李 爭(zhēng) 張 蕊 孫鶴旭 張文達(dá) 梅春曉

（1. 河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 石家莊 050018 2. 河北建投新能源有限公司 石家莊 050051）

0 引言

目前全球能源處于轉(zhuǎn)型過(guò)程，氫能作為二次能源，擁有來(lái)源多樣、方便存儲(chǔ)和運(yùn)輸、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì)，因此氫能可以推動(dòng)現(xiàn)有能源系統(tǒng)向更新型、更優(yōu)化的方向發(fā)展，可再生能源和二次新能源，如氫能/電能的相互結(jié)合利用將會(huì)成為未來(lái)能源發(fā)展的趨勢(shì)[1-4]。氫氣作為清潔低碳的新能源，能夠幫助難以脫碳行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的目標(biāo)；氫能以較低的成本豐富了可再生能源的存儲(chǔ)方式，可以幫助可再生能源調(diào)節(jié)能量波動(dòng)，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)多元化并保障能源供應(yīng)安全。目前，制氫原料以化石燃料為主，因此帶來(lái)了制氫成本高、碳排放污染環(huán)境等問(wèn)題，而制氫過(guò)程的必要條件是清潔高效、無(wú)污染，制氫原料正在從化石燃料向可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能等）方向逐漸發(fā)展[5]。例如：2019年底在甘肅酒泉開(kāi)工建設(shè)的風(fēng)、光、水、儲(chǔ)多能互補(bǔ)示范基地，該項(xiàng)目的建成不僅能夠提高當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光消納問(wèn)題，還增加了制氫來(lái)源的多樣性[6]。

利用可再生能源替代化石燃料的制氫，將是清潔、高效制氫的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制備-儲(chǔ)運(yùn)-加注-應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)中，制氫是龍頭，氫能產(chǎn)業(yè)前景可期，要科學(xué)合理地選擇制氫工藝路徑，必須從源頭以滿足環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的要求，實(shí)現(xiàn)氫能的供給[7]。從可再生能源中獲得氫能，一方面解決了可再生能源的能量密度低、穩(wěn)定性差等不可靠因素，另一方面解決了并網(wǎng)的不安全性及傳統(tǒng)蓄電池儲(chǔ)能不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存的缺點(diǎn)，對(duì)于減少可再生能源的不必要浪費(fèi)及就地消納具有重要意義。

近年來(lái)，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展加快，產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局不斷強(qiáng)化。隨著政策的引導(dǎo)、技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)構(gòu)建的逐步完善，截至2019年底，在建和已建加氫站將近140座，其中半數(shù)已經(jīng)建成并投入運(yùn)營(yíng)，但仍存在關(guān)鍵材料和上層核心技術(shù)尚未自主、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足等諸多瓶頸[8]。為此，本文簡(jiǎn)要介紹了制氫技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)模型，系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外制氫技術(shù)發(fā)展水平，并結(jié)合目前氫能產(chǎn)業(yè)存在歧義及尚未解決的問(wèn)題，提出了制氫、儲(chǔ)氫、用氫技術(shù)未來(lái)的發(fā)展思路及趨勢(shì)。

1 多能互補(bǔ)制氫的基本原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 基本原理

可再生能源制氫技術(shù)[9-10]是將可再生能源通過(guò)風(fēng)機(jī)、太陽(yáng)能電池、水泵等發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換成電能，電能通過(guò)電解水制氫設(shè)備轉(zhuǎn)換成氫氣，將氫氣輸送至氫氣應(yīng)用終端或經(jīng)燃料電池并入電網(wǎng)中，完成從可再生能源到氫能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電能來(lái)源的不同，可將可再生能源制氫技術(shù)分為并網(wǎng)型制氫和離網(wǎng)型制氫兩種[11]。并網(wǎng)型制氫是將發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)光耦合系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)光耦合系統(tǒng)的消納和儲(chǔ)能。離網(wǎng)型制氫是將發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能，不經(jīng)過(guò)電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫，主要應(yīng)用于分布式制氫或局部燃料電池發(fā)電供能?；陲L(fēng)電場(chǎng)、光伏站、水電站等現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，結(jié)合制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，建立可再生能源多能互補(bǔ)制氫系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示[12]，整個(gè)制氫系統(tǒng)包括可再生能源發(fā)電機(jī)組、電解水制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、輸運(yùn)系統(tǒng)、燃料電池、電網(wǎng)等。

圖1 制氫系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of hydrogen production system

可再生能源制氫技術(shù)主要包含電-氫轉(zhuǎn)換和氫氣儲(chǔ)運(yùn)兩大關(guān)鍵技術(shù)。圖2為電-氫轉(zhuǎn)換示意圖，左側(cè)電解水裝置消耗電能產(chǎn)生氫氣，實(shí)現(xiàn)電能向氫能的轉(zhuǎn)換，右側(cè)燃料電池或熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組利用氫氣產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)氫能向電能的轉(zhuǎn)換。制氫技術(shù)的制約因素在于降低成本、提高能效、大規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)搭建等方面；儲(chǔ)氫技術(shù)目前主要有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫等，儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表 1。運(yùn)氫技術(shù)主要有長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸、液氫槽車運(yùn)輸、管道運(yùn)輸?shù)?，運(yùn)氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表 2。儲(chǔ)運(yùn)方式都存在較明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，因此儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)也是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的因素。

圖2 電-氫轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Schematic of electro-hydrogen conversion

表1 儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of hydrogen storage technology

表2 運(yùn)氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of hydrogen transport technology

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.2.1 多能互補(bǔ)的高適應(yīng)性

隨著國(guó)家在可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的政策調(diào)整，多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)追求利益最大化、效益共贏成為必然[13]。在目前發(fā)展較為迅速的清潔可再生能源中，風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能應(yīng)用最為廣泛[14]。風(fēng)能和太陽(yáng)能分布廣、發(fā)展?jié)摿Υ螅谴嬖谀芰棵芏鹊汀⒎€(wěn)定性差等問(wèn)題；水力發(fā)電穩(wěn)定性高，但存在流量小、枯水期等問(wèn)題。而我國(guó)的風(fēng)-光-水等可再生能源恰好季節(jié)互補(bǔ)，夏季太陽(yáng)能、水能充足，冬季風(fēng)能充足，正好處于枯水期，因此多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)發(fā)電系統(tǒng)是未來(lái)的研究重點(diǎn)[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(xué)制氫技術(shù)，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[17]。離子焦耳膜酸性電解水制氫是氫能燃料電池的逆過(guò)程，能量效率可以達(dá)到 80%～90%，操作過(guò)程是酸性和高電壓過(guò)程，存在器件腐蝕及損害的問(wèn)題，目前產(chǎn)業(yè)化的制氫是堿性的電解水制氫，其系統(tǒng)損害小、安全性高，效率是 30%～40%；其過(guò)程是電化學(xué)反應(yīng)，是一個(gè)零污染、零排放的過(guò)程，產(chǎn)物只有氫氣和氧氣，氯堿電解制氫技術(shù)中附加一個(gè)氯氣和氫氧化鈉，都是工業(yè)中常用的化學(xué)物質(zhì)，離子焦耳膜隔膜的發(fā)展，使該技術(shù)從各個(gè)方面都比較成熟，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，符合國(guó)家發(fā)展純綠色能源的理念；電解水制氫技術(shù)產(chǎn)生氫氣效率高、純度高，此外，整體的反應(yīng)速度可以通過(guò)槽電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制氫速率的控制[18]。

