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新聞 » 可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述
可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述
2022/05/21 3:37:46
摘要：有效利用氫能是目前解決能源短缺及污染嚴重問題的有效手段，可再生能源制氫技術是氫能得到應用和發展的基石。首先，對制氫技術的基本原理及可再生能源互補系統制氫技術優勢進行了簡要概括。然后，基于可再生能源的氫能在國內外的研究發展歷程，將目前已解決或達成共識的問題進行歸納，對目前的氫能發展水平進行總結。在此基礎上，對基于可再生能源互補系統的氫能發展進行詳細闡述，對存在的歧義及疑難問題進行了深入的探討。最后從制氫、儲氫、運氫三個方面對氫能未來發展趨勢進行了全面的綜述，對氫能應用的發展方向進行預測。通過對制氫技術發展歷史、研究水平、發展趨勢以及氫能儲運、應用的深入分析，為可再生能源互補系統制氫技術的發展提供了借鑒和參考。
關鍵詞：可再生能源 多能互補 制氫 關鍵技術 趨勢
目前全球能源處于轉型過程，氫能作為二次能源，擁有來源多樣、方便存儲和運輸、應用廣泛等優勢，因此氫能可以推動現有能源系統向更新型、更優化的方向發展，可再生能源和二次新能源，如氫能[1-4]。氫氣作為清潔低碳的新能源，能夠幫助難以脫碳行業實現碳減排的目標；氫能以較低的成本豐富了可再生能源的存儲方式，可以幫助可再生能源調節能量波動，促進能源結構多元化并保障能源供應安全。目前，制氫原料以化石燃料為主，因此帶來了制氫成本高、碳排放污染環境等問題，而制氫過程的必要條件是清潔高效、無污染，制氫原料正在從化石燃料向可再生能源（風能、太陽能、水能等）方向逐漸發展2019 年底在甘肅酒泉開工建設的風、光、水、儲多能互補示范基地，該項目的建成不僅能夠提高當地的風光消納問題，還增加了制氫來源的多樣性-儲運-應用四個環節中，制氫是龍頭，氫能產業前景可期，要科學合理地選擇制氫工藝路徑，必須從源頭以滿足環保、經濟、安全、高效的要求，實現氫能的供給2019 年底，在建和已建加氫站將近 [8]。為此，本文簡要介紹了制氫技術的基本原理和系統模型，系統分析了國內外制氫技術發展水平，并結合目前氫能產業存在歧義及尚未解決的問題，提出了制氫、儲氫、用氫技術未來的發展思路及趨勢。
1 多能互補制氫的基本原理及技術優勢
1.1基本原理
可再生能源制氫技術[11]。并網型制氫是將發電機組接入電網，從電網取電的制氫方式，比如從風光耦合系統電網側取電，進行電解水制氫，主要應用于大規模風光耦合系統的消納和儲能。離網型制氫是將發電機組所產生的電能，不經過電網直接提供給電解水制氫設備進行制氫，主要應用于分布式制氫或局部燃料電池發電供能?；陲L電場、光伏站、水電站等現有結構，結合制氫技術的優勢，建立可再生能源多能互補制氫系統拓撲結構，如圖 [12]，整個制氫系統包括可再生能源發電機組、電解水制氫系統、儲氫系統、輸運系統、燃料電池、電網等。
可再生能源制氫技術主要包含電2 為電1。運氫技術主要有長管拖車運輸、液氫槽車運輸、管道運輸等，運氫技術優缺點對比見表 [13]。在目前發展較為迅速的清潔可再生能源中，風能、太陽能、水能應用最為廣泛-光[15-16]。
1.2.2 電解水制氫的安全性、清潔性及高效性
電解水制氫是電化學制氫技術，主要包括堿性電解制氫、酸性電解制氫、氯堿電解制氫、高溫電解制氫及光柱電解水制氫80%～30%～[18]。
1.2.3 多能互補電解水制氫技術優勢
在制氫產業方面，截至 96%來自于化石燃料，其中 30%來自于醇類裂解，4%左右，占比小的主要原因在于電解水制氫成本很高，是化石燃料的 [19]。電解水制氫技術能夠適應風-水等可再生能源發電系統不連續、不穩定的供電缺陷，降低電解水制氫成本，延長使用壽命，促進分布式能源經濟發展-光[21]。
