可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述

李 爭 張 蕊 孫鶴旭 張文達 梅春曉

（1. 河北科技大學電氣工程學院 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/電能的相互結合利用將會成為未來能源發展的趨勢[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[5]。例如：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[6]。

利用可再生能源替代化石燃料的制氫，將是清潔、高效制氫的未來發展趨勢，在氫能產業鏈的制備-儲運-加注-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[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、穩定性差等不可靠因素，另一方面解決了并網的不安全性及傳統蓄電池儲能不能長期儲存的缺點，對于減少可再生能源的不必要浪費及就地消納具有重要意義。

近年來，我國氫能產業發展加快，產業戰略布局不斷強化。隨著政策的引導、技術的突破和產業構建的逐步完善，截至2019年底，在建和已建加氫站將近140座，其中半數已經建成并投入運營，但仍存在關鍵材料和上層核心技術尚未自主、基礎設施建設不足等諸多瓶頸[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[9-10]是將可再生能源通過風機、太陽能電池、水泵等發電機組轉換成電能，電能通過電解水制氫設備轉換成氫氣，將氫氣輸送至氫氣應用終端或經燃料電池并入電網中，完成從可再生能源到氫能的轉換。根據電能來源的不同，可將可再生能源制氫技術分為并網型制氫和離網型制氫兩種[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。基于風電場、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1所示[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。

圖1 制氫系統拓撲結構Fig.1 Topology of hydrogen production system

可再生能源制氫技術主要包含電-氫轉換和氫氣儲運兩大關鍵技術。圖2為電-氫轉換示意圖，左側電解水裝置消耗電能產生氫氣，實現電能向氫能的轉換，右側燃料電池或熱電聯產機組利用氫氣產生電能，實現氫能向電能的轉換。制氫技術的制約因素在于降低成本、提高能效、大規模生產系統搭建等方面；儲氫技術目前主要有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫等，儲氫技術優缺點對比見表 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 2。儲運方式都存在較明顯的優缺點，因此儲運技術也是制約氫能大規模發展的因素。

圖2 電-氫轉換示意圖Fig.2 Schematic of electro-hydrogen conversion

表1 儲氫技術優缺點對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of hydrogen storage technology

表2 運氫技術優缺點對比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of hydrogen transport technology

1.2 技術優勢

1.2.1 多能互補的高適應性

隨著國家在可再生能源制氫產業的政策調整，多能互補協調運營追求利益最大化、效益共贏成為必然[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[14]。風能和太陽能分布廣、發展潛力大，但是存在能量密度低、穩定性差等問題；水力發電穩定性高，但存在流量小、枯水期等問題。而我國的風-光-水等可再生能源恰好季節互補，夏季太陽能、水能充足，冬季風能充足，正好處于枯水期，因此多能互補協調發電系統是未來的研究重點[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[17]。離子焦耳膜酸性電解水制氫是氫能燃料電池的逆過程，能量效率可以達到 80%～90%，操作過程是酸性和高電壓過程，存在器件腐蝕及損害的問題，目前產業化的制氫是堿性的電解水制氫，其系統損害小、安全性高，效率是 30%～40%；其過程是電化學反應，是一個零污染、零排放的過程，產物只有氫氣和氧氣，氯堿電解制氫技術中附加一個氯氣和氫氧化鈉，都是工業中常用的化學物質，離子焦耳膜隔膜的發展，使該技術從各個方面都比較成熟，不會對環境造成污染，符合國家發展純綠色能源的理念；電解水制氫技術產生氫氣效率高、純度高，此外，整體的反應速度可以通過槽電壓進行調節，實現對制氫速率的控制[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2020年初，全球的氫氣產量將近上億噸，有96%來自于化石燃料，其中48%來自于化石燃料的裂解，30%來自于醇類裂解，18%來自于焦爐氣；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]。電解水制氫技術能夠適應風-光-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[20]；風-光-水等可再生能源通過制氫、用氫的過程，將能量進行存儲、轉換，使能量對用戶的供應過程變得更加便捷靈活。因此，可再生能源多能互補電解水制氫技術的興起是必然的，同時也是未來的必由之路[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。

