نظام تخزين الهيدروجين هو نوع من التكنولوجيا التي يمكن أن ندرك على المدى الطويل وعلى نطاق واسع تخزين الطاقة من خلال ثنائية الاتجاه تحويل الطاقة الكهربائية والطاقة الكيميائية . وفيما يلي تحليل التفاصيل التقنية ، سيناريوهات التطبيق ، ومزايا وتحديات :

هيكل النظام والتكنولوجيا الأساسية

1 - نظم إنتاج الهيدروجين

- المسار التقني : أساسا إنتاج الهيدروجين من المياه بالكهرباء ، بما في ذلك التحليل الكهربائي القلوية ( AE ) ، غشاء تبادل البروتون التحليل الكهربائي ( بيم ) ، وارتفاع درجة الحرارة الصلبة أكسيد التحليل الكهربائي ( SOEC ) وغيرها من التكنولوجيات . من بينها ، القلوية الكهربائي التكنولوجيا ناضجة ومنخفضة التكلفة ، ولكن الكفاءة ( حوالي 60 في المائة ) و القدرة على الاستجابة الديناميكية محدودة . بيم الكهربائي عالية الكفاءة ( حوالي 80 في المائة ) و حجم صغير ، ولكن يعتمد على المعادن النبيلة محفز . سوك نظرية الكفاءة أكثر من 90 ٪ ، ولكن تحتاج إلى درجة حرارة عالية ( 800-950 درجة مئوية ) العملية ، لا تزال في مرحلة البحث والتطوير .

- الكفاءة والتكاليف : تبلغ الكفاءة الحالية لخزان التحليل الكهربائي 65-85 في المائة ، وتبلغ تكلفة النظام نحو 855 دولارا / كيلوواط ( 2020 ) ، ويتوقع أن تنخفض إلى 305 دولارات / كيلوواط ( معدل منحنى التعلم 20 في المائة ) في عام 2030 .

2 - نظم تخزين الهيدروجين

- طريقة التخزين :

- ارتفاع ضغط تخزين الهيدروجين الغازي : في صلب التكنولوجيا ، كثافة الكتلة حوالي 5 في المائة في 35mpa و 38kg / m3 في 70mpa ، ولكن استهلاك الطاقة في ضغط عالية ( 1 / 3 من الطاقة المسيلة ) .

- تخزين الهيدروجين السائل في درجة حرارة منخفضة : زيادة الكثافة الحجمية إلى غاز 800 مرة ، ولكن استهلاك الطاقة لتسييل الهيدروجين حرارة الاحتراق 1 / 3 ، التبخر معدل الخسارة 1 ٪ - 2 ٪ / يوم .

- تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة : تخزين هيدريد معدني ( على سبيل المثال lani5h6 و mgh2 ) مع سلامة عالية ، أي فقدان التبخر ، ولكن مع انخفاض كثافة الكتلة ( حوالي 5-10kwh / كغ )

- مواد تخزين الهيدروجين : تستخدم على نطاق واسع صهاريج تخزين الهيدروجين المصنوعة من ألياف الكربون المركبة ، ويجري حاليا عرض برامج تخزين الهيدروجين على نطاق واسع ، مثل كهف الملح تحت الأرض والنفايات حقول النفط والغاز .

3 - نظام توليد الهيدروجين

- تكنولوجيا خلايا الوقود : خلايا وقود غشاء تبادل البروتون ( PEMFC ) مناسبة لتوليد الكهرباء الموزعة ، مع كفاءة تتراوح بين 50 و 60 في المائة ، وكثافة الطاقة العالية ، ولكنها تعتمد على محفز البلاتين؛ خلية وقود الأكسيد الصلب ( SOFC ) كفاءة تصل إلى 65 ٪ ، واستخدام حرارة النفايات عالية ، ومناسبة الحرارية مجتمعة .

- كفاءة توليد الطاقة : تتأثر الكفاءة العامة لخلايا الوقود بعوامل مثل نقاء الهيدروجين وإدارة درجة الحرارة .

