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摘要：氫儲(chǔ)能是可再生能源消納問題的有效解決方法之一，其開發(fā)利用對(duì)可再生能源的規(guī)?；镁哂兄匾饬x。通過對(duì)目前氫儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展研究現(xiàn)狀、利用模式研究現(xiàn)狀以及在電力行業(yè)的相關(guān)研究進(jìn)行梳理及闡述，并對(duì)氫儲(chǔ)能在未來的應(yīng)用趨勢進(jìn)行了展望。該研究能夠?yàn)榻窈蟮难芯刻峁┬碌乃悸?，以及為促進(jìn)氫儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源利用的清潔高效提供路徑借鑒。

0 引言

在我國致力于建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的大背景下，能源發(fā)展進(jìn)入新階段，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如可再生能源發(fā)展面臨多重瓶頸、能源系統(tǒng)整體效率較低、清潔能源在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置受阻、能源清潔替代任務(wù)艱巨等。在可再生能源的利用方面，由于風(fēng)力、光能等能源發(fā)電特性與負(fù)荷特性同步性較差，新能源消納問題亟待解決，同時(shí)存在發(fā)電、用電中心脫節(jié)的問題，氫儲(chǔ)能作為將電力轉(zhuǎn)為氫氣的技術(shù)，對(duì)促進(jìn)可再生能源發(fā)電規(guī)?；⒌吞蓟l(fā)展具有重要意義。

國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出“鼓勵(lì)‘三北’地區(qū)風(fēng)電和光伏發(fā)電參與電力市場交易和大用戶直供，支持采用供熱、制氫、儲(chǔ)能等多種方式，擴(kuò)大就地消納能力”。與傳統(tǒng)能源相比，氫能具有零污染、高效率、來源豐富、用途廣泛等優(yōu)勢，氫儲(chǔ)能具有開發(fā)潛力大、生產(chǎn)靈活、清潔高效、污染少等顯著發(fā)展特點(diǎn)。隨著我國對(duì)電力消納問題的重視及可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)的調(diào)整，氫儲(chǔ)能成為消納棄風(fēng)棄光的關(guān)鍵技術(shù)，利用棄風(fēng)棄光電量電解水制氫，能夠有效降低污染物排放，可以提高可再生能源利用的綜合效益。

基于此，對(duì)氫儲(chǔ)能技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行研究，發(fā)掘未來發(fā)展?jié)摿?，有助于推?dòng)可再生能源大規(guī)模投資建設(shè)與科學(xué)發(fā)展，對(duì)提高我國風(fēng)電消納率、光電消納率，降低能源環(huán)境污染，緩解能源危機(jī)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變等方面意義重大。同時(shí)有利于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，加快能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

1 氫儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展研究梳理

氫儲(chǔ)能技術(shù)是利用了電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的。在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，電力間歇產(chǎn)生和傳輸被限的現(xiàn)象常有發(fā)生，利用富余的、非高峰的或低質(zhì)量的電力大規(guī)模制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來；在電力輸出不足時(shí)利用氫氣通過燃料電池或其它反應(yīng)補(bǔ)充發(fā)電。能夠有效解決當(dāng)前模式下的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)問題，同時(shí)也可以將此過程中生產(chǎn)的氫氣分配到交通、冶金等其他工業(yè)領(lǐng)域中直接利用，提高經(jīng)濟(jì)性。氫儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖１所示。
為了實(shí)現(xiàn)完整的可再生能源－電能－氫能－電能轉(zhuǎn)化過程，氫儲(chǔ)能技術(shù)中制氫技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)、氫氧燃料電池技術(shù)的發(fā)展尤為重要，目前制氫技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)、氫氧燃料電池技術(shù)已經(jīng)由快速發(fā)展階段轉(zhuǎn)向深入研究階段。