2. 基于可再生能源的氫能發展研究現狀

2.1 國外發展現狀

氫能作為重要的二次能源，是解決未來能源危機的最有潛力的能源之一，是全球能源向可持續發展轉型的主要路徑，是未來主要的清潔綠色能源。近年來，世界各國將氫能的發展上升為國家層面的戰略，制定行動計劃，繪制發展路線圖，積極探索前進的路徑。2011年，歐盟制定《2050能源技術路線圖》，把脫碳作為核心目標之一，將氫能作為能源系統的重要組成，與燃料電池共同成為未來能源系統結構轉型的主要因素。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[22]。2016年，日本制定《面向2050能源環境創新戰略的計劃》，在創新領域內重點發展氫能，推動制氫、儲氫、氫發電技術向更成熟的方向發展，擴大應用范圍，最終構建清潔無污染的“氫能社會”。德國也在同年重新修訂了氫能源戰略規劃。法國在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-電轉換，構建能源網絡。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（2010—2020年）和長期（2020—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20世紀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。2013年，德國勃蘭登堡建成世界上第一座以氫能源作為電力存儲中介的混合能源電站，其電解獲得的氫氣通過燃燒驅動發電機，產生的電能繼續電解制氫。2015年，美因茨能源項目[23]正式啟動，是目前全球最大的氫氣站，該項目最主要的目的是將清潔的可再生能源轉換為氫氣的形式加以利用和存儲，有效地緩解了可再生能源系統并入電網造成的波動問題。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 100km的線路上工作，成為最早的一批氫能與燃料電池結合使用的示范項目。

國外研究人員對可再生能源綜合能源系統制氫技術進行分析，從制、儲、發電和控制策略等不同方面對制氫技術的影響進行改進。俄羅斯的 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 Fatih Yilmaz[25]設計了一個包含風電、光電、制氫及儲氫等集成循環系統，進行了詳細的熱力學性能評估，表明參考溫度的升高會降低電廠性能、凈發電量和氫氣產生率，同時指出太陽能和風能作為可再生能源中使用最廣泛的能源，當太陽輻射不足或夜晚時，與風力渦輪機結合使用可提供許多優勢，以實現清潔、可持續，擬研究的方向強調了清潔氫氣生產對環境有益的重要性。構建多能互補的集成循環系統，從輸出功率、熱力學性能角度進行優化，從制氫自身環節提高能源的利用率。孟加拉的S.M.Baque Billah針對Patenga地區充足的太陽能、風能，結合潮汐能制取氫氣，提出了一種基于儲能的沿海地區電力系統。在該系統中，由氫氣根據負荷量驅動發電機運轉，降低電網總諧波失真（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[26]。儲能技術可將多能互補產生的氫氣進行存儲，跟隨負荷切換補償，保障多種能源持續發電和輸出穩定，提高電網接納間歇式多能互補的能力。澳大利亞的Furat Dawood提出了利用氫氣發電用于存儲可變的可再生能源（Renewable Energy, RE），以實現100%可再生和可持續的氫氣經濟[27]。將氫能系統（能源-氫氣-電能）劃分為生產、儲存、安全和利用四個主要階段，指出制氫途徑和具體技術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，并對制氫途徑和相關技術進行綜述，說明了氫方格的各個角上的相互聯系。氫氣作為一種良好的能量存儲介質，可以高效地將氫能與電能進行轉換，凸顯了氫氣作為能源載體的優勢。西班牙的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（Model Predictive Control, MPC），該控制可自主優化電解裝置的運行過程，確保電解槽制氫過程中的健康狀態[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中能量效率、產氫質量及冷卻負荷之間的最佳結合點，以埃及和沙特阿拉伯地區的實際數據進行分析，證實了該算法可以提高產氫效率[29]。南非的 G.Human介紹了一種小型獨立可再生能源制氫系統的規模和功率管理的優化方法，將SPEA算法與遺傳算法（Genetic Algorithm, GA）結合，優化系統效率、成本和可靠性，通過對仿真結果的分析，驗證了所提方法能夠同時對多目標進行優化[30]。日本的Daiji Yamashit基于可再生能源的波動性，提出一種控制負載和電源之間電流的不平衡和系統內部的功率流的系統，通過仿真分析，該方法能夠控制輸入和輸出功率的階梯形狀和隨機變化，通過電池補償了電力需求中的高頻波動，通過電解槽處理了剩余的低頻波動，兩者相互配合提高了系統的穩定性[31]。控制策略的不斷優化促進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。2016年，我國發布《能源技術革命重點創新行動路線圖》，提出“實現大規模，低成本制取、存儲、運輸、應用氫氣”。同年，印發《“十三五”國家科技創新規劃》，重點發展氫能等能夠引領產業變革的顛覆性技術。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。2016年，大連“十二五”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。2018年，國家能源局在廣州開發了能源綜合利用示范區，實現超前布局氫能產業核心技術，發揮聚集效應，積極打造“中國氫谷”。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 1 752萬 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[32]。山東省以濟南為核心，建設集氫能源科技園、氫能源產業園、氫能源會展商務區三位一體氫能源經濟圈。以兗礦集團為代表的龍頭企業擁有一流制氫技術，形成供應端產氫、儲氫和運氫的完整產業體系，推動氫能源分別以集中式供給和分布式供給兩種方式發展的示范應用。我國風電制氫技術研發起步較晚，進展較為緩慢。目前尚無成熟的商業運行的風電制氫儲能和燃料電池發電系統，大規模可再生能源制氫示范工程設計經驗不足，在系統的關鍵性技術、效率提升和經濟性方面未能取得實質性的進展。

