本發(fā)明涉及能源化工、多能互補(bǔ)、可再生能源與熱化學(xué)制氫、儲(chǔ)氫領(lǐng)域，具體涉及一種多能互補(bǔ)的源頭脫碳、制氫與儲(chǔ)氫一體化的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、能源的開(kāi)發(fā)和利用對(duì)人類文明的進(jìn)步以及社會(huì)的發(fā)展有著巨大的意義，在“雙碳”戰(zhàn)略下，逐步以傳統(tǒng)化石燃料為主導(dǎo)的能源體系過(guò)渡至可再生能源與化石能源互補(bǔ)的模式，多能源互補(bǔ)利用成為未來(lái)能源利用的一種趨勢(shì)。

2、氫氣作為最具潛力的能量載體和化工原料之一，制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和用氫各個(gè)環(huán)節(jié)都受到廣泛關(guān)注和研究?，F(xiàn)階段，天然氣重整制氫作為一種典型的化石燃料制氫工藝，通過(guò)將化石燃料轉(zhuǎn)化為清潔、高能量密度的氫氣。但是隨著可再生能源占比的提升，受可再生能源波動(dòng)、間歇的影響，使得可再生能源發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何平抑可再生能源波動(dòng)對(duì)能源系統(tǒng)的影響，提升可再生能源電力的消納能力，成為了最重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和研究方向之一。電解水制氫是通過(guò)利用可再生能源產(chǎn)生的電力進(jìn)行電解水制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣進(jìn)行利用和儲(chǔ)存，來(lái)削峰填谷、平抑可再生能源波動(dòng)性,以解決間歇性可再生能源的穩(wěn)定輸出問(wèn)題。然而，由于受可再生能源電力波動(dòng)、不穩(wěn)定的影響，使得電解水制氫系統(tǒng)常處于變負(fù)荷工況，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)氫及氫氣可靠?jī)?chǔ)存提出了很高的要求。

3、目前，現(xiàn)階段儲(chǔ)氫主要采用高壓儲(chǔ)氫、液體燃料儲(chǔ)氫、固體金屬氫化物儲(chǔ)氫等方式，普遍存在著儲(chǔ)能密度低、氫氣儲(chǔ)-釋能耗高、成本高等不足問(wèn)題。例如：發(fā)明專利cn109234753a公開(kāi)了一種太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，將光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能被輸送到后續(xù)需要用電的裝置，通過(guò)電解水裝置生產(chǎn)氫氣，并將氫氣儲(chǔ)存在有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料中并輸送到氫能發(fā)電系統(tǒng)中，用作氫內(nèi)燃機(jī)或所述燃料電池的燃料，以此提供穩(wěn)定電力。此技術(shù)利用有機(jī)液體儲(chǔ)氫，但是目前有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)仍存在脫氫技術(shù)復(fù)雜、脫氫能耗大、脫氫催化劑技術(shù)亟待突破等問(wèn)題，且該技術(shù)未對(duì)過(guò)程中的熱能進(jìn)行合理利用。再例如：發(fā)明專利cn115084580a公開(kāi)了一種利用可逆固體氧化物電池的可再生能源就地儲(chǔ)能系統(tǒng)及方法，該方法利用固體氧化物電池的可逆特性，通過(guò)模式切換實(shí)現(xiàn)氫氣化學(xué)能與電能之間的互相轉(zhuǎn)化，借此減少可再生能源波動(dòng)性導(dǎo)致的出力偏差，以降低調(diào)峰成本。但是該技術(shù)利用儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫，雖然技術(shù)較為成熟，但體積儲(chǔ)氫存在密度低和安全性差的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決通過(guò)多能源互補(bǔ)方式進(jìn)行削峰填谷、平抑可再生能源波動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)間歇性可再生能源的穩(wěn)定輸出，引起的使制氫系統(tǒng)常處于變負(fù)荷工況以及儲(chǔ)能密度低、氫氣儲(chǔ)-釋能耗高、成本高等不足等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種多能互補(bǔ)的源頭脫碳、制氫與儲(chǔ)氫一體化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)和化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)，所述化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)包括燃料反應(yīng)器、制氫反應(yīng)器、儲(chǔ)氫單元和氧化放熱反應(yīng)器。

