本申請涉及能源系統(tǒng)，特別是涉及一種風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)。

背景技術：

1、大規(guī)模開發(fā)可再生能源對降低碳排放具有重要意義。然而，受限于其波動性和間歇性，現(xiàn)有的風光發(fā)電面臨嚴重的棄風棄光問題，且單一儲能技術難以顯著提升能源利用效率。將過剩的風光資源轉化為氫能被視為一種理想的解決方案，但當前氫能消納的產業(yè)鏈尚不完善。同時，大規(guī)模可再生能源并網對電網的穩(wěn)定性和安全性造成了顯著挑戰(zhàn)，亟需通過火力發(fā)電的靈活性改造支持深度調峰，并通過摻氨燃燒的低碳化改造來大幅降低碳排放。在此背景下，利用可再生能源制氨不僅可以解決氫能消納問題，還能為火力發(fā)電的摻氨燃燒提供綠色經濟的氨氣來源，實現(xiàn)氨氣的就地消納。此外，通過碳捕集技術捕捉火電排放的二氧化碳，并將其用于合成甲醇，可有效降低碳排放并實現(xiàn)碳資源的下游利用。通過風光火儲一體化協(xié)同運行，結合制氫、制氨和制醇工藝，有助于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，并實現(xiàn)風光資源的高效消納及近零碳排放目標。

技術實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要提供一種風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)。

2、本申請?zhí)峁┮环N風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，包括：風光發(fā)電單元、火力發(fā)電單元、儲能單元、混合制氫單元、空氣分離單元、氨氣合成單元、煙氣碳捕集單元、甲醇合成單元、富氧燃燒單元和摻氨燃燒單元；

3、所述風光發(fā)電單元、所述火力發(fā)電單元均和所述儲能單元相連接，所述風光發(fā)電單元、所述火力發(fā)電單元和所述儲能單元共同向外部電網及內部系統(tǒng)供電；所述混合制氫單元與所述風光發(fā)電單元相連接，所述混合制氫單元利用風光電進行電解水生產氫氣和氧氣；所述空氣分離單元利用空氣生產氮氣和氧氣；所述空氣分離單元和所述混合制氫單元均與所述氨氣合成單元相連接，所述氨氣合成單元以氮氣和氫氣為原料合成氨氣；所述煙氣碳捕集單元與所述火力發(fā)電單元相連接，所述煙氣碳捕集單元用于捕集煙氣中的二氧化碳；所述煙氣碳捕集單元和所述混合制氫單元均與所述甲醇合成單元相連接，所述甲醇合成單元以二氧化碳和氫氣為原料合成甲醇；所述富氧燃燒單元和所述摻氨燃燒單元均與所述火力發(fā)電單元相連接，所述富氧燃燒單元用于實現(xiàn)所述火力發(fā)電單元的富氧燃燒，所述摻氨燃燒單元用于實現(xiàn)所述火力發(fā)電單元的摻氨燃燒。

4、在其中一些實施方式中，所述風光發(fā)電單元包括光伏陣列和風力發(fā)電機；所述火力發(fā)電單元包括鍋爐；所述儲能單元包括儲能裝置；所述混合制氫單元包括電源控制裝置；所述光伏陣列和所述電源控制裝置相連接，所述光伏陣列用于為所述混合制氫單元提供電能；所述風力發(fā)電機經過整流器后和所述電源控制裝置相連接，所述風力發(fā)電機用于為所述混合制氫單元提供電能；所述光伏陣列、所述風力發(fā)電機和所述鍋爐均與所述儲能裝置相連接。

5、在其中一些實施方式中，所述混合制氫單元還包括堿性電解槽、質子交換膜電解槽、氧氣壓縮機、氫氣壓縮機、氧氣儲罐和氫氣儲罐；所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽均連接于所述電源控制裝置，所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽用于負載不同波動特征的風光電負荷制取氫氣；所述電源控制裝置用于將風光電負荷分配于所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機和所述氫氣壓縮機均同時連接于所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機用于將氧氣升壓到儲存壓力，所述氫氣壓縮機用于將氫氣升壓到反應工段所需的壓力；所述氧氣儲罐連接于所述氧氣壓縮機，所述氧氣儲罐用于調節(jié)所述富氧燃燒單元的氧氣供給；所述氫氣儲罐連接于所述氫氣壓縮機，所述氫氣儲罐用于分配調節(jié)所述氨氣合成單元和所述甲醇合成單元的氫氣供給。

6、在其中一些實施方式中，所述堿性電解槽的制氫直流能耗為4.0kwh/nm3~4.3kwh/nm3，電流密度為6000a/m2~7000a/m2，小室電壓為1.8v~2.0v，氫氣純度≥99.7%；

