熱介質出口溫度設置為225℃,進一步通過下式計算換熱量及導熱介質流量

m1(h1,in-h1,out)=m2(h2,out-h2,in)

(3)

式中:下標1和2分別表示換熱器中熱流和冷流。

2.1.4 儲罐模型

儲氣罐采取等壓模型,考慮與環境間的換熱,儲氣罐出口溫度為環境溫度。熱罐和冷罐完全絕熱,工作過程為等溫過程,同時忽略儲熱蓄冷過程所耗泵功。電解水制氫儲能子系統的主要設計參數見表1。

2.2 Allam循環子系統

2.2.1 燃燒室模型

燃燒室中來自儲氫罐的H2與來自回熱器的O2按比例完全燃燒,燃燒產物為H2O。

2.2.2 透平模型

由于Allam循環中透平進口溫度高于允許材料溫度Tw(860℃)[16],因此需要對透平進行冷卻[17]。本文采用Scaccabarozzi等在El-Masri連續膨脹模型基礎上開發的透平冷卻模型[18],其總體思想是:將透平膨脹過程分為兩部分,工質溫度低于Tw的部分不需要冷卻,工質溫度高于Tw的部分則進行N(N=15)步膨脹冷卻,每步均為先膨脹再與冷卻流混合,完成第N步膨脹并與冷卻流混合后的主流溫度應等于Tw。對于冷卻劑流量以及混合過程引起的壓降在文獻[18]中均給出了具體計算公式,此處不再贅述。此外,透平的關鍵參數由文獻[18]和文獻[19]所提供的方法進行計算并校準。

2.2.3 回熱器模型

為更精確地描述多股流換熱器中的換熱過程,采用課題組在過往研究中提出的分段法計算換熱器的效率與夾點溫度[20]。具體為:把冷熱流體沿其流動方向劃分為多個較小的流動分段,每個小分段內部的冷熱流體物性為統一數值,流體溫差不低于最小換熱溫差。本文將最小換熱溫差設定為5℃[17-18,21],透平冷卻流的最低溫度設置為150℃,并且鑒于回熱器自身的性質以及其在高溫區間的換熱能力,將回熱器熱端端差設置為10℃[21]。

本文涉及的相關工質熱物性通過Reafprop軟件計算得到。表2列出了Allam循環子系統主要設計參數,其中氣液分離器只考慮壓損,且假設水被完全分離。

2.3 評價指標

選擇系統效率以及儲能密度作為評價指標,對所提出的集成系統性能進行評估。其中,系統效率η定義為系統釋能過程輸出功Wout與儲能過程輸入功Win的比值

(4)

式中:Wtur為透平輸出功率;Wec為循環耗功;WSOEC為SOEC耗功;WHC為氫氣壓縮機耗功;WOC為氧氣壓縮機耗功。

循環耗功為

Wec=Wc+Wp

(5)

式中:Wc為CO2壓縮機耗功;Wp為泵耗功。

儲能密度Ds定義為:系統輸出功Wout與系統輸出這部分功所需的儲能體積Vs的比值

(6)

Vs具體包括氫氣、氧氣、導熱介質的儲存體積。

2.4 模型驗證

按照本文方法建立直燃式CO2循環仿真模型,將其與文獻[21]的仿真結果進行對比,結果見表3。可以看到,偏差均在可接受范圍內。

表3 直燃式CO2循環模型驗證結果的對比

3 結果與討論

將系統循環的最低溫度T11和T13設置為26℃,利用Matlab軟件建立集成系統的仿真模型,并對系統進行全面分析。

3.1 設計工況

在設計工況下,基于電解水制氫儲能與Allam循環發電的集成系統性能參數見表4。從中可以看到,系統效率為54.47%,儲能密度為214.85 W·h·m-3;釋能階段循環耗功為16.74 MW,其中CO2壓縮機耗功占比57.3%,因此減小這部分壓縮功是提高系統效率的途徑之一。