2、其中，所述燃料反應(yīng)器與所述電解水制氫系統(tǒng)連接，氧載體與所述電解水制氫系統(tǒng)輸出的過(guò)剩氫氣在所述燃料反應(yīng)器中逆流接觸并進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成第一固體氧化物和水蒸氣；和/或所述氧載體與天然氣在所述燃料反應(yīng)器中逆流接觸并進(jìn)行完全氧化還原反應(yīng)生成第一固體氧化物及h2o與co2的混合氣。

3、所述燃料反應(yīng)器與所述制氫反應(yīng)器和所述儲(chǔ)氫單元連接，所述制氫反應(yīng)器采用所述第一固體氧化物與水蒸氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成氫氣和第二固體氧化物，所述儲(chǔ)氫單元將氫氣以所述第一固體氧化物的形式存儲(chǔ)。

4、所述氧化放熱反應(yīng)器與所述制氫反應(yīng)器和所述燃料反應(yīng)器連接，所述第二固體氧化物在所述氧化放熱反應(yīng)器內(nèi)氧化為所述氧載體后輸出至所述燃料反應(yīng)器。

5、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述氧化放熱反應(yīng)器還與所述燃料反應(yīng)器連接，所述燃料反應(yīng)器輸出的第一固體氧化物在所述氧化放熱反應(yīng)器內(nèi)氧化為所述氧載體后輸出至所述燃料反應(yīng)器。

6、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述燃料反應(yīng)器與所述氧化放熱反應(yīng)器之間設(shè)有旋風(fēng)分離器，所述旋風(fēng)分離器用于分離所述氧化放熱反應(yīng)器輸出的所述氧載體中的空氣。

7、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述儲(chǔ)氫單元上可分離連接有釋氫單元，所述釋氫單元與所述儲(chǔ)氫單元連接形成一體化儲(chǔ)氫釋氫單元，所述釋氫單元采用水蒸氣和所述儲(chǔ)氫單元輸出的所述第一固體氧化物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成氫氣和第二固體氧化物；

8、所述釋氫單元還與所述氧化放熱反應(yīng)器連接，所述第二固體氧化物輸出至所述氧化放熱反應(yīng)器中進(jìn)行氧化反應(yīng)生成所述氧載體并產(chǎn)生熱能。

9、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述制氫反應(yīng)器和所述釋氫單元上均連接有蒸汽發(fā)生器，所述蒸汽發(fā)生器利用所述制氫反應(yīng)器或所述釋氫單元產(chǎn)生的熱能將水液轉(zhuǎn)換為水蒸氣。

10、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述可再生能源發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能采用的可再生能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮芎蜕锬苤械娜我庖环N。

11、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述電解水制氫系統(tǒng)為質(zhì)子交換膜電解水制氫系統(tǒng)、中高壓電解水制氫系統(tǒng)和固體氧化物電解制氫系統(tǒng)中的任意一種，所述電解水制氫系統(tǒng)包括水輸入管路、氧氣輸出管路、兩個(gè)氫氣輸出管路和多個(gè)電解槽，其中一個(gè)所述氫氣輸出管路與所述燃料反應(yīng)器連接。

12、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)，所述監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)分別與所述可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、所述電解水制氫系統(tǒng)和所述化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)電連接，所述監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)用于依據(jù)發(fā)電需求、當(dāng)前發(fā)電量和氫氣需求調(diào)控所述電解水制氫系統(tǒng)和所述化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)的工作模式。

13、在一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)包括檢測(cè)模塊和調(diào)控模塊，所述檢測(cè)模塊用于采集所述可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、所述電解水制氫系統(tǒng)和所述化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，所述調(diào)控模塊依據(jù)所述數(shù)據(jù)、發(fā)電需求、實(shí)際發(fā)電量和氫氣需求，調(diào)控所述電解水制氫系統(tǒng)和所述化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)的工作模式。

14、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種多能互補(bǔ)的源頭脫碳、制氫與儲(chǔ)氫一體化的方法，采用上述多能互補(bǔ)的源頭脫碳、制氫與儲(chǔ)氫一體化的系統(tǒng)進(jìn)行制氫儲(chǔ)氫，所述方法包括以下步驟：

15、步驟1、獲取發(fā)電需求和氫氣需求，采集當(dāng)前發(fā)電量；

16、步驟2、當(dāng)所述發(fā)電需求＜所述當(dāng)前發(fā)電量時(shí)，控制所述電解水制氫系統(tǒng)工作制備氫氣；

17、步驟3、根據(jù)氫氣需求和所述電解水制氫系統(tǒng)制備的第一氫氣量，控制所述化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)的工作模式，包括：

