大规模地下压缩氢气储能系统

1.本发明涉及氢能和储能领域，具体是一种大规模地下压缩氢气储能系统。

背景技术：

2.氢能作为一种零碳排放、高效、清洁的二次能源在未来国家能源体系中将占据重要地位。在氢能源体系中，氢的制备生产是基础，氢的储存和运输是进行大规模应用的前提，制氢、储氢、运氢是构成氢能产业链的三个核心环节。现有的储氢技术主要还是集中在小规模的钢罐存储，容积有限且成本很高，现有的小规模储氢技术是远远难以满足要求的。因此，开发大规模高压储氢技术无论是对国家能源储备还是节约储氢成本来说都是具有重要意义的。有鉴于此，本发明提出一种大规模地下压缩氢气储能系统。

技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种大规模地下压缩氢气储能系统，在利用弃用的电能进行电解水制氢的同时，将压缩后的氢气储存在地下，储氢能力大幅度提升、安全风险指数大幅度降低，实现了大规模地下储氢与可再生能源发电系统的耦合，整个储氢和发电过程实现零碳排放。
4.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：大规模地下压缩氢气储能系统，包括地面电网、电解槽、氢气压缩机、地下高压储氢室、加氢站和氢能发电系统，所述的地下高压储氢室设置在地下围岩内，所述的地下高压储氢室由内衬混凝土层和内衬密封层围成，所述的内衬密封层设置在所述的内衬混凝土层的内壁，所述的地面电网和所述的电解槽分别与可再生能源发电厂电连接，所述的电解槽经第一输氢管路与所述的氢气压缩机的进气端相连，所述的氢气压缩机的出气端连接有第二输氢管路，所述的地下高压储氢室经第三输氢管路与所述的第二输氢管路相连，所述的加氢站经第四输氢管路与所述的第二输氢管路相连，所述的氢能发电系统经第五输氢管路与所述的第四输氢管路相连，所述的第二输氢管路上安装有高压进气阀门，所述的第四输氢管路上安装有第一高压出气阀门，所述的第一高压出气阀门设于所述的第五输氢管路与所述的第四输氢管路的连接处和所述的加氢站之间，所述的第五输氢管路上安装有第二高压出气阀门，所述的氢能发电系统与所述的地面电网电连接；
5.在储能阶段，打开高压进气阀门，关闭第一高压出气阀门和第二高压出气阀门，可再生能源发电厂产生的电能并入地面电网后的弃用的电能输送至电解槽，在电解槽内进行电解水制氢，制得的氢气通过第一输氢管路进入氢气压缩机压缩至高压状态，再通过高压进气阀门进入地下高压储氢室储存，储能过程完成后，关闭高压进气阀门；地面电网需要电能时，打开第二高压出气阀门，储存在地下高压储氢室内的高压氢气通过第三输氢管路进入氢能发电系统中发电，产生的电能输入地面电网中；加氢站需要氢气时，打开第一高压出气阀门，经第四输氢管路向加氢站供应氢气。
6.作为优选，所述的可再生能源发电厂向所述的地面电网输送可并网的电能，所述
的可再生能源发电厂向所述的电解槽输送无法并网的电能。通过电解槽吸收无法并网的电能，将这部分电能以氢能的形式储存在地下高压储氢室，可提高能源利用率。
7.作为优选，所述的内衬密封层采用丁基橡胶、高密度聚乙烯或玻璃钢。这些材料热老化性能好，使用寿命长，对氢气的密封性好，氢气分子不易透过，可以避免“氢脆”现象发生。
8.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
9.(1)本发明大规模地下压缩氢气储能系统与现有的可再生能源发电厂联合运行，在利用弃用的电能进行电解水制氢的同时，将压缩后的氢气储存在地下，而氢能无论是作为燃料电池原料还是燃料，都不会排放二氧化碳和其他有害物质，本发明大规模地下压缩氢气储能系统实现了大规模地下储氢与可再生能源发电系统的耦合，整个储氢和发电过程实现零碳排放。
10.(2)本发明大规模地下压缩氢气储能系统的储氢容积和压力相比现有的地面钢罐有很大提升。目前，国内运行的加氢站单个储氢钢罐体积较小，设计压力有35mpa和70mpa两种，极大制约了氢能的储存规模。尽管现在已有利用盐穴储氢的案例，但盐穴地质条件可遇不可求，难以大规模推广，本发明采用地下高压储氢室储存高压氢气，其储存容积可轻松达到数千甚至数万立方米，且适用范围更广，这无疑会大幅度提升储氢能力。