1.1 制氫系統(tǒng)發(fā)展研究梳理

電解水制氫是清潔的制氫方式。電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，需要高活性的陽極催化劑，氟的適度調(diào)節(jié)可以從本質(zhì)上改善電催化劑的反應(yīng)效率，從而提高制氫效率；找到電化學(xué)活性和穩(wěn)定性與貴金屬電催化劑相似或優(yōu)于貴金屬電催化劑，是降低電解水制氫成本的關(guān)鍵。有文獻(xiàn)試驗(yàn)確定了（Ｃｕ０．８３Ｃｏ０．１７）３Ｐ：ｘａｔ．％Ｓ是具有優(yōu)秀析氫反應(yīng)電化學(xué)活性的材料，降低電解水制氫成本；有文獻(xiàn)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種ＲｕＯ２＠ＩｒＯｘ核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料降低了電解槽能耗、提高了電解槽的使用壽命；有文獻(xiàn)以ＰＳＵ和ＰＶＰ為基體，探索了一種均勻的共混膜體系，提高了電解槽的效率與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并能在一周能表現(xiàn)出優(yōu)異的的性能和穩(wěn)定性。

1.2 儲(chǔ)氫系統(tǒng)發(fā)展研究梳理

二次能源中氫是推動(dòng)燃料電池技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵能源載體。氫具有體積能量密度低的特點(diǎn)，因此，如何提高儲(chǔ)存密度，是儲(chǔ)氫系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)；有文獻(xiàn)研究了被認(rèn)為是最有前途的液態(tài)有機(jī)氫載體之一ＦＡ為氫載體的儲(chǔ)氫方法，并研究了均相和非均相催化劑來優(yōu)化ＦＡ儲(chǔ)氫性能；有文獻(xiàn)研究了鎂基Ｍｇ２Ｎｉ貯氫合金的目前存在的缺陷和未來的發(fā)展方向；有文獻(xiàn)研究了儲(chǔ)氫合金、無機(jī)化學(xué)氫化物、碳材料和液態(tài)氫化物等多種儲(chǔ)氫材料，找到ＮＨ３作為氫載體，具有易液化壓縮、體積密度大等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 氫氧燃料電池發(fā)展研究梳理

作為未來顛覆性技術(shù)的重要技術(shù)方向，發(fā)展氫燃料電池技術(shù)對(duì)穩(wěn)定能源供給、改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)低碳發(fā)展、提升國際競爭力和科技創(chuàng)新實(shí)力、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)等方面，都具有非常重要的意義；有文獻(xiàn)提出了一種Ｍｎ２＋／ＭｎＯ２氧化還原陰極與Ｈ＋／Ｈ２氣體陽極相結(jié)合的錳氫電池的概念，具有低成本、長壽命、高能量密度的潛在性能，將帶來大規(guī)模應(yīng)用的變革；制備廉價(jià)、高活性氧還原催化劑對(duì)于發(fā)展氫氧燃料電池清潔能源極為重要，利用黑木耳作為生物質(zhì)材料碳化形成ＢＦ－Ｎ－９５０催化劑，提升氫氧燃料電池峰值功率；開發(fā)非貴金屬、高效的氧還原反應(yīng)（ＯＲＲ）催化劑替代鉑基材料對(duì)氫燃料電池具有重要意義，有文獻(xiàn)研究了過渡金屬二羥基化合物（ＴＭＤ）綜合ＯＲＲ活性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了ＴＭＤ替代可能性，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

2 氫儲(chǔ)能在電力行業(yè)的應(yīng)用研究綜述

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的成熟，氫儲(chǔ)能在電力行業(yè)中的重要性愈加突出，與能源供應(yīng)端融合、與分布式能源發(fā)電結(jié)合以及與電網(wǎng)結(jié)合為發(fā)展趨勢，減少了能源的出力不確定性因素對(duì)電網(wǎng)的不利影響，提高了分布式能源發(fā)電的利用效益，在下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用也為其規(guī)模化發(fā)展提供有利空間。