18、步驟31、當(dāng)所述氫氣需求＞所述第一氫氣量時(shí)，通過(guò)所述燃料反應(yīng)器和所述制氫反應(yīng)器采用天然氣輔助制備氫氣，或通過(guò)所述儲(chǔ)氫單元存儲(chǔ)的第一固體氧化物的輔助制備氫氣；

19、步驟32、當(dāng)所述氫氣需求＜所述第一氫氣量時(shí)，采用所述燃料反應(yīng)器和所述儲(chǔ)氫單元將氫氣以第一固體氧化物的形式存儲(chǔ)。

20、在步驟31的一個(gè)可選的實(shí)施例中，所述當(dāng)所述氫氣需求＞所述第一氫氣量時(shí)，通過(guò)所述燃料反應(yīng)器和所述制氫反應(yīng)器采用天然氣輔助制備氫氣，包括：

21、步驟311、估算通過(guò)所述燃料反應(yīng)器采用天然氣輔助制備的第二氫氣量；

22、步驟312、當(dāng)所述第一氫氣量與所述第二氫氣量的和＜所述氫氣需求時(shí)，采用所述儲(chǔ)氫單元存儲(chǔ)的第一固體氧化物的輔助制備氫氣；

23、步驟313、當(dāng)所述第一氫氣量與所述第二氫氣量的和＞所述氫氣需求時(shí)，計(jì)算制氫比例和儲(chǔ)氫比例，根據(jù)制氫比例采用所述制氫反應(yīng)器制備氫氣，根據(jù)儲(chǔ)氫比例采用所述儲(chǔ)氫單元將氫氣以第一固體氧化物的形式存儲(chǔ)。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例采用的上述至少一個(gè)技術(shù)方案能夠達(dá)到的有益效果至少包括：本發(fā)明的多能互補(bǔ)的源頭脫碳、制氫與儲(chǔ)氫一體化的系統(tǒng)將可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與制氫系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)將制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電解水制氫系統(tǒng)和化學(xué)鏈脫碳制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)兩個(gè)分系統(tǒng)，根據(jù)可再生能源產(chǎn)生電能的多少、電能需求、氫氣需求等情況，對(duì)制氫系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行調(diào)控以對(duì)應(yīng)不同情況的生產(chǎn)運(yùn)行策略。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

25、1.通過(guò)引入化石燃料-天然氣的輔助，利用可再生能源與天然氣互補(bǔ)進(jìn)行制氫儲(chǔ)氫，有效平抑了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)因間歇性和波動(dòng)性而導(dǎo)致的能量輸出或物質(zhì)輸出的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)的氫氣穩(wěn)定輸出。

26、2.在采用化學(xué)鏈技術(shù)對(duì)氫氣進(jìn)行穩(wěn)定儲(chǔ)存和釋放的同時(shí)，利用特定條件下活潑氧載體(如fe2o3)與石燃料通過(guò)化學(xué)鏈反應(yīng)產(chǎn)生第一固體氧化物(如feo)，再通過(guò)第一固體氧化物與水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)出氫氣，以保障系統(tǒng)制氫連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷可調(diào)可控的目的。

27、3.在儲(chǔ)氫方面，將氫氣以利用化學(xué)鏈技術(shù)將活潑氧載體(如fe2o3)與化石燃料反應(yīng)產(chǎn)生的第一固體氧化物(如feo)作為儲(chǔ)氫手段，通過(guò)第一固體氧化物儲(chǔ)氫，可以實(shí)現(xiàn)能量密度高、能量?jī)?chǔ)存與釋放過(guò)程簡(jiǎn)單的目的，該方式較目前常用的高壓儲(chǔ)氫、液體燃料儲(chǔ)氫、固體金屬氫化物儲(chǔ)氫等技術(shù)有著較大優(yōu)勢(shì)，且易于同天然氣制氫過(guò)程耦合，利于多能互補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)。

28、4.通過(guò)所利用的化學(xué)鏈制氫儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)可通過(guò)氧化放熱反應(yīng)器部分實(shí)現(xiàn)自熱平衡，無(wú)需額外使用化石燃料進(jìn)行補(bǔ)燃提供熱量。

29、5.本發(fā)明僅利用電解水制氫以及化學(xué)鏈制氫儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行氫氣生產(chǎn)，通過(guò)汽水分離就可獲得高純度的h2流和高純度的co2，避免了傳統(tǒng)化石燃料重整制氫過(guò)程中所需的h2以及co2的分離提純工藝。