1.2.3 多能互補(bǔ)電解水制氫技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在制氫產(chǎn)業(yè)方面，截至2020年初，全球的氫氣產(chǎn)量將近上億噸，有96%來(lái)自于化石燃料，其中48%來(lái)自于化石燃料的裂解，30%來(lái)自于醇類裂解，18%來(lái)自于焦?fàn)t氣；電解水占比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2倍多一些[19]。電解水制氫技術(shù)能夠適應(yīng)風(fēng)-光-水等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)不連續(xù)、不穩(wěn)定的供電缺陷，降低電解水制氫成本，延長(zhǎng)使用壽命，促進(jìn)分布式能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展[20]；風(fēng)-光-水等可再生能源通過(guò)制氫、用氫的過(guò)程，將能量進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換，使能量對(duì)用戶的供應(yīng)過(guò)程變得更加便捷靈活。因此，可再生能源多能互補(bǔ)電解水制氫技術(shù)的興起是必然的，同時(shí)也是未來(lái)的必由之路[21]。

氫能作為連接可再生能源的紐帶，使制氫技術(shù)備受關(guān)注。借力氫能源，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，不僅為氫能制取開(kāi)辟了更加清潔環(huán)保的途徑，還提高了能源資源的利用效率。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，不斷完善制氫技術(shù)將會(huì)是解決能源問(wèn)題的終極方案。

2. 基于可再生能源的氫能發(fā)展研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

氫能作為重要的二次能源，是解決未來(lái)能源危機(jī)的最有潛力的能源之一，是全球能源向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型的主要路徑，是未來(lái)主要的清潔綠色能源。近年來(lái)，世界各國(guó)將氫能的發(fā)展上升為國(guó)家層面的戰(zhàn)略，制定行動(dòng)計(jì)劃，繪制發(fā)展路線圖，積極探索前進(jìn)的路徑。2011年，歐盟制定《2050能源技術(shù)路線圖》，把脫碳作為核心目標(biāo)之一，將氫能作為能源系統(tǒng)的重要組成，與燃料電池共同成為未來(lái)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主要因素。2014年，美國(guó)制定了《全面能源戰(zhàn)略》，其目的是發(fā)展能夠?yàn)榍鍧嵞茉吹於ɑA(chǔ)的低碳技術(shù)，并明確表明氫能在交通轉(zhuǎn)型中的主導(dǎo)作用[22]。2016年，日本制定《面向2050能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略的計(jì)劃》，在創(chuàng)新領(lǐng)域內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展氫能，推動(dòng)制氫、儲(chǔ)氫、氫發(fā)電技術(shù)向更成熟的方向發(fā)展，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，最終構(gòu)建清潔無(wú)污染的“氫能社會(huì)”。德國(guó)也在同年重新修訂了氫能源戰(zhàn)略規(guī)劃。法國(guó)在2019年制定了《氫能計(jì)劃》，在工業(yè)上進(jìn)行無(wú)碳化改革，實(shí)現(xiàn)可再生綜合能源制氫與氫-電轉(zhuǎn)換，構(gòu)建能源網(wǎng)絡(luò)。2019年，歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織發(fā)布《歐洲氫能路線圖》，提出了面向中期（2010—2020年）和長(zhǎng)期（2020—2050年）的氫能發(fā)展路線圖。

伴隨著政策層面的持續(xù)落地，示范項(xiàng)目也在逐漸建成。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球氫能市場(chǎng)的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，各國(guó)陸續(xù)啟動(dòng)氫能源重大項(xiàng)目。2013年，德國(guó)勃蘭登堡建成世界上第一座以氫能源作為電力存儲(chǔ)中介的混合能源電站，其電解獲得的氫氣通過(guò)燃燒驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電能繼續(xù)電解制氫。2015年，美因茨能源項(xiàng)目[23]正式啟動(dòng)，是目前全球最大的氫氣站，該項(xiàng)目最主要的目的是將清潔的可再生能源轉(zhuǎn)換為氫氣的形式加以利用和存儲(chǔ)，有效地緩解了可再生能源系統(tǒng)并入電網(wǎng)造成的波動(dòng)問(wèn)題。2018年，德國(guó)的氫動(dòng)力列車正式下線，在庫(kù)克斯港和布克斯特胡德之間約 100km的線路上工作，成為最早的一批氫能與燃料電池結(jié)合使用的示范項(xiàng)目。

