可再生能源多能互补制-储-运氢关键技术综述
2022/05/21 3:37:46
关键词：可再生能源 多能互补 制氢 关键技术 趋势
1 多能互补制氢的基本原理及技术优势
1.1基本原理
1.2.2 电解水制氢的安全性、清洁性及高效性
电解水制氢是电化学制氢技术，主要包括碱性电解制氢、酸性电解制氢、氯碱电解制氢、高温电解制氢及光柱电解水制氢80%～30%～[18]。
1.2.3 多能互补电解水制氢技术优势
在制氢产业方面，截至 96%来自于化石燃料，其中 30%来自于醇类裂解，4%左右，占比小的主要原因在于电解水制氢成本很高，是化石燃料的 [19]。电解水制氢技术能够适应风-水等可再生能源发电系统不连续、不稳定的供电缺陷，降低电解水制氢成本，延长使用寿命，促进分布式能源经济发展-光[21]。
氢能作为连接可再生能源的纽带，使制氢技术备受关注。借力氢能源，实现多能互补，不仅为氢能制取开辟了更加清洁环保的途径，还提高了能源资源的利用效率。在未来的发展过程中，不断完善制氢技术将会是解决能源问题的终极方案。
22011 年，欧盟制定《2014 年，美国制定了《全面能源战略》，其目的是发展能够为清洁能源奠定基础的低碳技术，并明确表明氢能在交通转型中的主导作用2016 年，日本制定《面向 2019 年制定了《氢能计划》，在工业上进行无碳化改革，实现可再生综合能源制氢与氢2019 年，欧洲燃料电池和氢能联合组织发布《欧洲氢能路线图》，提出了面向中期（2020 年）和长期（2050 年）的氢能发展路线图。
伴随着政策层面的持续落地，示范项目也在逐渐建成。自 80 年代以来，全球氢能市场的规模进一步扩大，各国陆续启动氢能源重大项目。2015 年，美因茨能源项目2018 年，德国的氢动力列车正式下线，在库克斯港和布克斯特胡德之间约 M.U. Zaenal[24]针对可再生能源输出功率低于阈值时的制氢技术进行研究，研究了功率波动对制氢过程及系统整体效率的影响，通过设计智能电源管理系统辅助制氢系统，在功率低于产氢阈值时并网运行，提高氢气的质量。土耳其的 S.M.Baque Billah 针对 THD），且整个过程中不产生二氧化碳，通过实验证实了电力系统的可行性，为多种可再生能源制氢提供了技术基础Furat Dawood 提出了利用氢气发电用于存储可变的可再生能源（100％可再生和可持续的氢气经济-氢气Alvaro Serna 考虑微电网中电解槽、超级电容器等重要组件，提出一种基于氢能的微电网长期和短期的模型预测控制（[28]。加拿大的 Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ[29]。南非的 SPEA 算法与遗传算法（[30]。日本的[31]。控制策略的不断优化促进了制氢技术与多种可再生能源互补的结合，基于多能互补的制氢技术将会在电网、制氢、用氢等方面发挥重要作用。
国外对混合可再生能源制氢技术进行了一定的研究，但整个制氢系统仍然存在制氢效率偏低、制氢成本偏高的现象。从总体来看，对混合可再生能源制氢技术的研究还处于起步阶段，仍存在诸多问题，如混合能源的协调控制方法，制氢设备对宽功率波动的适应性以及整个系统的故障及安全性分析。同时，由氢能向电能的转换技术也将对氢能的发展起到促进的作用。协调控制可再生能源互补制氢不仅能够提高能源的利用率，还可以降低制氢的成本。未来资金成本降低，制氢效率提高，设计更加紧凑，系统更加安全将成为发展方向。
2.2国内发展现状
近年来，可再生能源综合系统的迅猛发展以及电动汽车产业的兴起提高了市场对于氢能技术的预期，国家对于氢能产业的发展十分重视。2019 年，“氢能”首次写入国家政府报告，国家能源局发布了《绿色产业指导目录》，积极鼓励发展氢能，同时浙江、山西等地提出地方氢能发展政策，政府加大支持补贴力度。目前，中国已经形成七个氢能产业集群，并制定三大发展阶段支撑氢能产业发展。