氫能作為連接可再生能源的紐帶，使制氫技術備受關注。借力氫能源，實現多能互補，不僅為氫能制取開辟了更加清潔環保的途徑，還提高了能源資源的利用效率。在未來的發展過程中，不斷完善制氫技術將會是解決能源問題的終極方案。
22011 年，歐盟制定《2014 年，美國制定了《全面能源戰略》，其目的是發展能夠為清潔能源奠定基礎的低碳技術，并明確表明氫能在交通轉型中的主導作用2016 年，日本制定《面向 2019 年制定了《氫能計劃》，在工業上進行無碳化改革，實現可再生綜合能源制氫與氫2019 年，歐洲燃料電池和氫能聯合組織發布《歐洲氫能路線圖》，提出了面向中期（2020 年）和長期（2050 年）的氫能發展路線圖。
伴隨著政策層面的持續落地，示范項目也在逐漸建成。自 80 年代以來，全球氫能市場的規模進一步擴大，各國陸續啟動氫能源重大項目。2015 年，美因茨能源項目2018 年，德國的氫動力列車正式下線，在庫克斯港和布克斯特胡德之間約 M.U. Zaenal[24]針對可再生能源輸出功率低于閾值時的制氫技術進行研究，研究了功率波動對制氫過程及系統整體效率的影響，通過設計智能電源管理系統輔助制氫系統，在功率低于產氫閾值時并網運行，提高氫氣的質量。土耳其的 S.M.Baque Billah 針對 THD），且整個過程中不產生二氧化碳，通過實驗證實了電力系統的可行性，為多種可再生能源制氫提供了技術基礎Furat Dawood 提出了利用氫氣發電用于存儲可變的可再生能源（100％可再生和可持續的氫氣經濟-氫氣Alvaro Serna 考慮微電網中電解槽、超級電容器等重要組件，提出一種基于氫能的微電網長期和短期的模型預測控制（[28]。加拿大的 Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ[29]。南非的 SPEA 算法與遺傳算法（[30]。日本的[31]?？刂撇呗缘牟粩鄡灮龠M了制氫技術與多種可再生能源互補的結合，基于多能互補的制氫技術將會在電網、制氫、用氫等方面發揮重要作用。
國外對混合可再生能源制氫技術進行了一定的研究，但整個制氫系統仍然存在制氫效率偏低、制氫成本偏高的現象。從總體來看，對混合可再生能源制氫技術的研究還處于起步階段，仍存在諸多問題，如混合能源的協調控制方法，制氫設備對寬功率波動的適應性以及整個系統的故障及安全性分析。同時，由氫能向電能的轉換技術也將對氫能的發展起到促進的作用。協調控制可再生能源互補制氫不僅能夠提高能源的利用率，還可以降低制氫的成本。未來資金成本降低，制氫效率提高，設計更加緊湊，系統更加安全將成為發展方向。
2.2國內發展現狀
近年來，可再生能源綜合系統的迅猛發展以及電動汽車產業的興起提高了市場對于氫能技術的預期，國家對于氫能產業的發展十分重視。2019 年，“氫能”首次寫入國家政府報告，國家能源局發布了《綠色產業指導目錄》，積極鼓勵發展氫能，同時浙江、山西等地提出地方氫能發展政策，政府加大支持補貼力度。目前，中國已經形成七個氫能產業集群，并制定三大發展階段支撐氫能產業發展。
國內對制氫技術的高度重視及政策支持使我國的制氫產業發展態勢良好。863 項目示范工程建成了我國首個風光互補發電制氫站，將制氫技術、超高壓存儲技術以及加注技術融合為一體。2019 年，全球最大的風電制氫項目——沽源風電制氫綜合利用項目的工程進入收尾階段，全部完成之后，每年的產氫能力將會達到 m3（標準），與燃料電池等資源整合，解決當地的棄風、棄光問題。國電大渡河流域水電開發公司積極打造“川西氫能天路”，充分利用當地的水電資源，建設完成一座加氫站和氫能公交示范運行2014 年，張佩蘭等對制氫技術的經濟性進行分析，分析了現有的幾種工業化制氫技術，發現制氫技術的經濟性與制氫裝置成本及位置、規模密切相關[34]。經濟性問題是制約制氫技術發展的瓶頸之一，而制氫技術的不斷成熟將會成為解決電解水制氫成本問題的最佳選擇。在制氫技術經濟性能基礎上，對制氫技術本身也進行了創新研究。蔡國偉等建立了基于直流母線結構的綜合能源制氫系統，運用光伏最大功率點跟蹤（[35]。王代等探討了可再生能源與電網之間的相互作用，通過控制制氫系統，不僅可以緩解可再生能源的間歇性，還可以整合多個能源部門，更好地將可再生能源整合到電力系統中2019 年，李文磊等建立了分布式能源制氫的模型，分析了有儲能和無儲能系統及風速與光照強度變化對制氫效率的影響，有儲能系統的條件下，明顯提高了制氫效率，能夠平抑可再生能源造成的功率波動3 所示。電解水制氫將逐步滿足商業需求，實現分布式制氫，不僅可以實現制氫過程集中化，供氫過程區域化，還可以設計建造小型的電解水制氫裝備，達成氫能源的智慧互聯。