國內的制氫技術研究起步相對較晚，對可再生能源制氫技術的研究較少，主要從經濟性和控制策略角度對制氫技術進行分析與優化。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[33]。金雪等從目前制氫的成本、壽命及效率考慮，針對西部地區可再生能源難以消納的問題，提出利用制氫技術解決棄風、棄光問題，分析了制氫、儲氫技術研究現狀及應用前景，給出了燃料電池氫儲能及氫混天然氣兩種發展思路[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（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法對能源進行預測，針對混合系統的不同運行工況，設計了相應的控制策略，提高了制氫系統在整個系統中的穩定性[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[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[37]。依靠我國優越的自然資源條件，加上制氫技術的不斷發展，可再生能源制氫是長期必然趨勢。

通過研究發現，風光等可再生能源協同制氫是可行的。然而可再生能源受環境影響，導致輸出功率波動較大、間歇性強，很難大規模單獨應用，我國水資源儲備豐富，水庫蓄水可以抑制能源波動，同時對風光能源進行調節。能源互補協同發電，可以提高能源利用率，推動工業及生活向更加低碳清潔的方向發展。電解水制氫過程同樣可以有效地緩解可再生能源引起的功率波動，將會貫穿于氫能發展的整個過程。可再生能源互補系統電解水制氫的技術將會不斷成熟，制氫成本也將逐漸下降，制氫來源傾向于電解水制氫，氫氣主要來源趨勢預測圖如圖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。

圖3 氫氣主要來源趨勢預測圖Fig.3 Prediction chart of major hydrogen source trends

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[38]，近年來，我國風電并網、水電裝機、光伏產業及生物質能等可再生能源利用方面發展迅猛，已經走在世界的前列，但是由于可再生能源本身的間歇、隨機、波動等特性，使得電網抗波動能力不足，無法保證系統安全運行，再加上地域限制、消納能力等因素導致棄風、棄水、棄光問題明顯[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[41-43]。當前可再生能源多能互補制氫技術發展尚不成熟，在能源互補及制氫技術等各個環節中都存在很多問題，需要重點發展并亟待解決的關鍵技術包括多能源的協調控制策略、儲能及容量配置、能量管理、電解水制氫技術等。

3.1 多能互補系統協調控制策略

多能互補系統中能源形式多樣，電源及儲能裝置的耦合對系統的平穩運行條件提高了要求，因此多能互補協調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、儲能、負荷等相結合的方式，還要依靠協調控制策略使能源互補系統實現安全可靠、清潔高效、經濟便民等指標[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[45]。

隨著分布式可再生能源不斷規模化接入電網，電網的頻率控制越發困難，國內外學者將預測控制、自適應控制、深度學習等各種算法應用到能源互補發電系統中[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Weibull 分布模型進行功率預測，提出了一種綜合多指標的多能互補策略[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[52]。針對環境效益、經濟效益的考慮，對多能互補系統進行優化，通過建立多能互補綜合系統混合整數線性規劃（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[53-55]。為了確保多能互補系統達到計劃指標，以互補系數為橋梁聯合子系統和綜合發電系統，建立了全面客觀的日內時間尺度綜合能源互補系統評價體系[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[57]。針對可再生能源的儲能技術，改善了風能、太陽能等能源的波動性、間歇性對系統安全穩定的影響，對多能互補系統的發展起到了重要作用。