国内对制氢技术的高度重视及政策支持使我国的制氢产业发展态势良好。863 项目示范工程建成了我国首个风光互补发电制氢站，将制氢技术、超高压存储技术以及加注技术融合为一体。2019 年，全球最大的风电制氢项目——沽源风电制氢综合利用项目的工程进入收尾阶段，全部完成之后，每年的产氢能力将会达到 m3（标准），与燃料电池等资源整合，解决当地的弃风、弃光问题。国电大渡河流域水电开发公司积极打造“川西氢能天路”，充分利用当地的水电资源，建设完成一座加氢站和氢能公交示范运行2014 年，张佩兰等对制氢技术的经济性进行分析，分析了现有的几种工业化制氢技术，发现制氢技术的经济性与制氢装置成本及位置、规模密切相关[34]。经济性问题是制约制氢技术发展的瓶颈之一，而制氢技术的不断成熟将会成为解决电解水制氢成本问题的最佳选择。在制氢技术经济性能基础上，对制氢技术本身也进行了创新研究。蔡国伟等建立了基于直流母线结构的综合能源制氢系统，运用光伏最大功率点跟踪（[35]。王代等探讨了可再生能源与电网之间的相互作用，通过控制制氢系统，不仅可以缓解可再生能源的间歇性，还可以整合多个能源部门，更好地将可再生能源整合到电力系统中2019 年，李文磊等建立了分布式能源制氢的模型，分析了有储能和无储能系统及风速与光照强度变化对制氢效率的影响，有储能系统的条件下，明显提高了制氢效率，能够平抑可再生能源造成的功率波动3 所示。电解水制氢将逐步满足商业需求，实现分布式制氢，不仅可以实现制氢过程集中化，供氢过程区域化，还可以设计建造小型的电解水制氢装备，达成氢能源的智慧互联。
3多能互补制氢系统关键技术分析
可再生能源多能互补制氢系统的能源形式包括太阳能、水能、风能、潮汐能、生物质能和氢能等[39-40]。
为了提升能源系统利用效率及地方消纳能力，综合考虑系统经济性、电网安全性、用户舒适性，我国提出了实施多能互补系统集成优化工程，在能量供给端将各种可再生能源进行整合，在能量输出端将冷、热、电、气等系统进行耦合优化，推动能量供给方式转向低碳高效、就地利用、便捷用户，加快推进能源结构的转变[44]。多能互补系统控制策略不仅需要考虑对可再生能源发电量及负荷消耗等的预测结果，同时，还要考虑本地区的电价、气价等相关情况，优化调度可再生能源系统，实现多种能量的互补调度[46-50]。针对目前多能互补发电技术及其相关评价指标缺乏对经济性的考虑，依据灰色预测模型及 [51]。针对可再生能源存在的随机性、波动性给电网带来的强扰动问题，提出了基于比例优先级的采样机制的深度强化学习算法，提高了控制性能及收敛速度，对区域化能源进行最优协调控制，并实现了多能互补系统安全运行Mixed Integer Linear Programming, MILP）模型，提出了最优混合潮流算法，研究了综合能源系统规划方法、调度策略、消纳能力等[56]。
现阶段，多能互补系统控制技术包括能源接入影响及其控制策略、多能互补优化运行技术、多能互补分层控制技术等方面。而在多能互补优化运行的过程中需要充分考虑能源出力的不确定性、能源的功率调节约束性以及储能等设备的时间转移特性，兼顾可再生能源与柔性负荷两类可控资源。目前针对可再生能源多能互补系统协同控制策略的研究还处于起步阶段，虽然研究人员在此方面已经进行了一些研究，但是随着各种可再生能源发电技术的不断进步，多能互补系统协调控制的研究难度将不断增加，因此针对多能互补系统不同能源之间存在时间、空间上的差异，综合考虑安全、经济、高效等指标的协同控制策略的研究是必然的。
3.2储能及容量配置
我国对可再生能源的研究略晚于西方国家，因此在基础设施及核心技术上存在差距，特别是随着可再生能源多能互补系统的兴起，因能源利用率不高，导致经济效益、环境效益等方面相较于西方发达国家的差异更加明显，而多能互补系统的初衷就在于能源协调互补、节约能源，这也就使得储能技术及其容量配置成为多能互补系统的核心基础，加速了可再生能源的大规模应用[58]。电[59]，减少了化石燃料的消耗；作为清洁的化工原料，氢气还可以制成燃料电池，转换为电能[61]。储氢技术优势巨大，前景广阔，但是由于是近几年的新兴技术，在储氢材料、机理等方面仍存在许多的不足，例如，相同压力的氢气体积是汽油的 [62]。此外，其他的氢储能技术也在飞速发展，如多孔材料、液态氢载体、复合氢化物、金属间氢化物等材料和能量的电化学存储、热能存储等技术，越来越多具有储氢潜力的材料和技术将会被发现，促进能源的可持续性发展[64]。