3多能互補制氫系統關鍵技術分析
可再生能源多能互補制氫系統的能源形式包括太陽能、水能、風能、潮汐能、生物質能和氫能等[39-40]。
為了提升能源系統利用效率及地方消納能力，綜合考慮系統經濟性、電網安全性、用戶舒適性，我國提出了實施多能互補系統集成優化工程，在能量供給端將各種可再生能源進行整合，在能量輸出端將冷、熱、電、氣等系統進行耦合優化，推動能量供給方式轉向低碳高效、就地利用、便捷用戶，加快推進能源結構的轉變[44]。多能互補系統控制策略不僅需要考慮對可再生能源發電量及負荷消耗等的預測結果，同時，還要考慮本地區的電價、氣價等相關情況，優化調度可再生能源系統，實現多種能量的互補調度[46-50]。針對目前多能互補發電技術及其相關評價指標缺乏對經濟性的考慮，依據灰色預測模型及 [51]。針對可再生能源存在的隨機性、波動性給電網帶來的強擾動問題，提出了基于比例優先級的采樣機制的深度強化學習算法，提高了控制性能及收斂速度，對區域化能源進行最優協調控制，并實現了多能互補系統安全運行Mixed Integer Linear Programming, MILP）模型，提出了最優混合潮流算法，研究了綜合能源系統規劃方法、調度策略、消納能力等[56]。
現階段，多能互補系統控制技術包括能源接入影響及其控制策略、多能互補優化運行技術、多能互補分層控制技術等方面。而在多能互補優化運行的過程中需要充分考慮能源出力的不確定性、能源的功率調節約束性以及儲能等設備的時間轉移特性，兼顧可再生能源與柔性負荷兩類可控資源。目前針對可再生能源多能互補系統協同控制策略的研究還處于起步階段，雖然研究人員在此方面已經進行了一些研究，但是隨著各種可再生能源發電技術的不斷進步，多能互補系統協調控制的研究難度將不斷增加，因此針對多能互補系統不同能源之間存在時間、空間上的差異，綜合考慮安全、經濟、高效等指標的協同控制策略的研究是必然的。
3.2儲能及容量配置
我國對可再生能源的研究略晚于西方國家，因此在基礎設施及核心技術上存在差距，特別是隨著可再生能源多能互補系統的興起，因能源利用率不高，導致經濟效益、環境效益等方面相較于西方發達國家的差異更加明顯，而多能互補系統的初衷就在于能源協調互補、節約能源，這也就使得儲能技術及其容量配置成為多能互補系統的核心基礎，加速了可再生能源的大規模應用[58]。電[59]，減少了化石燃料的消耗；作為清潔的化工原料，氫氣還可以制成燃料電池，轉換為電能[61]。儲氫技術優勢巨大，前景廣闊，但是由于是近幾年的新興技術，在儲氫材料、機理等方面仍存在許多的不足，例如，相同壓力的氫氣體積是汽油的 [62]。此外，其他的氫儲能技術也在飛速發展，如多孔材料、液態氫載體、復合氫化物、金屬間氫化物等材料和能量的電化學存儲、熱能存儲等技術，越來越多具有儲氫潛力的材料和技術將會被發現，促進能源的可持續性發展[64]。
儲能系統的運行方式主要有孤島運行和并網運行兩種[66-70]建立了風能、太陽能、電能及氫能等能量互補的多能互補系統，針對孤島模式下的風電功率模型、光電功率模型、儲能系統功率模型等模型，以預測功率、預測負荷、降低運營成本為目標，利用弱魯棒、多目標求解等優化方法，提出了孤島運行模式下的多能互補系統容量配置策略，實現了孤島運行利用最大化及容量最佳配置。文獻Technique for Order Preference by Similiarity to Ideal Solution, TOPSIS）方法來評估最佳容量配置，并將其思想應用到了其他離網系統中。文獻[73]提出了一種配電網中考慮經濟性和高效性的雙層優化配置方法，并且在此基礎上實現了短期運行優化布點，使得優化配置方法更符合實際運行情況。文獻[75]、光電制氫儲能[77]。目前傳統電力行業的能量管理系統經過幾十年的發展已趨于成熟，由于多能互補系統中包含多種可再生能源，能源自身存在隨機性、波動性[79]。