7、所述質子交換膜電解槽的制氫直流能耗為3.8kwh/nm3~4.0kwh/nm3，電流密度為7000a/m2~8000a/m2，小室電壓為1.8v~2.0v，氫氣純度≥99.9%。

8、在其中一些實施方式中，所述空氣分離單元包括依次連接的空氣分離裝置、氮氣壓縮機和氮氣儲罐；所述空氣分離裝置與所述氧氣儲罐連接，所述空氣分離裝置以空氣為原料制取氮氣和氧氣；所述氮氣壓縮機用于將氮氣升壓到反應工段所需的壓力；所述氮氣儲罐用于調節(jié)所述氨氣合成單元的氮氣供給。

9、在其中一些實施方式中，所述氨氣合成單元包括依次連接的氨合成反應裝置、氨氣壓縮機和氨氣儲罐；所述氨合成反應裝置連接于所述氫氣儲罐和所述氮氣儲罐，所述氨合成反應裝置利用氫氣和氮氣合成氨；所述氨氣壓縮機用于將氨氣液化；所述氨氣儲罐用于調節(jié)所述摻氨燃燒單元的氨氣供給。

10、在其中一些實施方式中，所述氨合成反應裝置的工作溫度為400℃~500℃，工作壓力為15mpa~30mpa，氫氣和氮氣的體積比為（3~3.2）:1，氨選擇率為95%~98%。

11、在其中一些實施方式中，所述煙氣碳捕集單元包括依次連接的吸收塔、再生塔和二氧化碳儲罐；所述吸收塔與所述鍋爐相連接；所述鍋爐排放的煙氣經過所述吸收塔和所述再生塔進行二氧化碳捕集；所述二氧化碳儲罐用于調節(jié)所述甲醇合成單元的二氧化碳供給；所述吸收塔與所述再生塔之間通過貧富液循環(huán)系統(tǒng)相連接，所述貧富液循環(huán)系統(tǒng)中容納有二氧化碳吸收劑；所述煙氣碳捕集單元還包括水洗設備，所述水洗設備連接于所述吸收塔。

12、在其中一些實施方式中，所述甲醇合成單元包括依次連接的甲醇合成反應裝置和甲醇儲罐，所述甲醇合成反應裝置連接于所述氫氣儲罐和所述二氧化碳儲罐，所述甲醇合成反應裝置利用氫氣和二氧化碳合成甲醇；所述甲醇儲罐用于儲存甲醇。

13、在其中一些實施方式中，所述甲醇合成反應裝置的工作溫度為220℃~250℃，工作壓力為6mpa~8mpa，氫氣和二氧化碳的體積比為（3~5）:1，甲醇選擇率為90%~98%。

14、上述風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)中，風光火儲一體化協(xié)同運行，結合制氫、制氨和制醇工藝，有助于調峰調頻調壓，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。利用風光等可再生能源發(fā)電與電解水制氫相結合，可以生產經濟成本的綠色氫氣，消納過剩風光資源，減少棄風棄光現(xiàn)象?；旌现茪浼夹g可以有效解決風光的間歇性、波動性與制氫設備之間的耦合問題，實現(xiàn)柔性制氫，提高風光電消納的效率，增強系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。電解水產生的氫氣可以和從空氣分離出的氮氣相結合生產氨氣，供給火電機組進行摻氨燃燒，實現(xiàn)就地消納，解決了氫氣消納難題。電解水產生的氫氣可以和從火電機組排放煙氣中捕集的二氧化碳相結合生產高附加價值的甲醇，為電廠捕集的二氧化碳下游利用提供方向，實現(xiàn)碳減排與二氧化碳資源化利用。電解水和空氣分離產生的氧氣，可為火電機組富氧燃燒提供經濟的氧氣來源，同時提高機組的運行靈活性，增強調峰能力。

技術特征：

1.一種風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，包括：風光發(fā)電單元、火力發(fā)電單元、儲能單元、混合制氫單元、空氣分離單元、氨氣合成單元、煙氣碳捕集單元、甲醇合成單元、富氧燃燒單元和摻氨燃燒單元；

2.根據(jù)權利要求1所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述風光發(fā)電單元包括光伏陣列和風力發(fā)電機；所述火力發(fā)電單元包括鍋爐；所述儲能單元包括儲能裝置；所述混合制氫單元包括電源控制裝置；所述光伏陣列和所述電源控制裝置相連接，所述光伏陣列用于為所述混合制氫單元提供電能；所述風力發(fā)電機經過整流器后和所述電源控制裝置相連接，所述風力發(fā)電機用于為所述混合制氫單元提供電能；所述光伏陣列、所述風力發(fā)電機和所述鍋爐均與所述儲能裝置相連接。