11.(3)本发明大规模地下压缩氢气储能系统运行的安全风险显著降低。现有的高压储氢钢罐均置于地表，如果发生爆炸事故所带来的后果十分严重，而本发明大规模地下压缩氢气储能系统采用地下高压储氢室来储存高压氢气，安全风险指数能够大幅度降低，即使发生意外事故，其带来的后果和影响也是有限的。
12.(4)可再生能源如风能和太阳能通常具有间歇性和波动性，因此需要配套的储能技术来稳定电力的输出。氢储能是一种长周期大规模的储能技术，无论是储存规模还是放电时间都远远高于其它储能技术(如抽水蓄能、压缩空气储能等)。本发明在氢能的存储和可再生能源利用方面具有重要意义。
附图说明
13.图1为实施例中大规模地下压缩氢气储能系统的结构示意图；
14.图2为实施例中地下高压储氢室的横截面示意图；
15.图1中箭头表示电能的传递，图1和图2中具体的附图标记如下：
16.1-地面电网，2-电解槽，3-氢气压缩机、31-高压进气阀门、4-地下高压储氢室、41-内衬混凝土层、42-内衬密封层、5-加氢站、51-第一高压出气阀门、6-氢能发电系统、61-第二高压出气阀门、7-可再生能源发电厂、81-第一输氢管路、82-第二输氢管路、83-第三输氢管路、 84-第四输氢管路、85-第五输氢管路、9-地下围岩。
具体实施方式
17.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
18.实施例的大规模地下压缩氢气储能系统，如图1和图2所示，包括地面电网1、电解槽2、氢气压缩机3、地下高压储氢室4、加氢站5和氢能发电系统6，地下高压储氢室4设置在地下围岩9内，地下高压储氢室4由内衬混凝土层41和内衬密封层42围成，本实施例中，内衬
密封层42采用丁基橡胶，内衬密封层42设置在内衬混凝土层41的内壁，地面电网1和电解槽2分别与可再生能源发电厂7电连接，电解槽2经第一输氢管路81与氢气压缩机3的进气端相连，氢气压缩机3的出气端连接有第二输氢管路82，氢气压缩机3由地面电网1供电，地下高压储氢室4经第三输氢管路83与第二输氢管路82相连，加氢站5经第四输氢管路84 与第二输氢管路82相连，氢能发电系统6经第五输氢管路85与第四输氢管路84相连，第二输氢管路82上安装有高压进气阀门31，第四输氢管路84上安装有第一高压出气阀门51，第一高压出气阀门51设于第五输氢管路85与第四输氢管路84的连接处和加氢站5之间，第五输氢管路85上安装有第二高压出气阀门61，氢能发电系统6与地面电网1电连接；
19.本实施例中，可再生能源发电厂7向地面电网1输送可并网的电能，可再生能源发电厂 7向电解槽2输送无法并网的电能，具体地，电能可以为风电电能或光伏电电能。
20.上述大规模地下压缩氢气储能系统在一个循环内的基本工作原理是：可再生能源发电厂7产生的电能中可并网的电能直接并入地面电网1，弃用的电能输送至电解槽2内进行电解水制氢，制得的常压氢气在氢气压缩机3的作用下压缩至高压状态，得到的高压氢气进入地下高压储氢室4进行储存，在用电高峰期，地下高压储氢室4中的氢气一部分进入氢能发电系统6中发电，产生的电能输入地面电网1中，另外一部分氢气则进入地面加氢站5，直接用于氢气的供给。
21.上述大规模地下压缩氢气储能系统的运行过程如下：在储能阶段，打开高压进气阀门31，关闭第一高压出气阀门51和第二高压出气阀门61，可再生能源发电厂7产生的电能并入地面电网1后的弃用的电能输送至电解槽2，在电解槽2内进行电解水制氢，制得的氢气通过第一输氢管路81进入氢气压缩机3压缩至高压状态，再通过高压进气阀门31进入地下高压储氢室4储存，储能过程完成后，关闭高压进气阀门31；地面电网1需要电能时，打开第二高压出气阀门61，储存在地下高压储氢室4内的高压氢气通过第三输氢管路83进入氢能发电系统6中发电，产生的电能输入地面电网1中；加氢站5需要氢气时，打开第一高压出气阀门51，经第四输氢管路84向加氢站5供应氢气。