目前，按照儲能形式將應用在可再生能源中的儲能裝置分為：機械儲能（抽水蓄能等）、電化學儲能（鋰離子電池等）、電磁儲能（超級電容器等）、儲熱、儲氫等[58]。電-氫轉換技術能夠實現電能與氫能之間的相互轉換，相較于其他的儲能方式，制氫技術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，轉換為電能[60]，儲氫技術完成了能量儲存及后續的清潔利用，是未來儲能方式的重要研究方向[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 30倍，而如果繼續壓縮，則會造成成本昂貴，且安全隱患較大。國內外研究人員為此進行了大量的研究，著重對固態儲氫的材料進行總結歸納，并對材料的機理、優缺點進行了比較，提出兩種競爭力較強的材料——類碳結構材料和金屬及合金材料。通過對石墨材料的進一步研究，得到新的具有特殊功能的碳基結構，分別是富勒烯和納米管結構。通過將氫氣存儲在金屬中得到金屬氫化物，這種方式被廣泛地應用到了許多小型便攜式裝置領域[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[63]。

儲能系統的功能強大，但是不合理操作可能會導致系統內元件損耗，嚴重情況下會發生火災。為了保障系統的安全運行，降低運行成本，需要合理配置各種能源的產能、儲存及消納過程。對多能互補系統的儲能容量、功率分配進行合理規劃，提高整個系統的經濟效益是研究重點之一[64]。

儲能系統的運行方式主要有孤島運行和并網運行兩種[65]。文獻[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[71]依據菲律賓島嶼對可再生能源互補系統的容量配置方案進行研究，考慮了成本、占地面積等因素，采用熵權重和“與理想解決方案相似的順序偏好技術”（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[72]以多能協調優化、最佳運行效益為出發點，在簡化的多能互補系統模型中，采用多目標粒子群優化算法，對儲能系統的容量配置及經濟效益進行了深入研究，并結合相應的示范工程，對其配置方案進行了驗證。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[74]使用遺傳算法針對氣候、經濟等多目標進行優化，考慮了初始成本、生命周期成本和電源概率損失等因素，實現了可再生能源系統的最優化容量配置。

通過研究發現，采用多種可再生能源互補的方式制氫是可行的。傳統的儲能技術存在壽命短，容量小的缺點，而多種可再生能源制氫儲能方式具有運輸方便、容量高等優點。儲氫方式、儲氫材料及容量配置的優化使得可再生能源大范圍存儲率提高。多種可再生能源互補制氫的存儲方式為能量的存儲提供了新的解決途徑。

針對能源種類不同的多能互補系統，其容量優化方案也存在差異。目前的容量配置方案大多結合以往較為傳統的儲能系統，或者單一能源下的風電制氫儲能[75]、光電制氫儲能[76]等，大規模的可再生能源互補系統制氫儲能的研究甚少，氫的存儲仍然是個挑戰，將氫靈活地制成可存儲產品能夠提高可再生能源制氫的使用效率。因此，氫能作為未來發展前景廣闊的儲能方式，制氫儲能與多能互補系統的深度耦合利用等技術將是未來的主要研究方向。

3.3 能量管理

能量管理系統涵蓋電網、可再生能源、負荷、儲能等能量流，并通過信息流對其進行規劃調控，是可再生能源多能互補系統中的重要組成，有利于保障多能互補系統的安全穩定運行[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[78]，各種能源多能耦合時又存在時間、空間上差異，傳統的能源管理系統作用不大，為了實現能源的高效利用、能源之間的協同出力及負荷的合理分配，對其進行檢測和控制十分必要，因此，亟需在多能互補系統能量管理方面進行深入研究[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/光/柴/儲能源系統，在考慮各式能源設備的運行約束條件下，提出了一種在并/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[80]。趙川等基于目前興起的大數據，搭建了完整的多能互補能量管理系統，完成了多能互補能量管理系統的 LINUX 操作系統、NOSOL 數據庫及控制器等軟硬件設計，構建的能量管理系統，效率比之前提高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[81]。

同時，分層次分階段的多互連多能互補系統協同自主優化也是目前廣受關注的研究方法之一，文獻[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TC框架”保證了協作以分布式和可擴展的方式進行，并且收斂速度很快。文獻[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模化的必由之路。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。可再生能源互補系統的發展，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3。傳統的堿性電解質制氫不需要昂貴的催化劑且壽命較長，但電能損耗大，難以快速關閉或啟動，制氫效率低，不能與具有快速波動特性的可再生能源配合，限制了其應用范圍[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4倍以上，寬范圍的運行電流密度更有利于配合可再生能源的波動性，具有效率高、氣體純度高、綠色環保、能耗低和可實現更高的產氣壓力等優勢，而且，是制氫領域極具發展前景的電解制氫技術之一。質子交換膜大多采用成本較高的貴金屬，而且在使用過程中會降解損耗，主要通過降低催化劑載量、開發合金催化劑等途徑降低成本。現階段催化劑、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、催化劑與擴散層材料的技術水平。文獻[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 3倍。固體氧化物電解水采用固體氧化物作為電解質材料，工作溫度在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100%。還可與光熱發電廠協調配合，使所有輸入能源完全為可再生能源。現階段，固體氧化物電解水技術處于實驗階段，在電解模式下存在較大的損耗，需要研發新材料來降低損失，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勢下更高的電流及良好的穩定性[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[87]。