國(guó)外研究人員對(duì)可再生能源綜合能源系統(tǒng)制氫技術(shù)進(jìn)行分析，從制、儲(chǔ)、發(fā)電和控制策略等不同方面對(duì)制氫技術(shù)的影響進(jìn)行改進(jìn)。俄羅斯的 M.U.Zaenal[24]針對(duì)可再生能源輸出功率低于閾值時(shí)的制氫技術(shù)進(jìn)行研究，研究了功率波動(dòng)對(duì)制氫過(guò)程及系統(tǒng)整體效率的影響，通過(guò)設(shè)計(jì)智能電源管理系統(tǒng)輔助制氫系統(tǒng)，在功率低于產(chǎn)氫閾值時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行，提高氫氣的質(zhì)量。土耳其的 Fatih Yilmaz[25]設(shè)計(jì)了一個(gè)包含風(fēng)電、光電、制氫及儲(chǔ)氫等集成循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行了詳細(xì)的熱力學(xué)性能評(píng)估，表明參考溫度的升高會(huì)降低電廠性能、凈發(fā)電量和氫氣產(chǎn)生率，同時(shí)指出太陽(yáng)能和風(fēng)能作為可再生能源中使用最廣泛的能源，當(dāng)太陽(yáng)輻射不足或夜晚時(shí)，與風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)合使用可提供許多優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)清潔、可持續(xù)，擬研究的方向強(qiáng)調(diào)了清潔氫氣生產(chǎn)對(duì)環(huán)境有益的重要性。構(gòu)建多能互補(bǔ)的集成循環(huán)系統(tǒng)，從輸出功率、熱力學(xué)性能角度進(jìn)行優(yōu)化，從制氫自身環(huán)節(jié)提高能源的利用率。孟加拉的S.M.Baque Billah針對(duì)Patenga地區(qū)充足的太陽(yáng)能、風(fēng)能，結(jié)合潮汐能制取氫氣，提出了一種基于儲(chǔ)能的沿海地區(qū)電力系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由氫氣根據(jù)負(fù)荷量驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低電網(wǎng)總諧波失真（THD），且整個(gè)過(guò)程中不產(chǎn)生二氧化碳，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電力系統(tǒng)的可行性，為多種可再生能源制氫提供了技術(shù)基礎(chǔ)[26]。儲(chǔ)能技術(shù)可將多能互補(bǔ)產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行存儲(chǔ)，跟隨負(fù)荷切換補(bǔ)償，保障多種能源持續(xù)發(fā)電和輸出穩(wěn)定，提高電網(wǎng)接納間歇式多能互補(bǔ)的能力。澳大利亞的Furat Dawood提出了利用氫氣發(fā)電用于存儲(chǔ)可變的可再生能源（Renewable Energy, RE），以實(shí)現(xiàn)100%可再生和可持續(xù)的氫氣經(jīng)濟(jì)[27]。將氫能系統(tǒng)（能源-氫氣-電能）劃分為生產(chǎn)、儲(chǔ)存、安全和利用四個(gè)主要階段，指出制氫途徑和具體技術(shù)選擇取決于可利用的能量和原料的類型以及所需的最終用途和純度，并對(duì)制氫途徑和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行綜述，說(shuō)明了氫方格的各個(gè)角上的相互聯(lián)系。氫氣作為一種良好的能量存儲(chǔ)介質(zhì)，可以高效地將氫能與電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，凸顯了氫氣作為能源載體的優(yōu)勢(shì)。西班牙的Alvaro Serna考慮微電網(wǎng)中電解槽、超級(jí)電容器等重要組件，提出一種基于氫能的微電網(wǎng)長(zhǎng)期和短期的模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control, MPC），該控制可自主優(yōu)化電解裝置的運(yùn)行過(guò)程，確保電解槽制氫過(guò)程中的健康狀態(tài)[28]。加拿大的Shaimaa Seyam利用快速非支配排序算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ NSGA-Ⅱ）尋找混合可再生能源系統(tǒng)中能量效率、產(chǎn)氫質(zhì)量及冷卻負(fù)荷之間的最佳結(jié)合點(diǎn)，以埃及和沙特阿拉伯地區(qū)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證實(shí)了該算法可以提高產(chǎn)氫效率[29]。南非的 G.Human介紹了一種小型獨(dú)立可再生能源制氫系統(tǒng)的規(guī)模和功率管理的優(yōu)化方法，將SPEA算法與遺傳算法（Genetic Algorithm, GA）結(jié)合，優(yōu)化系統(tǒng)效率、成本和可靠性，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了所提方法能夠同時(shí)對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[30]。日本的Daiji Yamashit基于可再生能源的波動(dòng)性，提出一種控制負(fù)載和電源之間電流的不平衡和系統(tǒng)內(nèi)部的功率流的系統(tǒng)，通過(guò)仿真分析，該方法能夠控制輸入和輸出功率的階梯形狀和隨機(jī)變化，通過(guò)電池補(bǔ)償了電力需求中的高頻波動(dòng)，通過(guò)電解槽處理了剩余的低頻波動(dòng)，兩者相互配合提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[31]?？刂撇呗缘牟粩鄡?yōu)化促進(jìn)了制氫技術(shù)與多種可再生能源互補(bǔ)的結(jié)合，基于多能互補(bǔ)的制氫技術(shù)將會(huì)在電網(wǎng)、制氫、用氫等方面發(fā)揮重要作用。

國(guó)外對(duì)混合可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，但整個(gè)制氫系統(tǒng)仍然存在制氫效率偏低、制氫成本偏高的現(xiàn)象。從總體來(lái)看，對(duì)混合可再生能源制氫技術(shù)的研究還處于起步階段，仍存在諸多問(wèn)題，如混合能源的協(xié)調(diào)控制方法，制氫設(shè)備對(duì)寬功率波動(dòng)的適應(yīng)性以及整個(gè)系統(tǒng)的故障及安全性分析。同時(shí)，由氫能向電能的轉(zhuǎn)換技術(shù)也將對(duì)氫能的發(fā)展起到促進(jìn)的作用。協(xié)調(diào)控制可再生能源互補(bǔ)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(lái)資金成本降低，制氫效率提高，設(shè)計(jì)更加緊湊，系統(tǒng)更加安全將成為發(fā)展方向。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，可再生能源綜合系統(tǒng)的迅猛發(fā)展以及電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的興起提高了市場(chǎng)對(duì)于氫能技術(shù)的預(yù)期，國(guó)家對(duì)于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分重視。2016年，我國(guó)發(fā)布《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線圖》，提出“實(shí)現(xiàn)大規(guī)模，低成本制取、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、應(yīng)用氫氣”。同年，印發(fā)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，重點(diǎn)發(fā)展氫能等能夠引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。2019年，“氫能”首次寫入國(guó)家政府報(bào)告，國(guó)家能源局發(fā)布了《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄》，積極鼓勵(lì)發(fā)展氫能，同時(shí)浙江、山西等地提出地方氫能發(fā)展政策，政府加大支持補(bǔ)貼力度。目前，中國(guó)已經(jīng)形成七個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)集群，并制定三大發(fā)展階段支撐氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)對(duì)制氫技術(shù)的高度重視及政策支持使我國(guó)的制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。2016年，大連“十二五”863項(xiàng)目示范工程建成了我國(guó)首個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫站，將制氫技術(shù)、超高壓存儲(chǔ)技術(shù)以及加注技術(shù)融合為一體。2018年，國(guó)家能源局在廣州開(kāi)發(fā)了能源綜合利用示范區(qū)，實(shí)現(xiàn)超前布局氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，發(fā)揮聚集效應(yīng)，積極打造“中國(guó)氫谷”。2019年，全球最大的風(fēng)電制氫項(xiàng)目——沽源風(fēng)電制氫綜合利用項(xiàng)目的工程進(jìn)入收尾階段，全部完成之后，每年的產(chǎn)氫能力將會(huì)達(dá)到 1 752萬(wàn) m3（標(biāo)準(zhǔn)），與燃料電池等資源整合，解決當(dāng)?shù)氐臈夛L(fēng)、棄光問(wèn)題。國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)公司積極打造“川西氫能天路”，充分利用當(dāng)?shù)氐乃娰Y源，建設(shè)完成一座加氫站和氫能公交示范運(yùn)行[32]。山東省以濟(jì)南為核心，建設(shè)集氫能源科技園、氫能源產(chǎn)業(yè)園、氫能源會(huì)展商務(wù)區(qū)三位一體氫能源經(jīng)濟(jì)圈。以兗礦集團(tuán)為代表的龍頭企業(yè)擁有一流制氫技術(shù)，形成供應(yīng)端產(chǎn)氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)氫的完整產(chǎn)業(yè)體系，推動(dòng)氫能源分別以集中式供給和分布式供給兩種方式發(fā)展的示范應(yīng)用。我國(guó)風(fēng)電制氫技術(shù)研發(fā)起步較晚，進(jìn)展較為緩慢。目前尚無(wú)成熟的商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)電制氫儲(chǔ)能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)?？稍偕茉粗茪涫痉豆こ淘O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)、效率提升和經(jīng)濟(jì)性方面未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