储能系统的运行方式主要有孤岛运行和并网运行两种[66-70]建立了风能、太阳能、电能及氢能等能量互补的多能互补系统，针对孤岛模式下的风电功率模型、光电功率模型、储能系统功率模型等模型，以预测功率、预测负荷、降低运营成本为目标，利用弱鲁棒、多目标求解等优化方法，提出了孤岛运行模式下的多能互补系统容量配置策略，实现了孤岛运行利用最大化及容量最佳配置。文献Technique for Order Preference by Similiarity to Ideal Solution, TOPSIS）方法来评估最佳容量配置，并将其思想应用到了其他离网系统中。文献[73]提出了一种配电网中考虑经济性和高效性的双层优化配置方法，并且在此基础上实现了短期运行优化布点，使得优化配置方法更符合实际运行情况。文献[75]、光电制氢储能[77]。目前传统电力行业的能量管理系统经过几十年的发展已趋于成熟，由于多能互补系统中包含多种可再生能源，能源自身存在随机性、波动性[79]。
可再生能源多能互补系统能量管理方面的研究才刚刚起步，建立系统的理论基础及管理系统还需要研究人员的共同努力。詹国敏等基于风/柴/离网状态下均能稳定运行的能量管理控制策略，在并网下削峰填谷、峰谷套利，在离网下限制功率、自动吸收，对于系统长期稳定运行，延长设备寿命，降低运行成本等方面意义重大LINUX 操作系统、25%，证明了设计的多能互补能量管理系统具备极高的有效性，同时还指出系统存在的不足，下一步的研究还在进行当中[82]基于主动控制的双层两阶段框架，实现能源之间的最优能源供应，一方面授权每个独立的能源系统进行优化，以独立地满足本地需求，并相互协作，获得了能源互联的优点，提出的“两阶段 [83]提出了一种两阶段最优协调策略，以提取预测结果作为上层模型，以实际结果作为下层模型，并通过混沌算法改进粒子群算法，实现了多种能量形式的最优协同供应，并使得多能互补系统的经济效益实现了最大化。
目前的多能耦合能量管理系统发展前景广阔，未来的研究重点将集中在多能互补能量管理系统结合目前大数据和智能自主优化设计。在未来，多能互补制氢系统需要更加细化，考虑更多的运行约束条件，考虑多能互补系统从并网到独立运行之间的平稳过渡，同时，精确预测负荷变化才能给能量管理提供可靠依据，保证系统经济性和安全性。
3.4电解水制氢技术
在可再生能源互补系统中，将产生的电能利用电解水技术制成氢气和氧气，制得的气体直接供给负荷或者转换为电能并入电网，提高了互补系统能源的利用率，解决了弃电问题，还可以保障电力系统的安全稳定运行，是未来可再生能源大规模化的必由之路。对此，我国及其他一些欧美国家也进行了深入的研究，并在一些项目上加以应用，建立了示范性工程。电解水技术设备简单、技术成熟、无污染，已经在工业中得以应用，但是因为其成本高、效率低、能耗大等关键问题限制了电解水制氢技术的广泛推广。可再生能源互补系统的发展，对于电解水制氢技术的发展起到了很好的推动作用，降低电解过程的能耗，提高能源转换效率成为目前亟需解决的问题，为此研究人员进行了大量的工作。
依据电解质种类，可以分为碱性、质子交换膜、固体氧化物三种。三种典型制氢技术的对比见表 [84]。与碱性电解质制氢方式相比，质子交换膜避免了使用强碱性液体电解质所带来的缺点，同时，紧凑精简的体积降低了电解池的欧姆电阻，大幅提高了电解池的整体性能，运行电流密度是碱性电解槽的 [85]针对目前聚合物质子交换膜催化剂有限和厚度问题，制造了一种具有三种先进界面特性的不同微孔层的材料，由经济性较高的钛粉制成，改善了交换膜的界面性能和表面粗糙度，使得催化剂利用率提高了 400~1 000℃，可以利用热量进行电氢转换，具有能量转换效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点，因而效率可以达到 600~800℃）下固体氧化物电解槽（[86]。为了提高离子电导率，降低电解过程的能耗，获得最大的电压稳定性，使用合成的聚合物电解质制备了双电层电容器，减少了主体聚合物中的结晶，减小了损耗Proton Exchange Membrane, PEM）电解水成本高、耐久性差、无法大规模使用PEM水电解的成本降幅有限，但仍有投资成本优势，初期经济性更为明显，所以，未来碱性电解水与 PEM 水电解的优点结合起来，碱性固体阴离子交换膜水电解技术将是未来的主要研究方向。对电解水技术进行更深入的研究，有利于推动多能互补系统的广泛应用。