2.1 在分布式能源系統(tǒng)方面的應(yīng)用

氫儲(chǔ)能與分布式發(fā)電相結(jié)合，能夠解決分布式能源接入配電網(wǎng)后的消納問題。以含分布式光伏發(fā)電與氣電混合的區(qū)域多能互補(bǔ)配電系統(tǒng)為例，在眾多的多能互補(bǔ)系統(tǒng)形態(tài)中，其作為多能互補(bǔ)分布式能源發(fā)電的一種典型形式，位于能源消費(fèi)末端，能夠解決分布式光伏高滲透率地接入配電網(wǎng)后的消納問題，主要由分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、氣電混合裝置、氫儲(chǔ)能裝置、配電網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)和控制系統(tǒng)等部分組成。

氫儲(chǔ)能因其高能量密度、長期儲(chǔ)存能力和模塊性而成為有效的電能儲(chǔ)存方案，以解決區(qū)域可用的可再生能源和負(fù)荷的匹配問題。在孤立的微電網(wǎng)和離網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，間歇性可再生能源與氫儲(chǔ)能系統(tǒng)集成，可以減少甚至消除柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，同時(shí)能夠避免建設(shè)外來電網(wǎng)的高成本。

2.2 在下游產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用

2.2.1 氫燃料電池汽車應(yīng)用

氫能由于其質(zhì)量能量密度高，具有較高的化學(xué)能，續(xù)航里程長，被認(rèn)為是一種理想的汽車燃料，受到了國內(nèi)外的普遍關(guān)注。氫和燃料電池汽車通常被認(rèn)為是運(yùn)輸系統(tǒng)脫碳的關(guān)鍵因素，燃料電池車用氫需要高純度標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于車載儲(chǔ)能，燃料電池電動(dòng)汽車需要緊湊、輕便、價(jià)格合理的儲(chǔ)氫系統(tǒng)來替代加壓儲(chǔ)氫罐，并對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)要求極高。

目前氫燃料電池汽車技術(shù)的最大瓶頸在于后期的配套設(shè)施建設(shè)，隨著氫作為汽車燃料應(yīng)用的日益普及，氫燃料站的開發(fā)建設(shè)也在顯著增加，但其易燃性引起了極大的安全問題，對(duì)充能基礎(chǔ)設(shè)施的需求較高。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，目前我國已實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉哆\(yùn)營，為氫燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營奠定了良好基礎(chǔ)。但消費(fèi)者的行為以及技術(shù)、能源價(jià)格和公共政策共同影響氫燃料電池汽車的發(fā)展，這些因素在商業(yè)化運(yùn)營初期影響較為深刻。

2.2.2 電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)應(yīng)用

間歇性可再生電力生產(chǎn)所占的份額不斷增加，對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)生更高要求，以確保電力系統(tǒng)高效可靠地運(yùn)行。電轉(zhuǎn)氣（Ｐ２Ｇ）概念提供了儲(chǔ)存多余可再生電力的可能性，能夠提高可再生能源發(fā)電的利用率。

電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)換為天然氣或氫氣，將得到的氣體存儲(chǔ)在天然氣管網(wǎng)或天然氣存儲(chǔ)設(shè)備，在可再生能源出力高峰時(shí)期進(jìn)行轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)，在電力短缺時(shí)供能，從而提高系統(tǒng)可再生能源的消納能力的系統(tǒng)。電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的出現(xiàn)可以很大程度上促進(jìn)風(fēng)電消納，其工作原理如圖２所示：
氫儲(chǔ)能是解決可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定的有效方式之一，通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)有效、長期、廣域的儲(chǔ)能。新興的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從可再生能源發(fā)電廠遠(yuǎn)距離傳輸能源，推進(jìn)燃?xì)馀c電力系統(tǒng)的深度協(xié)調(diào)，同時(shí)較高的電轉(zhuǎn)氣轉(zhuǎn)換率能夠降低天然氣系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2.3 在能源互聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用