國(guó)內(nèi)的制氫技術(shù)研究起步相對(duì)較晚，對(duì)可再生能源制氫技術(shù)的研究較少，主要從經(jīng)濟(jì)性和控制策略角度對(duì)制氫技術(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化。2014年，張佩蘭等對(duì)制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，分析了現(xiàn)有的幾種工業(yè)化制氫技術(shù)，發(fā)現(xiàn)制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與制氫裝置成本及位置、規(guī)模密切相關(guān)[33]。金雪等從目前制氫的成本、壽命及效率考慮，針對(duì)西部地區(qū)可再生能源難以消納的問(wèn)題，提出利用制氫技術(shù)解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題，分析了制氫、儲(chǔ)氫技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，給出了燃料電池氫儲(chǔ)能及氫混天然氣兩種發(fā)展思路[34]。經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題是制約制氫技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一，而制氫技術(shù)的不斷成熟將會(huì)成為解決電解水制氫成本問(wèn)題的最佳選擇。在制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能基礎(chǔ)上，對(duì)制氫技術(shù)本身也進(jìn)行了創(chuàng)新研究。蔡國(guó)偉等建立了基于直流母線結(jié)構(gòu)的綜合能源制氫系統(tǒng)，運(yùn)用光伏最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法對(duì)能源進(jìn)行預(yù)測(cè)，針對(duì)混合系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，提高了制氫系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的穩(wěn)定性[35]。王代等探討了可再生能源與電網(wǎng)之間的相互作用，通過(guò)控制制氫系統(tǒng)，不僅可以緩解可再生能源的間歇性，還可以整合多個(gè)能源部門，更好地將可再生能源整合到電力系統(tǒng)中[36]。2019年，李文磊等建立了分布式能源制氫的模型，分析了有儲(chǔ)能和無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)及風(fēng)速與光照強(qiáng)度變化對(duì)制氫效率的影響，有儲(chǔ)能系統(tǒng)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(dòng)[37]。依靠我國(guó)優(yōu)越的自然資源條件，加上制氫技術(shù)的不斷發(fā)展，可再生能源制氫是長(zhǎng)期必然趨勢(shì)。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)光等可再生能源協(xié)同制氫是可行的。然而可再生能源受環(huán)境影響，導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)較大、間歇性強(qiáng)，很難大規(guī)模單獨(dú)應(yīng)用，我國(guó)水資源儲(chǔ)備豐富，水庫(kù)蓄水可以抑制能源波動(dòng)，同時(shí)對(duì)風(fēng)光能源進(jìn)行調(diào)節(jié)。能源互補(bǔ)協(xié)同發(fā)電，可以提高能源利用率，推動(dòng)工業(yè)及生活向更加低碳清潔的方向發(fā)展。電解水制氫過(guò)程同樣可以有效地緩解可再生能源引起的功率波動(dòng)，將會(huì)貫穿于氫能發(fā)展的整個(gè)過(guò)程?？稍偕茉椿パa(bǔ)系統(tǒng)電解水制氫的技術(shù)將會(huì)不斷成熟，制氫成本也將逐漸下降，制氫來(lái)源傾向于電解水制氫，氫氣主要來(lái)源趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖如圖3所示。電解水制氫將逐步滿足商業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)分布式制氫，不僅可以實(shí)現(xiàn)制氫過(guò)程集中化，供氫過(guò)程區(qū)域化，還可以設(shè)計(jì)建造小型的電解水制氫裝備，達(dá)成氫能源的智慧互聯(lián)。

圖3 氫氣主要來(lái)源趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖Fig.3 Prediction chart of major hydrogen source trends

3 多能互補(bǔ)制氫系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

可再生能源多能互補(bǔ)制氫系統(tǒng)的能源形式包括太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能和氫能等[38]，近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)、水電裝機(jī)、光伏產(chǎn)業(yè)及生物質(zhì)能等可再生能源利用方面發(fā)展迅猛，已經(jīng)走在世界的前列，但是由于可再生能源本身的間歇、隨機(jī)、波動(dòng)等特性，使得電網(wǎng)抗波動(dòng)能力不足，無(wú)法保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，再加上地域限制、消納能力等因素導(dǎo)致棄風(fēng)、棄水、棄光問(wèn)題明顯[39-40]。

為了提升能源系統(tǒng)利用效率及地方消納能力，綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)安全性、用戶舒適性，我國(guó)提出了實(shí)施多能互補(bǔ)系統(tǒng)集成優(yōu)化工程，在能量供給端將各種可再生能源進(jìn)行整合，在能量輸出端將冷、熱、電、氣等系統(tǒng)進(jìn)行耦合優(yōu)化，推動(dòng)能量供給方式轉(zhuǎn)向低碳高效、就地利用、便捷用戶，加快推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[41-43]。當(dāng)前可再生能源多能互補(bǔ)制氫技術(shù)發(fā)展尚不成熟，在能源互補(bǔ)及制氫技術(shù)等各個(gè)環(huán)節(jié)中都存在很多問(wèn)題，需要重點(diǎn)發(fā)展并亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)包括多能源的協(xié)調(diào)控制策略、儲(chǔ)能及容量配置、能量管理、電解水制氫技術(shù)等。

3.1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

多能互補(bǔ)系統(tǒng)中能源形式多樣，電源及儲(chǔ)能裝置的耦合對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行條件提高了要求，因此多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制策略的研究成為重中之重，不僅要考慮可再生能源、電網(wǎng)、儲(chǔ)能、負(fù)荷等相結(jié)合的方式，還要依靠協(xié)調(diào)控制策略使能源互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全可靠、清潔高效、經(jīng)濟(jì)便民等指標(biāo)[44]。多能互補(bǔ)系統(tǒng)控制策略不僅需要考慮對(duì)可再生能源發(fā)電量及負(fù)荷消耗等的預(yù)測(cè)結(jié)果，同時(shí)，還要考慮本地區(qū)的電價(jià)、氣價(jià)等相關(guān)情況，優(yōu)化調(diào)度可再生能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種能量的互補(bǔ)調(diào)度[45]。