可再生能源多能互補系統能量管理方面的研究才剛剛起步，建立系統的理論基礎及管理系統還需要研究人員的共同努力。詹國敏等基于風/柴/離網狀態下均能穩定運行的能量管理控制策略，在并網下削峰填谷、峰谷套利，在離網下限制功率、自動吸收，對于系統長期穩定運行，延長設備壽命，降低運行成本等方面意義重大LINUX 操作系統、25%，證明了設計的多能互補能量管理系統具備極高的有效性，同時還指出系統存在的不足，下一步的研究還在進行當中[82]基于主動控制的雙層兩階段框架，實現能源之間的最優能源供應，一方面授權每個獨立的能源系統進行優化，以獨立地滿足本地需求，并相互協作，獲得了能源互聯的優點，提出的“兩階段 [83]提出了一種兩階段最優協調策略，以提取預測結果作為上層模型，以實際結果作為下層模型，并通過混沌算法改進粒子群算法，實現了多種能量形式的最優協同供應，并使得多能互補系統的經濟效益實現了最大化。
目前的多能耦合能量管理系統發展前景廣闊，未來的研究重點將集中在多能互補能量管理系統結合目前大數據和智能自主優化設計。在未來，多能互補制氫系統需要更加細化，考慮更多的運行約束條件，考慮多能互補系統從并網到獨立運行之間的平穩過渡，同時，精確預測負荷變化才能給能量管理提供可靠依據，保證系統經濟性和安全性。
3.4電解水制氫技術
在可再生能源互補系統中，將產生的電能利用電解水技術制成氫氣和氧氣，制得的氣體直接供給負荷或者轉換為電能并入電網，提高了互補系統能源的利用率，解決了棄電問題，還可以保障電力系統的安全穩定運行，是未來可再生能源大規?；谋赜芍?。對此，我國及其他一些歐美國家也進行了深入的研究，并在一些項目上加以應用，建立了示范性工程。電解水技術設備簡單、技術成熟、無污染，已經在工業中得以應用，但是因為其成本高、效率低、能耗大等關鍵問題限制了電解水制氫技術的廣泛推廣?？稍偕茉椿パa系統的發展，對于電解水制氫技術的發展起到了很好的推動作用，降低電解過程的能耗，提高能源轉換效率成為目前亟需解決的問題，為此研究人員進行了大量的工作。
依據電解質種類，可以分為堿性、質子交換膜、固體氧化物三種。三種典型制氫技術的對比見表 [84]。與堿性電解質制氫方式相比，質子交換膜避免了使用強堿性液體電解質所帶來的缺點，同時，緊湊精簡的體積降低了電解池的歐姆電阻，大幅提高了電解池的整體性能，運行電流密度是堿性電解槽的 [85]針對目前聚合物質子交換膜催化劑有限和厚度問題，制造了一種具有三種先進界面特性的不同微孔層的材料，由經濟性較高的鈦粉制成，改善了交換膜的界面性能和表面粗糙度，使得催化劑利用率提高了 400~1 000℃，可以利用熱量進行電氫轉換，具有能量轉換效率高且不需要使用貴金屬催化劑等優點，因而效率可以達到 600~800℃）下固體氧化物電解槽（[86]。為了提高離子電導率，降低電解過程的能耗，獲得最大的電壓穩定性，使用合成的聚合物電解質制備了雙電層電容器，減少了主體聚合物中的結晶，減小了損耗Proton Exchange Membrane, PEM）電解水成本高、耐久性差、無法大規模使用PEM水電解的成本降幅有限，但仍有投資成本優勢，初期經濟性更為明顯，所以，未來堿性電解水與 PEM 水電解的優點結合起來，堿性固體陰離子交換膜水電解技術將是未來的主要研究方向。對電解水技術進行更深入的研究，有利于推動多能互補系統的廣泛應用。
4氫能發展趨勢
氫能是全球能源技術革命的重要發展方向，也是可持續和安全的能源未來重要的組成部分。加快發展氫能產業，不僅可以應對全球環境危機，還可以保障能源供給，實現國家能源的可持續性發展。根據 2050 年，氫能源的消耗量將會是目前消耗量的2050 年實現持續利用可再生能源電解水制氫，大力發展生物制氫、太陽光解水制氫。