技术特征：

1.大规模地下压缩氢气储能系统，其特征在于，包括地面电网、电解槽、氢气压缩机、地下高压储氢室、加氢站和氢能发电系统，所述的地下高压储氢室设置在地下围岩内，所述的地下高压储氢室由内衬混凝土层和内衬密封层围成，所述的内衬密封层设置在所述的内衬混凝土层的内壁，所述的地面电网和所述的电解槽分别与可再生能源发电厂电连接，所述的电解槽经第一输氢管路与所述的氢气压缩机的进气端相连，所述的氢气压缩机的出气端连接有第二输氢管路，所述的地下高压储氢室经第三输氢管路与所述的第二输氢管路相连，所述的加氢站经第四输氢管路与所述的第二输氢管路相连，所述的氢能发电系统经第五输氢管路与所述的第四输氢管路相连，所述的第二输氢管路上安装有高压进气阀门，所述的第四输氢管路上安装有第一高压出气阀门，所述的第一高压出气阀门设于所述的第五输氢管路与所述的第四输氢管路的连接处和所述的加氢站之间，所述的第五输氢管路上安装有第二高压出气阀门，所述的氢能发电系统与所述的地面电网电连接；在储能阶段，打开高压进气阀门，关闭第一高压出气阀门和第二高压出气阀门，可再生能源发电厂产生的电能并入地面电网后的弃用的电能输送至电解槽，在电解槽内进行电解水制氢，制得的氢气通过第一输氢管路进入氢气压缩机压缩至高压状态，再通过高压进气阀门进入地下高压储氢室储存，储能过程完成后，关闭高压进气阀门；地面电网需要电能时，打开第二高压出气阀门，储存在地下高压储氢室内的高压氢气通过第三输氢管路进入氢能发电系统中发电，产生的电能输入地面电网中；加氢站需要氢气时，打开第一高压出气阀门，经第四输氢管路向加氢站供应氢气。2.根据权利要求1述的大规模地下压缩氢气储能系统，其特征在于，所述的可再生能源发电厂向所述的地面电网输送可并网的电能，所述的可再生能源发电厂向所述的电解槽输送无法并网的电能。3.根据权利要求1述的大规模地下压缩氢气储能系统，其特征在于，所述的内衬密封层采用丁基橡胶、高密度聚乙烯或玻璃钢。

技术总结

本发明公开的大规模地下压缩氢气储能系统包括地面电网、电解槽、氢气压缩机、地下高压储氢室、加氢站和氢能发电系统，地下高压储氢室设置在地下围岩内，地下高压储氢室由内衬混凝土层和内衬密封层围成，内衬密封层设置在内衬混凝土层的内壁，地面电网和电解槽分别与可再生能源发电厂电连接，电解槽与氢气压缩机的进气端相连，氢气压缩机的出气端分别与地下高压储氢室、加氢站和氢能发电系统相连，氢能发电系统与地面电网电连接。本发明储能系统在利用弃用的电能进行电解水制氢的同时，将压缩后的氢气储存在地下，储氢能力大幅度提升、安全风险指数大幅度降低，实现了大规模地下储氢与可再生能源发电系统的耦合，整个储氢和发电过程实现零碳排放。程实现零碳排放。程实现零碳排放。