隨著中國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，能源互聯(lián)網(wǎng)將有效利用各地區(qū)的可再生資源，在發(fā)展電力的同時(shí)發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可以以氫能作為互聯(lián)媒介，將風(fēng)能、光能、熱能、天然氣、生物質(zhì)能和電能互聯(lián)和相互轉(zhuǎn)換，來實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展，提高能源的整體利用效率；有文獻(xiàn)構(gòu)建了含制氫儲(chǔ)能的電－氣綜合能源日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，驗(yàn)證了制氫儲(chǔ)能對(duì)平抑可再生能源波動(dòng)性及間歇性的功能以及提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和能源利用率的作用；有文獻(xiàn)建立了以氫儲(chǔ)能為轉(zhuǎn)換中心，建立了天然氣電氣互聯(lián)最優(yōu)管理模型，促進(jìn)了多能互補(bǔ)，使得能源互聯(lián)的優(yōu)勢得以發(fā)揮，穩(wěn)定了能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

3 未來發(fā)展應(yīng)用展望

（１）加強(qiáng)技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)。雖然氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源利用上有明顯優(yōu)勢，但目前技術(shù)成本偏高制約了其發(fā)展，在各情景下如何實(shí)現(xiàn)成本最優(yōu)有待進(jìn)一步研究。未來氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展需結(jié)合化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科進(jìn)行研究，進(jìn)一步突破高效制氫、低成本儲(chǔ)氫、高效放電等關(guān)鍵技術(shù)；研究制氫成本下降路徑，開展天然氣與氫氣混合研究，降低天然氣的成本；合理分配氫儲(chǔ)能系統(tǒng)及相關(guān)配套設(shè)施的成本，同時(shí)提高系統(tǒng)利用效率，以降低單位成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（２）完善配套設(shè)施，優(yōu)化綜合效益。針對(duì)在氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在利用層面還存在配套設(shè)施與產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)不完善、綜合利用效率有待進(jìn)一步提升等問題，未來可通過與政府部門的配合進(jìn)行改善。在政府政策支持下，加快氫燃料站的試點(diǎn)建設(shè)，進(jìn)一步優(yōu)化燃料電池電動(dòng)汽車的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，研究氫動(dòng)力汽車未來市場的發(fā)展方向；考慮開展氣－熱聯(lián)產(chǎn)等多途徑能源綜合利用，提升氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合利用效率；構(gòu)建氫儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目效益評(píng)價(jià)體系，為示范項(xiàng)目進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以提高綜合效益。

（３）提升應(yīng)用水平，擴(kuò)大利用規(guī)模。在氫儲(chǔ)能與分布式能源相結(jié)合的應(yīng)用模式不夠成熟的現(xiàn)狀下，未來可考慮開展氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置研究，最優(yōu)化完成新能源的消納目標(biāo)，解決可再生能源就地消納問題；做好各能源之間的耦合，開發(fā)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫儲(chǔ)能系統(tǒng)；進(jìn)一步開展微網(wǎng)和離網(wǎng)情況下與氫儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合的研究，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用能問題；可開展海上風(fēng)電聯(lián)合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用研究，促使應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大。

（４）優(yōu)化控制策略，提高經(jīng)濟(jì)效益。氫儲(chǔ)能在能源互聯(lián)網(wǎng)中，不僅能像傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)一樣解耦電能的生產(chǎn)和消費(fèi)之間的關(guān)系，還能將電能轉(zhuǎn)化為氫能后在多個(gè)不同的能源網(wǎng)絡(luò)和終端用戶間流動(dòng)。開展含氫儲(chǔ)能的能源互聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制模型及優(yōu)化控制策略的研究，有利于發(fā)揮能源互聯(lián)網(wǎng)中多能互補(bǔ)的優(yōu)勢，提升綜合能源利用率，提高能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

本文對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)利用以及在電力行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了較為全面的綜述。對(duì)目前國內(nèi)外氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在制氫、儲(chǔ)氫、氫氧燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及其與分布式能源和新能源相結(jié)合的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，根據(jù)目前發(fā)展中存在的阻礙，對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為今后氫儲(chǔ)能的開發(fā)利用提供新的思路。

原標(biāo)題：氫儲(chǔ)能技術(shù)及其電力行業(yè)應(yīng)用研究綜述及展望