4.1.1電解水制氫技術
目前主流的制氫方式是煤氣化制氫、天然氣制氫。從成本角度看，煤氣化制氫成本最低，已存在利潤空間，電解水制氫僅占 2030 年，可再生能源制取氫氣成本可能下降 2050 年，可再生能源發電電解水將成為主流制氫技術。
4.1.2生物質能制氫技術
生物制氫原料來源廣且沒有污染，反應環境是常溫常壓，生產費用低，完全顛覆了傳統的能源的生產過程。作為一種環境友好型可再生能源，如果能夠利用生物質能實現制氫的工業化，不僅對能源的優化利用有積極作用，而且可以減少環境污染。生物制氫技術是一種高效產氫的生物工程技術，整個過程將存儲在自然界有機物（如蛋白質、植物中碳水化合物）中的能量釋放出來，通過細菌的作用產生氫氣。生物制氫的途徑主要有光解水、光發酵、暗發酵產氫和光暗耦合發酵等4。生物制氫優點眾多，比傳統的物理化學方法更加節能，可再生和低消耗，是未來規?；a氫的重要途徑。
4.1.3太陽能制氫技術
最近，在眾多的可再生能源制氫的技術中，研究人員正在重點開發太陽能制氫這項新技術。目前太陽能制氫技術實現的主要途徑有光化學制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫等5。隨著研究的深入，發現熱化學制氫技術在光照條件下可以利用光催化劑降低對溫度的要求，提出了一種熱化學循環制氫方法。光催化法制氫是在光照催化劑的作用下，使水分解制得氫氣。光催化分解水制氫技術目前研究工作主要是從改進催化劑性能來提高產氫效率。石墨烯具有超強的力學性能、導電性、導熱性以及透光性，而且價格低廉、制氫效率高，對石墨烯進行改造給未來低成本制氫提供很大的希望[94-95]。無機物儲氫是通過化學鍵與離子型非金屬氫化物（如絡合金屬氫化物 NH3BH4 等）相互作用進行氫氣的存儲，釋放的過程和儲氫合金原理相似，存儲在其中的氫氣以加熱的方式釋放。有機物儲氫是指利用苯或甲苯等液體與氫反應生成環乙烷，這種儲存運輸氫氣的方式不依靠耐高壓和低溫裝置，釋放時進行的脫氫反應需要催化劑，這也將是未來一項備受關注的儲氫技術。
4.3氫能應用發展趨勢
氫氣在提供清潔、安全、可靠和豐富能源方面有著巨大的發展前景，且應用領域十分廣泛，作為工業原料，可用于石油煉制、合成氨、甲醇等生產領域，少量用于鋼鐵、玻璃、電子、航空等工業領域，此外，還可用于交通領域，正在開發的氫燃料電池汽車行業剛剛起步，截至 FCEV（燃料電池電動汽車）庫存達 4 000 輛（比 80%），預計到 4 所示。
目前我國氫能發展已提升到戰略層面，但仍存在成本高、安全性待突破、基礎設施薄弱等問題，早期應以本地消納為主，優先發展加氫示范基礎設施及氫氣燃料電池等，逐步由本地化走向區域化，為我國產業發展、技術培育及基礎設施建設積攢經驗。隨著可再生能源系統的大規?；瘧?，燃料電池制作成本的大幅度下降，國內燃料電池車、加氫站將有較大增幅，我國能源消費結構將會以氫能為主要組成部分，國家的“能源獨立”有望完成，氫能產業會從區域發展逐步拓展到各主要市場，依托全國天然氣管網的氫氣與天然氣混輸將實現大規模運行，包括氫能輸送管網和加氫站在內的全國性基礎設施網絡基本形成。氫氣作為一種清潔能源，將在越來越多的領域得到應用。
5結論
本文對可再生能源互補系統制氫技術的發展進行了深入分析和總結。目前風電及太陽能發電制氫產業起步較早，技術已達到國際一流水平，在新能源制氫產業能夠先行一步，成為目前發展的主流?；旌峡稍偕茉椿パa系統使得能源的利用率得以提高，產生的氫氣作為一種清潔的新能源在眾多領域都有廣泛的應用?？傮w來說，國內關于混合可再生能源制氫技術發展相對緩慢，制氫技術仍然面臨諸多問題，當前能夠產業化的太陽能發電制氫、風電制氫和生物質氣化制氫經濟性不甚理想，與化石能源制氫相比競爭力較差。我國可再生能源產業的健康發展，能源結構的不斷優化需要加快研發和應用制氫、儲氫、氫燃料電池技術。因此，可再生能源多能互補制氫技術的發展具有十分重要的意義。
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