隨著分布式可再生能源不斷規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)，電網(wǎng)的頻率控制越發(fā)困難，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、深度學(xué)習(xí)等各種算法應(yīng)用到能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中[46-50]。針對(duì)目前多能互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)及其相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)缺乏對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮，依據(jù)灰色預(yù)測(cè)模型及Weibull 分布模型進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，提出了一種綜合多指標(biāo)的多能互補(bǔ)策略[51]。針對(duì)可再生能源存在的隨機(jī)性、波動(dòng)性給電網(wǎng)帶來(lái)的強(qiáng)擾動(dòng)問(wèn)題，提出了基于比例優(yōu)先級(jí)的采樣機(jī)制的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，提高了控制性能及收斂速度，對(duì)區(qū)域化能源進(jìn)行最優(yōu)協(xié)調(diào)控制，并實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)系統(tǒng)安全運(yùn)行[52]。針對(duì)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益的考慮，對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)建立多能互補(bǔ)綜合系統(tǒng)混合整數(shù)線性規(guī)劃（Mixed Integer Linear Programming, MILP）模型，提出了最優(yōu)混合潮流算法，研究了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法、調(diào)度策略、消納能力等[53-55]。為了確保多能互補(bǔ)系統(tǒng)達(dá)到計(jì)劃指標(biāo)，以互補(bǔ)系數(shù)為橋梁聯(lián)合子系統(tǒng)和綜合發(fā)電系統(tǒng)，建立了全面客觀的日內(nèi)時(shí)間尺度綜合能源互補(bǔ)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系[56]。

現(xiàn)階段，多能互補(bǔ)系統(tǒng)控制技術(shù)包括能源接入影響及其控制策略、多能互補(bǔ)優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)、多能互補(bǔ)分層控制技術(shù)等方面。而在多能互補(bǔ)優(yōu)化運(yùn)行的過(guò)程中需要充分考慮能源出力的不確定性、能源的功率調(diào)節(jié)約束性以及儲(chǔ)能等設(shè)備的時(shí)間轉(zhuǎn)移特性，兼顧可再生能源與柔性負(fù)荷兩類可控資源。目前針對(duì)可再生能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)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(jīng)進(jìn)行了一些研究，但是隨著各種可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，多能互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究難度將不斷增加，因此針對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)不同能源之間存在時(shí)間、空間上的差異，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、高效等指標(biāo)的協(xié)同控制策略的研究是必然的。

3.2 儲(chǔ)能及容量配置

我國(guó)對(duì)可再生能源的研究略晚于西方國(guó)家，因此在基礎(chǔ)設(shè)施及核心技術(shù)上存在差距，特別是隨著可再生能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)的興起，因能源利用率不高，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等方面相較于西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差異更加明顯，而多能互補(bǔ)系統(tǒng)的初衷就在于能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)、節(jié)約能源，這也就使得儲(chǔ)能技術(shù)及其容量配置成為多能互補(bǔ)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，加速了可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用[57]。針對(duì)可再生能源的儲(chǔ)能技術(shù)，改善了風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源的波動(dòng)性、間歇性對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響，對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)展起到了重要作用。

目前，按照儲(chǔ)能形式將應(yīng)用在可再生能源中的儲(chǔ)能裝置分為：機(jī)械儲(chǔ)能（抽水蓄能等）、電化學(xué)儲(chǔ)能（鋰離子電池等）、電磁儲(chǔ)能（超級(jí)電容器等）、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫等[58]。電-氫轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電能與氫能之間的相互轉(zhuǎn)換，相較于其他的儲(chǔ)能方式，制氫技術(shù)提高了可再生能源的利用率，為能源消納提供了新的途徑[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(zhuǎn)換為電能[60]，儲(chǔ)氫技術(shù)完成了能量?jī)?chǔ)存及后續(xù)的清潔利用，是未來(lái)儲(chǔ)能方式的重要研究方向[61]。儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)勢(shì)巨大，前景廣闊，但是由于是近幾年的新興技術(shù)，在儲(chǔ)氫材料、機(jī)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 30倍，而如果繼續(xù)壓縮，則會(huì)造成成本昂貴，且安全隱患較大。國(guó)內(nèi)外研究人員為此進(jìn)行了大量的研究，著重對(duì)固態(tài)儲(chǔ)氫的材料進(jìn)行總結(jié)歸納，并對(duì)材料的機(jī)理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，提出兩種競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的材料——類碳結(jié)構(gòu)材料和金屬及合金材料。通過(guò)對(duì)石墨材料的進(jìn)一步研究，得到新的具有特殊功能的碳基結(jié)構(gòu)，分別是富勒烯和納米管結(jié)構(gòu)。通過(guò)將氫氣存儲(chǔ)在金屬中得到金屬氫化物，這種方式被廣泛地應(yīng)用到了許多小型便攜式裝置領(lǐng)域[62]。此外，其他的氫儲(chǔ)能技術(shù)也在飛速發(fā)展，如多孔材料、液態(tài)氫載體、復(fù)合氫化物、金屬間氫化物等材料和能量的電化學(xué)存儲(chǔ)、熱能存儲(chǔ)等技術(shù)，越來(lái)越多具有儲(chǔ)氫潛力的材料和技術(shù)將會(huì)被發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)能源的可持續(xù)性發(fā)展[63]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，但是不合理操作可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)元件損耗，嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生火災(zāi)。為了保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，降低運(yùn)行成本，需要合理配置各種能源的產(chǎn)能、儲(chǔ)存及消納過(guò)程。對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量、功率分配進(jìn)行合理規(guī)劃，提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是研究重點(diǎn)之一[64]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式主要有孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種[65]。文獻(xiàn)[66-70]建立了風(fēng)能、太陽(yáng)能、電能及氫能等能量互補(bǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，針對(duì)孤島模式下的風(fēng)電功率模型、光電功率模型、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率模型等模型，以預(yù)測(cè)功率、預(yù)測(cè)負(fù)荷、降低運(yùn)營(yíng)成本為目標(biāo)，利用弱魯棒、多目標(biāo)求解等優(yōu)化方法，提出了孤島運(yùn)行模式下的多能互補(bǔ)系統(tǒng)容量配置策略，實(shí)現(xiàn)了孤島運(yùn)行利用最大化及容量最佳配置。文獻(xiàn)[71]依據(jù)菲律賓島嶼對(duì)可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)的容量配置方案進(jìn)行研究，考慮了成本、占地面積等因素，采用熵權(quán)重和“與理想解決方案相似的順序偏好技術(shù)”（Technique for Order Preference by Similiarity to Ideal Solution, TOPSIS）方法來(lái)評(píng)估最佳容量配置，并將其思想應(yīng)用到了其他離網(wǎng)系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[72]以多能協(xié)調(diào)優(yōu)化、最佳運(yùn)行效益為出發(fā)點(diǎn)，在簡(jiǎn)化的多能互補(bǔ)系統(tǒng)模型中，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合相應(yīng)的示范工程，對(duì)其配置方案進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[73]提出了一種配電網(wǎng)中考慮經(jīng)濟(jì)性和高效性的雙層優(yōu)化配置方法，并且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了短期運(yùn)行優(yōu)化布點(diǎn)，使得優(yōu)化配置方法更符合實(shí)際運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[74]使用遺傳算法針對(duì)氣候、經(jīng)濟(jì)等多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，考慮了初始成本、生命周期成本和電源概率損失等因素，實(shí)現(xiàn)了可再生能源系統(tǒng)的最優(yōu)化容量配置。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用多種可再生能源互補(bǔ)的方式制氫是可行的。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)存在壽命短，容量小的缺點(diǎn)，而多種可再生能源制氫儲(chǔ)能方式具有運(yùn)輸方便、容量高等優(yōu)點(diǎn)。儲(chǔ)氫方式、儲(chǔ)氫材料及容量配置的優(yōu)化使得可再生能源大范圍存儲(chǔ)率提高。多種可再生能源互補(bǔ)制氫的存儲(chǔ)方式為能量的存儲(chǔ)提供了新的解決途徑。