4氢能发展趋势
氢能是全球能源技术革命的重要发展方向，也是可持续和安全的能源未来重要的组成部分。加快发展氢能产业，不仅可以应对全球环境危机，还可以保障能源供给，实现国家能源的可持续性发展。根据 2050 年，氢能源的消耗量将会是目前消耗量的2050 年实现持续利用可再生能源电解水制氢，大力发展生物制氢、太阳光解水制氢。
4.1.1电解水制氢技术
目前主流的制氢方式是煤气化制氢、天然气制氢。从成本角度看，煤气化制氢成本最低，已存在利润空间，电解水制氢仅占 2030 年，可再生能源制取氢气成本可能下降 2050 年，可再生能源发电电解水将成为主流制氢技术。
4.1.2生物质能制氢技术
生物制氢原料来源广且没有污染，反应环境是常温常压，生产费用低，完全颠覆了传统的能源的生产过程。作为一种环境友好型可再生能源，如果能够利用生物质能实现制氢的工业化，不仅对能源的优化利用有积极作用，而且可以减少环境污染。生物制氢技术是一种高效产氢的生物工程技术，整个过程将存储在自然界有机物（如蛋白质、植物中碳水化合物）中的能量释放出来，通过细菌的作用产生氢气。生物制氢的途径主要有光解水、光发酵、暗发酵产氢和光暗耦合发酵等4。生物制氢优点众多，比传统的物理化学方法更加节能，可再生和低消耗，是未来规模化产氢的重要途径。
4.1.3太阳能制氢技术
最近，在众多的可再生能源制氢的技术中，研究人员正在重点开发太阳能制氢这项新技术。目前太阳能制氢技术实现的主要途径有光化学制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢等5。随着研究的深入，发现热化学制氢技术在光照条件下可以利用光催化剂降低对温度的要求，提出了一种热化学循环制氢方法。光催化法制氢是在光照催化剂的作用下，使水分解制得氢气。光催化分解水制氢技术目前研究工作主要是从改进催化剂性能来提高产氢效率。石墨烯具有超强的力学性能、导电性、导热性以及透光性，而且价格低廉、制氢效率高，对石墨烯进行改造给未来低成本制氢提供很大的希望[94-95]。无机物储氢是通过化学键与离子型非金属氢化物（如络合金属氢化物 NH3BH4 等）相互作用进行氢气的存储，释放的过程和储氢合金原理相似，存储在其中的氢气以加热的方式释放。有机物储氢是指利用苯或甲苯等液体与氢反应生成环乙烷，这种储存运输氢气的方式不依靠耐高压和低温装置，释放时进行的脱氢反应需要催化剂，这也将是未来一项备受关注的储氢技术。
氢气在提供清洁、安全、可靠和丰富能源方面有着巨大的发展前景，且应用领域十分广泛，作为工业原料，可用于石油炼制、合成氨、甲醇等生产领域，少量用于钢铁、玻璃、电子、航空等工业领域，此外，还可用于交通领域，正在开发的氢燃料电池汽车行业刚刚起步，截至 FCEV（燃料电池电动汽车）库存达 4 000 辆（比 80%），预计到 4 所示。
目前我国氢能发展已提升到战略层面，但仍存在成本高、安全性待突破、基础设施薄弱等问题，早期应以本地消纳为主，优先发展加氢示范基础设施及氢气燃料电池等，逐步由本地化走向区域化，为我国产业发展、技术培育及基础设施建设积攒经验。随着可再生能源系统的大规模化应用，燃料电池制作成本的大幅度下降，国内燃料电池车、加氢站将有较大增幅，我国能源消费结构将会以氢能为主要组成部分，国家的“能源独立”有望完成，氢能产业会从区域发展逐步拓展到各主要市场，依托全国天然气管网的氢气与天然气混输将实现大规模运行，包括氢能输送管网和加氢站在内的全国性基础设施网络基本形成。氢气作为一种清洁能源，将在越来越多的领域得到应用。
5结论
本文对可再生能源互补系统制氢技术的发展进行了深入分析和总结。目前风电及太阳能发电制氢产业起步较早，技术已达到国际一流水平，在新能源制氢产业能够先行一步，成为目前发展的主流。混合可再生能源互补系统使得能源的利用率得以提高，产生的氢气作为一种清洁的新能源在众多领域都有广泛的应用。总体来说，国内关于混合可再生能源制氢技术发展相对缓慢，制氢技术仍然面临诸多问题，当前能够产业化的太阳能发电制氢、风电制氢和生物质气化制氢经济性不甚理想，与化石能源制氢相比竞争力较差。我国可再生能源产业的健康发展，能源结构的不断优化需要加快研发和应用制氢、储氢、氢燃料电池技术。因此，可再生能源多能互补制氢技术的发展具有十分重要的意义。