表3 三種典型制氫技術對比Tab.3 Comparison of three typical hydrogen production technologies

對于電解水制氫技術來說，堿性電解水價格低廉，但是能效低；質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM）電解水成本高、耐久性差、無法大規模使用[88]；固體電解水要求工作在較高溫度下，目前還在實驗室階段。在未來，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水電解的研究重點在于成本、效率和靈活性之間的平衡。此外，發展新的低成本、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，結合固體電解質與堿性體系的特點，采用堿性固體電解質代替質子交換膜，將傳統堿性電解質制氫與 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 IEA公布的《氫能源未來發展趨勢報告》，預計到2050年，氫能源的消耗量將會是目前消耗量的10倍。世界各國都在大力發展制氫技術，占領國際氫能源的制高點。因此本節從制備—儲存—運輸—應用四個方面考慮，對氫能發展趨勢進行了探討。

4.1 制氫方式發展趨勢

制氫技術處于氫能發展的上游，目前主流的綠色制氫技術主要有電解水制氫、生物制氫、太陽能制氫等。據中國氫能聯盟，我國氫能制取的遠期目標是到 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4%，制約電解水制氫技術發展的主要因素是成本過高、收益為負；從綠色環保角度看，電解水制氫低碳、可持續，相較于目前主流制氫技術，是可持續和低污染的，是理論上最理想的制氫技術，符合可持續發展的國家政策。未來制氫技術的發展主要受技術水平、經濟效益、環境效益等因素影響。國際能源署發布最新報告顯示，預計到2030年，可再生能源制取氫氣成本可能下降30%[89]。可再生綜合能源利用發展迅速，制氫方式也不斷增加，但未來制取氫氣的方式仍然為電解水制氫技術，其發展前景廣闊，到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[90]。幾種生物制氫方法的比較見表 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，是未來規模化產氫的重要途徑。

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[91]。幾種太陽能制氫技術的方法比較見表 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[92-93]。經過研究發現，廢水中的有機物可以通過自身的電子給體實現太陽能制氫和太陽能去污，其過程只需要簡單地將廢水處理與光催化制氫結合，所以這也是未來的發展方向之一。

表4 生物質能制氫技術對比Tab.4 Comparison of biomass energy hydrogen production technology

表5 太陽能制氫技術對比Tab.5 Comparison of solar hydrogen production technology

太陽能制氫技術還在初步的研究階段，隨著資金大量的投入，對技術的開發和進步必將越來越快，光催化劑制氫技術能進一步完善、生物制氫的效率進一步提高的希望也會更大，前景十分廣闊。

4.2 儲運氫方式發展趨勢

高效利用氫氣的關鍵在于氫氣的儲運，同時它也是影響氫能向大規模方向發展的重要因素。因此，對氫氣儲運技術的研究成為重點和難點。現階段儲存氫氣的途徑主要有：多孔材料及金屬合金等物理類固態儲氫、高壓氣態儲氫、深冷液化儲氫等。儲運方式已在前文進行對比，此處不再贅述。目前氫氣儲運主要以氣態為主，主要是因其成本低、簡便易行、充放氣速度快，但安全隱患系數較高。低溫液態儲氫技術發展緩慢，該技術存在難度系數大、液化成本高、能耗大和絕熱材料成本高等弊端。而固態儲氫方式優勢眾多，操作方便，是三種方式中最具發展前景的儲氫方式，也是儲氫技術研究內容中前沿的方向之一。隨著未來儲氫合金的使用過程更加便利，成本更加低廉，其有望成為未來主要的儲氫方式。

此外，隨著研究的深入，出現了無機物儲氫和有機物儲氫[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 NaBH4、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2018年底，全球FCEV（燃料電池電動汽車）庫存達11 200輛，當年銷量約為4 000輛（比2017年增長80%），預計到2030年，燃料電池汽車行業將實現大幅發展，預測趨勢如圖4所示。

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

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模化應用，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。混合可再生能源互補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。總體來說，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。