針對(duì)能源種類不同的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，其容量?jī)?yōu)化方案也存在差異。目前的容量配置方案大多結(jié)合以往較為傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，或者單一能源下的風(fēng)電制氫儲(chǔ)能[75]、光電制氫儲(chǔ)能[76]等，大規(guī)模的可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)制氫儲(chǔ)能的研究甚少，氫的存儲(chǔ)仍然是個(gè)挑戰(zhàn)，將氫靈活地制成可存儲(chǔ)產(chǎn)品能夠提高可再生能源制氫的使用效率。因此，氫能作為未來(lái)發(fā)展前景廣闊的儲(chǔ)能方式，制氫儲(chǔ)能與多能互補(bǔ)系統(tǒng)的深度耦合利用等技術(shù)將是未來(lái)的主要研究方向。

3.3 能量管理

能量管理系統(tǒng)涵蓋電網(wǎng)、可再生能源、負(fù)荷、儲(chǔ)能等能量流，并通過(guò)信息流對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃調(diào)控，是可再生能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)中的重要組成，有利于保障多能互補(bǔ)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[77]。目前傳統(tǒng)電力行業(yè)的能量管理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已趨于成熟，由于多能互補(bǔ)系統(tǒng)中包含多種可再生能源，能源自身存在隨機(jī)性、波動(dòng)性[78]，各種能源多能耦合時(shí)又存在時(shí)間、空間上差異，傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)作用不大，為了實(shí)現(xiàn)能源的高效利用、能源之間的協(xié)同出力及負(fù)荷的合理分配，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和控制十分必要，因此，亟需在多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理方面進(jìn)行深入研究[79]。

可再生能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理方面的研究才剛剛起步，建立系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)及管理系統(tǒng)還需要研究人員的共同努力。詹國(guó)敏等基于風(fēng)/光/柴/儲(chǔ)能源系統(tǒng)，在考慮各式能源設(shè)備的運(yùn)行約束條件下，提出了一種在并/離網(wǎng)狀態(tài)下均能穩(wěn)定運(yùn)行的能量管理控制策略，在并網(wǎng)下削峰填谷、峰谷套利，在離網(wǎng)下限制功率、自動(dòng)吸收，對(duì)于系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低運(yùn)行成本等方面意義重大[80]。趙川等基于目前興起的大數(shù)據(jù)，搭建了完整的多能互補(bǔ)能量管理系統(tǒng)，完成了多能互補(bǔ)能量管理系統(tǒng)的 LINUX 操作系統(tǒng)、NOSOL 數(shù)據(jù)庫(kù)及控制器等軟硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)建的能量管理系統(tǒng)，效率比之前提高25%，證明了設(shè)計(jì)的多能互補(bǔ)能量管理系統(tǒng)具備極高的有效性，同時(shí)還指出系統(tǒng)存在的不足，下一步的研究還在進(jìn)行當(dāng)中[81]。

同時(shí)，分層次分階段的多互連多能互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)同自主優(yōu)化也是目前廣受關(guān)注的研究方法之一，文獻(xiàn)[82]基于主動(dòng)控制的雙層兩階段框架，實(shí)現(xiàn)能源之間的最優(yōu)能源供應(yīng)，一方面授權(quán)每個(gè)獨(dú)立的能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以獨(dú)立地滿足本地需求，并相互協(xié)作，獲得了能源互聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，提出的“兩階段TC框架”保證了協(xié)作以分布式和可擴(kuò)展的方式進(jìn)行，并且收斂速度很快。文獻(xiàn)[83]提出了一種兩階段最優(yōu)協(xié)調(diào)策略，以提取預(yù)測(cè)結(jié)果作為上層模型，以實(shí)際結(jié)果作為下層模型，并通過(guò)混沌算法改進(jìn)粒子群算法，實(shí)現(xiàn)了多種能量形式的最優(yōu)協(xié)同供應(yīng)，并使得多能互補(bǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)了最大化。

目前的多能耦合能量管理系統(tǒng)發(fā)展前景廣闊，未來(lái)的研究重點(diǎn)將集中在多能互補(bǔ)能量管理系統(tǒng)結(jié)合目前大數(shù)據(jù)和智能自主優(yōu)化設(shè)計(jì)。在未來(lái)，多能互補(bǔ)制氫系統(tǒng)需要更加細(xì)化，考慮更多的運(yùn)行約束條件，考慮多能互補(bǔ)系統(tǒng)從并網(wǎng)到獨(dú)立運(yùn)行之間的平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)，精確預(yù)測(cè)負(fù)荷變化才能給能量管理提供可靠依據(jù)，保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性。

3.4 電解水制氫技術(shù)

在可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)中，將產(chǎn)生的電能利用電解水技術(shù)制成氫氣和氧氣，制得的氣體直接供給負(fù)荷或者轉(zhuǎn)換為電能并入電網(wǎng)，提高了互補(bǔ)系統(tǒng)能源的利用率，解決了棄電問(wèn)題，還可以保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是未來(lái)可再生能源大規(guī)?；谋赜芍?。對(duì)此，我國(guó)及其他一些歐美國(guó)家也進(jìn)行了深入的研究，并在一些項(xiàng)目上加以應(yīng)用，建立了示范性工程。電解水技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、無(wú)污染，已經(jīng)在工業(yè)中得以應(yīng)用，但是因?yàn)槠涑杀靖?、效率低、能耗大等關(guān)鍵問(wèn)題限制了電解水制氫技術(shù)的廣泛推廣?？稍偕茉椿パa(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于電解水制氫技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動(dòng)作用，降低電解過(guò)程的能耗，提高能源轉(zhuǎn)換效率成為目前亟需解決的問(wèn)題，為此研究人員進(jìn)行了大量的工作。