3.根據(jù)權利要求2所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述混合制氫單元還包括堿性電解槽、質子交換膜電解槽、氧氣壓縮機、氫氣壓縮機、氧氣儲罐和氫氣儲罐；所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽均連接于所述電源控制裝置，所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽用于負載不同波動特征的風光電負荷制取氫氣；所述電源控制裝置用于將風光電負荷分配于所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機和所述氫氣壓縮機均同時連接于所述堿性電解槽和所述質子交換膜電解槽；所述氧氣壓縮機用于將氧氣升壓到儲存壓力，所述氫氣壓縮機用于將氫氣升壓到反應工段所需的壓力；所述氧氣儲罐連接于所述氧氣壓縮機，所述氧氣儲罐用于調節(jié)所述富氧燃燒單元的氧氣供給；所述氫氣儲罐連接于所述氫氣壓縮機，所述氫氣儲罐用于分配調節(jié)所述氨氣合成單元和所述甲醇合成單元的氫氣供給。

4.根據(jù)權利要求3所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述堿性電解槽的制氫直流能耗為4.0kwh/nm3~4.3kwh/nm3，電流密度為6000a/m2~7000a/m2，小室電壓為1.8v~2.0v，氫氣純度≥99.7%；

5.根據(jù)權利要求3所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣分離單元包括依次連接的空氣分離裝置、氮氣壓縮機和氮氣儲罐；所述空氣分離裝置與所述氧氣儲罐連接，所述空氣分離裝置以空氣為原料制取氮氣和氧氣；所述氮氣壓縮機用于將氮氣升壓到反應工段所需的壓力；所述氮氣儲罐用于調節(jié)所述氨氣合成單元的氮氣供給。

6.根據(jù)權利要求5所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述氨氣合成單元包括依次連接的氨合成反應裝置、氨氣壓縮機和氨氣儲罐；所述氨合成反應裝置連接于所述氫氣儲罐和所述氮氣儲罐，所述氨合成反應裝置利用氫氣和氮氣合成氨；所述氨氣壓縮機用于將氨氣液化；所述氨氣儲罐用于調節(jié)所述摻氨燃燒單元的氨氣供給。

7.根據(jù)權利要求6所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述氨合成反應裝置的工作溫度為400℃~500℃，工作壓力為15mpa~30mpa，氫氣和氮氣的體積比為（3~3.2）:1，氨選擇率為95%~98%。

8.根據(jù)權利要求3所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述煙氣碳捕集單元包括依次連接的吸收塔、再生塔和二氧化碳儲罐；所述吸收塔與所述鍋爐相連接；所述鍋爐排放的煙氣經過所述吸收塔和所述再生塔進行二氧化碳捕集；所述二氧化碳儲罐用于調節(jié)所述甲醇合成單元的二氧化碳供給；所述吸收塔與所述再生塔之間通過貧富液循環(huán)系統(tǒng)相連接，所述貧富液循環(huán)系統(tǒng)中容納有二氧化碳吸收劑；所述煙氣碳捕集單元還包括水洗設備，所述水洗設備連接于所述吸收塔。

9.根據(jù)權利要求8所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述甲醇合成單元包括依次連接的甲醇合成反應裝置和甲醇儲罐，所述甲醇合成反應裝置連接于所述氫氣儲罐和所述二氧化碳儲罐，所述甲醇合成反應裝置利用氫氣和二氧化碳合成甲醇；所述甲醇儲罐用于儲存甲醇。

10.根據(jù)權利要求9所述的風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述甲醇合成反應裝置的工作溫度為220℃~250℃，工作壓力為6mpa~8mpa，氫氣和二氧化碳的體積比為（3~5）:1，甲醇選擇率為90%~98%。

技術總結
本申請涉及一種風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)，包括：風光發(fā)電單元、火力發(fā)電單元、儲能單元、混合制氫單元、空氣分離單元、氨氣合成單元、煙氣碳捕集單元、甲醇合成單元、富氧燃燒單元和摻氨燃燒單元。上述風光火儲耦合電解水制氫的綜合能源系統(tǒng)中，風光火儲一體化協(xié)同運行，結合制氫、制氨和制醇工藝，有助于調峰調頻調壓，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。利用風光等可再生能源發(fā)電與電解水制氫相結合，可以生產經濟成本的綠色氫氣，消納過剩風光資源，減少棄風棄光現(xiàn)象。混合制氫技術可以有效解決風光的間歇性、波動性與制氫設備之間的耦合問題，實現(xiàn)柔性制氫，提高風光電消納的效率，增強系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

技術研發(fā)人員：姚嶠鵬,趙耀洪,廖漢東,王君,郭英倫,張沖,陳偉澤,林浩
受保護的技術使用者：廣東新型儲能國家研究院有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19