表4 集成系統的性能參數

根據文獻[23],壓縮空氣儲能系統效率為38%～60%,儲能密度為3～20 kW·h·m-3;抽水蓄能系統效率高達65%～87%,而儲能密度僅有0.5～1.5 kW·h·m-3。本文所提出的集成系統的儲能密度高達214.85 kW·h·m-3,且系統效率也達到54.47%,與壓縮空氣儲能和抽水蓄能相比,具有一定的優勢。根據文獻[11],基于氫氣儲能和氫氣聯合循環的集成儲能(ESS)系統效率達到49%～55%,但系統在透平進口溫度1 500℃時卻未考慮透平冷卻,忽略了冷卻帶來的損失。與集成ESS相比,所提出的集成系統選擇更合理的模型進行仿真,能夠為實際的工程設計提供參考。

3.2 參數分析

本文主要研究集成系統中的儲氣和發電階段,因此被分析參數的選擇主要基于Allam循環。除了變化參數外,其他參數均取設計值。

圖3(a)展示了透平進口壓力分別為26、28、30、32、34 MPa時透平進口溫度(T8)對集成系統效率(η)的影響;圖3(b)展示了透平進口壓力為30 MPa時T8對系統關鍵流溫度、流量的影響。從中可以看到,在不同透平進口壓力下,η均隨著T8的升高先升高后降低,即存在最佳透平進口溫度。以最佳效率值處于中游的透平進口壓力為30 MPa的案例為例,系統儲能階段制取并儲存單位氫氣所消耗的電量不變。當T8從1 050℃開始升高時,透平出口溫度升高使得回熱器內可回收熱量增多,熱端端差從30.6℃開始減小,同時燃燒室出口溫度升高,使η升高。當T8高于1 150℃并繼續升高時,回熱器熱端溫差已減小至最小值10℃。此時回熱器內多余熱量用于加熱透平冷卻流,這使得透平冷卻需要更多的冷卻流,冷卻流流量增大就會導致循環工質的總流量增大,進而使CO2壓縮機的功耗增大,導致η下降。此外,最佳透平進口溫度隨著進口壓力升高而升高,低溫低壓下所達到的效率峰值更高。原因是,透平進口溫度越低,透平所需冷卻流更少,燃燒室所需冷卻流更多,回熱器內可利用的熱量更多,即對系統更有益。

(a)系統效率

為了進一步說明透平進口壓力對系統性能的影響,圖4(a)展示了在不同透平進口溫度下,透平進口壓力(P8)對集成系統效率(η)的影響;圖4(b)展示了透平進口溫度分別為1 080℃、1 150℃時,透平進口壓力(P8)對系統關鍵參數的影響?？梢钥吹?存在最佳P8使η達到峰值。透平進口溫度低于1 100℃時,最佳P8均在21 MPa附近;高于1 100℃時,最佳P8隨透平進口溫度的升高而增大。

(a)系統效率

在透平進口溫度較低時(以T8=1 080℃為例),減小P1會引起透平排氣溫度升高,回熱器熱端端差減小,燃燒室冷卻流溫度升高使其流量增大,使透平輸出功在膨脹比減小的情況下仍然有所增多,η升高;當P8小于26 MPa時,CO2比熱容升高,回熱器中需要犧牲高品位熱能加熱低溫CO2,夾點位置由回熱器2內部轉移到冷端,因此η迅速降低。

在透平進口溫度較高時(以T8=1 150℃為例),隨著P8的減小,回熱器增多的可回收熱量被用于加熱透平冷卻流,因此η在P8取較大值時達到峰值。需要說明的是,系統P8的選取受回熱器溫度限制,當系統P8在對應曲線與紅色虛線相交后繼續減小時,回熱器溫度將超過材料允許值(760℃)。綜上所述,所提出的集成系統在透平進口參數較低時仍可以達到較高效率,有利于工程應用。