依據(jù)電解質(zhì)種類，可以分為堿性、質(zhì)子交換膜、固體氧化物三種。三種典型制氫技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)表3。傳統(tǒng)的堿性電解質(zhì)制氫不需要昂貴的催化劑且壽命較長(zhǎng)，但電能損耗大，難以快速關(guān)閉或啟動(dòng)，制氫效率低，不能與具有快速波動(dòng)特性的可再生能源配合，限制了其應(yīng)用范圍[84]。與堿性電解質(zhì)制氫方式相比，質(zhì)子交換膜避免了使用強(qiáng)堿性液體電解質(zhì)所帶來(lái)的缺點(diǎn)，同時(shí)，緊湊精簡(jiǎn)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(yùn)行電流密度是堿性電解槽的4倍以上，寬范圍的運(yùn)行電流密度更有利于配合可再生能源的波動(dòng)性，具有效率高、氣體純度高、綠色環(huán)保、能耗低和可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)氣壓力等優(yōu)勢(shì)，而且，是制氫領(lǐng)域極具發(fā)展前景的電解制氫技術(shù)之一。質(zhì)子交換膜大多采用成本較高的貴金屬，而且在使用過(guò)程中會(huì)降解損耗，主要通過(guò)降低催化劑載量、開(kāi)發(fā)合金催化劑等途徑降低成本?，F(xiàn)階段催化劑、電解池材料的成本較高，主要解決途徑是提高電解池的效率，即，提高膜材料、催化劑與擴(kuò)散層材料的技術(shù)水平。文獻(xiàn)[85]針對(duì)目前聚合物質(zhì)子交換膜催化劑有限和厚度問(wèn)題，制造了一種具有三種先進(jìn)界面特性的不同微孔層的材料，由經(jīng)濟(jì)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 3倍。固體氧化物電解水采用固體氧化物作為電解質(zhì)材料，工作溫度在400～1 000℃，可以利用熱量進(jìn)行電氫轉(zhuǎn)換，具有能量轉(zhuǎn)換效率高且不需要使用貴金屬催化劑等優(yōu)點(diǎn)，因而效率可以達(dá)到100%。還可與光熱發(fā)電廠協(xié)調(diào)配合，使所有輸入能源完全為可再生能源。現(xiàn)階段，固體氧化物電解水技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)階段，在電解模式下存在較大的損耗，需要研發(fā)新材料來(lái)降低損失，提高其在高溫下的耐用性。為了提高在中等溫度（600～800℃）下固體氧化物電解槽（Solid Oxide Electrolyzer, SOEC）中鎳基陰極的性能，制備了鎳鐵雙金屬陰極，獲得了在相同電池電動(dòng)勢(shì)下更高的電流及良好的穩(wěn)定性[86]。為了提高離子電導(dǎo)率，降低電解過(guò)程的能耗，獲得最大的電壓穩(wěn)定性，使用合成的聚合物電解質(zhì)制備了雙電層電容器，減少了主體聚合物中的結(jié)晶，減小了損耗[87]。

表3 三種典型制氫技術(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of three typical hydrogen production technologies

對(duì)于電解水制氫技術(shù)來(lái)說(shuō)，堿性電解水價(jià)格低廉，但是能效低；質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）電解水成本高、耐久性差、無(wú)法大規(guī)模使用[88]；固體電解水要求工作在較高溫度下，目前還在實(shí)驗(yàn)室階段。在未來(lái)，堿性電解水和PEM水電解的成本降幅有限，但仍有投資成本優(yōu)勢(shì)，初期經(jīng)濟(jì)性更為明顯，所以，未來(lái)堿性電解水與PEM水電解的研究重點(diǎn)在于成本、效率和靈活性之間的平衡。此外，發(fā)展新的低成本、高效率的電解體系也是有效途徑。在堿性條件下，由于可以使用低成本的非貴金屬催化劑，結(jié)合固體電解質(zhì)與堿性體系的特點(diǎn)，采用堿性固體電解質(zhì)代替質(zhì)子交換膜，將傳統(tǒng)堿性電解質(zhì)制氫與 PEM 水電解的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，堿性固體陰離子交換膜水電解技術(shù)將是未來(lái)的主要研究方向。對(duì)電解水技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，有利于推動(dòng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

4 氫能發(fā)展趨勢(shì)

氫能是全球能源技術(shù)革命的重要發(fā)展方向，也是可持續(xù)和安全的能源未來(lái)重要的組成部分。加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，不僅可以應(yīng)對(duì)全球環(huán)境危機(jī)，還可以保障能源供給，實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源的可持續(xù)性發(fā)展。根據(jù) IEA公布的《氫能源未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告》，預(yù)計(jì)到2050年，氫能源的消耗量將會(huì)是目前消耗量的10倍。世界各國(guó)都在大力發(fā)展制氫技術(shù)，占領(lǐng)國(guó)際氫能源的制高點(diǎn)。因此本節(jié)從制備—儲(chǔ)存—運(yùn)輸—應(yīng)用四個(gè)方面考慮，對(duì)氫能發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

4.1 制氫方式發(fā)展趨勢(shì)

制氫技術(shù)處于氫能發(fā)展的上游，目前主流的綠色制氫技術(shù)主要有電解水制氫、生物制氫、太陽(yáng)能制氫等。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟，我國(guó)氫能制取的遠(yuǎn)期目標(biāo)是到 2050年實(shí)現(xiàn)持續(xù)利用可再生能源電解水制氫，大力發(fā)展生物制氫、太陽(yáng)光解水制氫。

4.1.1 電解水制氫技術(shù)

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(rùn)空間，電解水制氫僅占4%，制約電解水制氫技術(shù)發(fā)展的主要因素是成本過(guò)高、收益為負(fù)；從綠色環(huán)保角度看，電解水制氫低碳、可持續(xù)，相較于目前主流制氫技術(shù)，是可持續(xù)和低污染的，是理論上最理想的制氫技術(shù)，符合可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家政策。未來(lái)制氫技術(shù)的發(fā)展主要受技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等因素影響。國(guó)際能源署發(fā)布最新報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源制取氫氣成本可能下降30%[89]?？稍偕C合能源利用發(fā)展迅速，制氫方式也不斷增加，但未來(lái)制取氫氣的方式仍然為電解水制氫技術(shù)，其發(fā)展前景廣闊，到2050年，可再生能源發(fā)電電解水將成為主流制氫技術(shù)。

4.1.2 生物質(zhì)能制氫技術(shù)

生物制氫原料來(lái)源廣且沒(méi)有污染，反應(yīng)環(huán)境是常溫常壓，生產(chǎn)費(fèi)用低，完全顛覆了傳統(tǒng)的能源的生產(chǎn)過(guò)程。作為一種環(huán)境友好型可再生能源，如果能夠利用生物質(zhì)能實(shí)現(xiàn)制氫的工業(yè)化，不僅對(duì)能源的優(yōu)化利用有積極作用，而且可以減少環(huán)境污染。生物制氫技術(shù)是一種高效產(chǎn)氫的生物工程技術(shù)，整個(gè)過(guò)程將存儲(chǔ)在自然界有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、植物中碳水化合物）中的能量釋放出來(lái)，通過(guò)細(xì)菌的作用產(chǎn)生氫氣。生物制氫的途徑主要有光解水、光發(fā)酵、暗發(fā)酵產(chǎn)氫和光暗耦合發(fā)酵等[90]。幾種生物制氫方法的比較見(jiàn)表 4。生物制氫優(yōu)點(diǎn)眾多，比傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法更加節(jié)能，可再生和低消耗，是未來(lái)規(guī)?；a(chǎn)氫的重要途徑。

4.1.3 太陽(yáng)能制氫技術(shù)