تطبيق سيناريوهات الحالات النموذجية

1 . ذروة تعديل التردد في نظام الطاقة

- آليات العمل : توليد الهيدروجين باستخدام الطاقة الكهربائية الفائضة ، وتوليد الكهرباء من خلال خلايا الوقود في ذروة استخدام الكهرباء ، أو المشاركة مباشرة في تنظيم الذروة في الشبكة . على سبيل المثال ، في مناطق مثل التبت وتشينغهاى ، حيث الرياح و الضوء هو التخلي عن النفايات ( أكثر من 8 في المائة في عام 2022 ) يمكن أن تقلل من تقلب إمدادات الطاقة من خلال تخزين الهيدروجين .

- الحالة : مشروع إنتاج الهيدروجين من الطاقة المتجددة في Zhangjiakou ( 200mW طاقة الرياح + 10mW إنتاج الهيدروجين ) لتحقيق ذروة التنظيم عبر الموسم من خلال تخزين الهيدروجين .

2 . استجابة الطلب من جانب المستخدم جنبا إلى جنب مع التبريد والتدفئة

- إنتاج الهيدروجين من كهرباء الوادي : يستخدم الجانب المستخدم الكهرباء المنخفضة التكلفة لإنتاج الهيدروجين في الليل ، ويتم توفيره من خلال خلايا الوقود لتوفير الحرارة خلال النهار ، ويحقق المراجحة بين القمم والوديان . فعلى سبيل المثال ، يمكن للمجمعات الصناعية أن تبني شبكات صغيرة لتخزين الهيدروجين من أجل خفض تكاليف الكهرباء .

- التوليد المشترك للطاقة : حرارة النفايات من خلايا الوقود يمكن أن تلبي متطلبات التدفئة في المباني ، وكفاءة الطاقة الشاملة تصل إلى أكثر من 80 ٪ .

3 - توزيع الطاقة على الصعيد الإقليمي

- توليد الهيدروجين من طاقة الرياح البحرية : توليد الهيدروجين من طاقة الرياح البحرية البعيدة المدى عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، وكسر القيود المفروضة على نقل الكهرباء . على سبيل المثال ، مشروع إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح في بحر الشمال الأوروبي ( 1 غيغاواط طاقة الرياح + 1 مليون طن من الهيدروجين سنويا ) يستخدم الملح الكهف لتخزين الهيدروجين لتحقيق التنظيم الموسمي .

- تحويل حقول النفط والغاز : يمكن تحويل حقول النفط والغاز المستنفد إلى “ حقول غاز الهيدروجين ” التي تنقل عن طريق خطوط أنابيب تحتوي على الهيدروجين ( < 15 في المائة ) ، مما يقلل من تكاليف النقل .

ثالثاً - المزايا والتحديات

1 - المزايا الأساسية

- تخزين الطاقة على المدى الطويل : مناسبة لأنّ أكثر من 4 ساعات إلى ربع حجم تخزين الطاقة ، يمكن أن تقلل من الرياح ، الكهروضوئية التقلبات الموسمية .

- على نطاق واسع وعبر المنطقة : 100 غيغاواط من طاقة التخزين ، ويمكن تحقيق توزيع الهيدروجين في أماكن مختلفة من خلال أنابيب وصهاريج النقل ، وكسر القيود الجغرافية .

- حماية البيئة : لا تنتج عملية ” الكهرباء - الهيدروجين - الكهرباء “ على مدار الدورة سوى المياه ، ويمكن تحقيق صفر من انبعاثات الكربون باستخدام مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الهيدروجين .

2 - التحديات الرئيسية

- الكفاءة والتكاليف : تبلغ الكفاءة الإجمالية الحالية لـ ” الكهرباء - الهيدروجين - الكهرباء “ نحو 30-40 في المائة ، وتبلغ تكلفة الكهرباء 1.8 يوان ( 2020 ) ، وهي أعلى بكثير من طاقة تخزين الليثيوم ( 0.5 يوان ) وطاقة التخزين ( أقل من 0.25 يوان ) .

- الاختناقات التقنية : تعتمد مواد تخزين الهيدروجين والمكونات الرئيسية لخلايا الوقود ( مثل الأقطاب الغشائية ولوحات القطب المزدوج ) على الواردات ، ويتعين رفع معدلات التوطين .

- السلامة : الهيدروجين قابل للاشتعال والمتفجرة ، يتطلب التصميم الأمثل للدبابات ، وإدارة النقل وتقنيات رصد التسرب .