圖5展示了在透平進口參數為設計值時,透平出口壓力(P9)對集成系統效率(η)、循環耗功以及透平輸出功的影響?？梢钥吹?P9增大會引起透平膨脹比減小,使得系統循環耗功和透平輸出功均隨之減少;而η則隨P9的增大先升高后降低,這是因為透平出口溫度隨著P9增大而升高,使得燃燒室內混合溫差減小以及燃燒室出口流量增大,因此η升高;然而P9增大同樣使得回熱器的多余熱量用于加熱透平冷卻流,透平冷卻流流量隨之增大,CO2壓縮機功耗增加,這將減緩透平膨脹比減小帶來的循環耗功減少的速率,因此P9增大至一定值時η降低。這里同樣要注意系統P9因受回熱器溫度限制不能選取過大。

圖5 透平出口壓力對系統性能的影響Fig.5 Influence of turbine outlet pressure on system performance

圖6展示了O2壓縮機內效率(ηOC)、H2壓縮機內效率(ηHC)、CO2壓縮機內效率(ηcom)、透平內效率(ηtur)、泵內效率(ηpump)對集成系統效率(η)的影響?？梢钥吹?這些動力設備內效率的升高均使得η不同程度地升高,且近似為線性升高。其中ηtur對η的影響最大,當ηtur從82%增大到92%時,η升高了2.55%;ηtur對于η影響最大的原因在于ηtur增大會引起循環流壓縮耗功減小,這是透平出口溫度降低引起循環流流量減小的結果。ηOC、ηHC、ηpump、ηcom對于η的影響均較小,當4項效率依次從82%增大到92%時,對應的η分別提高了0.095%、0.312%、0.509%和0.690%。

圖6 動力設備內效率對系統性能的影響Fig.6 Effect of internal efficiency on system performance in power equipment

圖7展示了集成系統中發電循環最低溫度T11對系統性能的影響。可以看到,隨著循環最低溫度的降低,η分段線性升高。其中循環最低溫度從22℃降低至20℃,η由54.97%升高至56.04%,其原因是:CO2在經過兩級壓縮中間冷卻后壓力至5.9 MPa,此時CO2在20℃下可以被冷凝,最后一級壓縮機被泵代替,進而循環耗功突然減少。同理,循環最低溫度從10℃降低至8℃,η突然升高是由于后兩級CO2壓縮機均被泵代替;循環最低溫度從-2℃降低至-4℃,η突然升高是由于氣液分離器出口CO2在-4℃下可以被冷凝,CO2壓縮機均被泵代替。與設計工況相比,循環最低溫度為-4℃時,η為60.50%,提高了6.03%;循環耗功為7.19 MW,減少了9.55 MW。由此可知,所提出的集成系統可以通過與不同溫度的冷源進行靈活組合來提升系統性能,例如與液化天然氣、天然氣減壓站這類溫度較低的冷源組合時,可以實現循環流全部冷凝,同時省略了CO2壓縮機。此外,這種組合系統的另一優勢為不額外消耗燃料即可實現液化天氣的汽化、減壓后天然氣的升溫。當冷源溫度較高、不足以將循環流冷凝時,還可以通過降低壓縮機進口溫度以使系統性能得到提升[24-25]。

圖7 循環最低溫度對系統性能的影響 Fig.7 Effect of minimum cycle temperature on system performance

4 結 論

本文提出了一種基于電解水制氫儲能與Allam循環發電的集成系統,并對系統進行仿真計算,分析了關鍵參數對系統性能的影響。主要結論如下。

(1)所提出的集成系統充分利用了電解水與Allam循環間的互補性,即利用電解水制取的氧氣代替空分供氧,減少發電耗功。在設計工況下,系統效率達到54.47%,儲能密度為214.85 kW·h·m-3。

(2)存在最佳透平進口溫度、最佳透平進口壓力、最佳透平出口壓力使得系統效率得到峰值。在透平進口溫度、壓力較低時,所提出的集成系統仍可以獲得較為理想的系統效率。

(3)隨著O2壓縮機、H2壓縮機、CO2壓縮機、透平和泵內效率的增加,系統效率均有所升高,其中透平內效率對其影響最大。

(4)本文所提出的集成系統具有不受地理位置限制、儲能密度大、系統效率高等優勢,還可以通過與不同冷源進行集成來冷卻或冷凝氣液分離器出口循環流,從而進一步提高系統效率。