最近，在眾多的可再生能源制氫的技術(shù)中，研究人員正在重點(diǎn)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能制氫這項(xiàng)新技術(shù)。目前太陽(yáng)能制氫技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要途徑有光化學(xué)制氫、光催化法制氫、人工光合作用制氫等[91]。幾種太陽(yáng)能制氫技術(shù)的方法比較見(jiàn)表 5。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)熱化學(xué)制氫技術(shù)在光照條件下可以利用光催化劑降低對(duì)溫度的要求，提出了一種熱化學(xué)循環(huán)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(shù)目前研究工作主要是從改進(jìn)催化劑性能來(lái)提高產(chǎn)氫效率。石墨烯具有超強(qiáng)的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及透光性，而且價(jià)格低廉、制氫效率高，對(duì)石墨烯進(jìn)行改造給未來(lái)低成本制氫提供很大的希望[92-93]。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，廢水中的有機(jī)物可以通過(guò)自身的電子給體實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能制氫和太陽(yáng)能去污，其過(guò)程只需要簡(jiǎn)單地將廢水處理與光催化制氫結(jié)合，所以這也是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

表4 生物質(zhì)能制氫技術(shù)對(duì)比Tab.4 Comparison of biomass energy hydrogen production technology

表5 太陽(yáng)能制氫技術(shù)對(duì)比Tab.5 Comparison of solar hydrogen production technology

太陽(yáng)能制氫技術(shù)還在初步的研究階段，隨著資金大量的投入，對(duì)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和進(jìn)步必將越來(lái)越快，光催化劑制氫技術(shù)能進(jìn)一步完善、生物制氫的效率進(jìn)一步提高的希望也會(huì)更大，前景十分廣闊。

4.2 儲(chǔ)運(yùn)氫方式發(fā)展趨勢(shì)

高效利用氫氣的關(guān)鍵在于氫氣的儲(chǔ)運(yùn)，同時(shí)它也是影響氫能向大規(guī)模方向發(fā)展的重要因素。因此，對(duì)氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的研究成為重點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)階段儲(chǔ)存氫氣的途徑主要有：多孔材料及金屬合金等物理類固態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、深冷液化儲(chǔ)氫等。儲(chǔ)運(yùn)方式已在前文進(jìn)行對(duì)比，此處不再贅述。目前氫氣儲(chǔ)運(yùn)主要以氣態(tài)為主，主要是因其成本低、簡(jiǎn)便易行、充放氣速度快，但安全隱患系數(shù)較高。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展緩慢，該技術(shù)存在難度系數(shù)大、液化成本高、能耗大和絕熱材料成本高等弊端。而固態(tài)儲(chǔ)氫方式優(yōu)勢(shì)眾多，操作方便，是三種方式中最具發(fā)展前景的儲(chǔ)氫方式，也是儲(chǔ)氫技術(shù)研究?jī)?nèi)容中前沿的方向之一。隨著未來(lái)儲(chǔ)氫合金的使用過(guò)程更加便利，成本更加低廉，其有望成為未來(lái)主要的儲(chǔ)氫方式。

此外，隨著研究的深入，出現(xiàn)了無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫和有機(jī)物儲(chǔ)氫[94-95]。無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫是通過(guò)化學(xué)鍵與離子型非金屬氫化物（如絡(luò)合金屬氫化物 NaBH4、NH3BH4等）相互作用進(jìn)行氫氣的存儲(chǔ)，釋放的過(guò)程和儲(chǔ)氫合金原理相似，存儲(chǔ)在其中的氫氣以加熱的方式釋放。有機(jī)物儲(chǔ)氫是指利用苯或甲苯等液體與氫反應(yīng)生成環(huán)乙烷，這種儲(chǔ)存運(yùn)輸氫氣的方式不依靠耐高壓和低溫裝置，釋放時(shí)進(jìn)行的脫氫反應(yīng)需要催化劑，這也將是未來(lái)一項(xiàng)備受關(guān)注的儲(chǔ)氫技術(shù)。

4.3 氫能應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

氫氣在提供清潔、安全、可靠和豐富能源方面有著巨大的發(fā)展前景，且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，作為工業(yè)原料，可用于石油煉制、合成氨、甲醇等生產(chǎn)領(lǐng)域，少量用于鋼鐵、玻璃、電子、航空等工業(yè)領(lǐng)域，此外，還可用于交通領(lǐng)域，正在開(kāi)發(fā)的氫燃料電池汽車行業(yè)剛剛起步，截至2018年底，全球FCEV（燃料電池電動(dòng)汽車）庫(kù)存達(dá)11 200輛，當(dāng)年銷量約為4 000輛（比2017年增長(zhǎng)80%），預(yù)計(jì)到2030年，燃料電池汽車行業(yè)將實(shí)現(xiàn)大幅發(fā)展，預(yù)測(cè)趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 2018～2030年部分國(guó)家燃料電池電動(dòng)汽車目標(biāo)Fig.4 Some national fuel cell electric vehicle targets for 2018-2030

目前我國(guó)氫能發(fā)展已提升到戰(zhàn)略層面，但仍存在成本高、安全性待突破、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱等問(wèn)題，早期應(yīng)以本地消納為主，優(yōu)先發(fā)展加氫示范基礎(chǔ)設(shè)施及氫氣燃料電池等，逐步由本地化走向區(qū)域化，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)培育及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)積攢經(jīng)驗(yàn)。隨著可再生能源系統(tǒng)的大規(guī)?；瘧?yīng)用，燃料電池制作成本的大幅度下降，國(guó)內(nèi)燃料電池車、加氫站將有較大增幅，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)將會(huì)以氫能為主要組成部分，國(guó)家的“能源獨(dú)立”有望完成，氫能產(chǎn)業(yè)會(huì)從區(qū)域發(fā)展逐步拓展到各主要市場(chǎng)，依托全國(guó)天然氣管網(wǎng)的氫氣與天然氣混輸將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)行，包括氫能輸送管網(wǎng)和加氫站在內(nèi)的全國(guó)性基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)基本形成。氫氣作為一種清潔能源，將在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文對(duì)可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)制氫技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了深入分析和總結(jié)。目前風(fēng)電及太陽(yáng)能發(fā)電制氫產(chǎn)業(yè)起步較早，技術(shù)已達(dá)到國(guó)際一流水平，在新能源制氫產(chǎn)業(yè)能夠先行一步，成為目前發(fā)展的主流。混合可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)使得能源的利用率得以提高，產(chǎn)生的氫氣作為一種清潔的新能源在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)關(guān)于混合可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，制氫技術(shù)仍然面臨諸多問(wèn)題，當(dāng)前能夠產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)能發(fā)電制氫、風(fēng)電制氫和生物質(zhì)氣化制氫經(jīng)濟(jì)性不甚理想，與化石能源制氫相比競(jìng)爭(zhēng)力較差。我國(guó)可再生能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化需要加快研發(fā)和應(yīng)用制氫、儲(chǔ)氫、氫燃料電池技術(shù)。因此，可再生能源多能互補(bǔ)制氫技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。