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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(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)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(fā)展上升為國家層面的戰(zhàn)略，制定行動計劃，繪制發(fā)展路線圖，積極探索前進的路徑。

• 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能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主要因素。
• 2014年，美國制定了《全面能源戰(zhàn)略》，其目的是發(fā)展能夠為清潔能源奠定基礎(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。
• 2016年，日本制定《面向2050能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略的計劃》，在創(chuàng)新領(lǐng)域內(nèi)重點發(fā)展氫能，推動制氫、儲氫、氫發(fā)電技術(shù)向更成熟的方向發(fā)展，擴大應(yīng)用范圍，最終構(gòu)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(zhàn)略規(guī)劃。
• 法國在2019年制定了《氫能計劃》，在工業(yè)上進行無碳化改革，實現(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，示范項目也在逐漸建成。自20世紀80年代以來，全球氫能市場的規(guī)模進一步擴大，各國陸續(xù)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(qū)動發(fā)電機，產(chǎn)生的電能繼續(xù)電解制氫。

2015年，美因茨能源項目正式啟動，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(zhuǎn)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(tǒng)并入電網(wǎng)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(jié)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(tǒng)制氫技術(shù)進行分析，從制、儲、發(fā)電和控制策略等不同方面對制氫技術(shù)的影響進行改進。

俄羅斯的M.U. Zaenal針對可再生能源輸出功率低于閾值時的制氫技術(shù)進行研究，研究了功率波動對制氫過程及系統(tǒng)整體效率的影響，通過設(shè)計智能電源管理系統(tǒng)輔助制氫系統(tǒng)，在功率低于產(chǎn)氫閾值時并網(wǎng)運行，提高氫氣的質(zhì)量。

土耳其的Fatih Yilmaz]設(shè)計了一個包含風電、光電、制氫及儲氫等集成循環(huán)系統(tǒng)，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(fā)電量和氫氣產(chǎn)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(jié)合使用可提供許多優(yōu)勢，以實現(xiàn)清潔、可持續(xù)，擬研究的方向強調(diào)了清潔氫氣生產(chǎn)對環(huán)境有益的重要性。

構(gòu)建多能互補的集成循環(huán)系統(tǒng)，從輸出功率、熱力學性能角度進行優(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Patenga地區(qū)充足的太陽能、風能，結(jié)合潮汐能制取氫氣，提出了一種基于儲能的沿海地區(qū)電力系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由氫氣根據(jù)負荷量驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，降低電網(wǎng)總諧波失真（THD），且整個過程中不產(chǎn)生二氧化碳，通過實驗證實了電力系統(tǒng)的可行性，為多種可再生能源制氫提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

儲能技術(shù)可將多能互補產(chǎn)生的氫氣進行存儲，跟隨負荷切換補償，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的能力。澳大利亞的Furat Dawood提出了利用氫氣發(fā)電用于存儲可變的可再生能源（Renewable Energy, RE），以實現(xiàn)100％可再生和可持續(xù)的氫氣經(jīng)濟。將氫能系統(tǒng)（能源-氫氣-電能）劃分為生產(chǎn)、儲存、安全和利用四個主要階段，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，并對制氫途徑和相關(guān)技術(shù)進行綜述，說明了氫方格的各個角上的相互聯(lián)系。

氫氣作為一種良好的能量存儲介質(zhì)，可以高效地將氫能與電能進行轉(zhuǎn)換，凸顯了氫氣作為能源載體的優(yōu)勢。西班牙的Alvaro Serna考慮微電網(wǎng)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(wǎng)長期和短期的模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC），該控制可自主優(yōu)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(tài)。

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)量及冷卻負荷之間的最佳結(jié)合點，以埃及和沙特阿拉伯地區(qū)的實際數(shù)據(jù)進行分析，證實了該算法可以提高產(chǎn)氫效率。

南非的G. Human介紹了一種小型獨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，通過對仿真結(jié)果的分析，驗證了所提方法能夠同時對多目標進行優(yōu)化。

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(tǒng)內(nèi)部的功率流的系統(tǒng)，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(tǒng)的穩(wěn)定性?？刂撇呗缘牟粩鄡?yōu)化促進了制氫技術(shù)與多種可再生能源互補的結(jié)合，基于多能互補的制氫技術(shù)將會在電網(wǎng)、制氫、用氫等方面發(fā)揮重要作用。

國外對混合可再生能源制氫技術(shù)進行了一定的研究，但整個制氫系統(tǒng)仍然存在制氫效率偏低、制氫成本偏高的現(xiàn)象。從總體來看，對混合可再生能源制氫技術(shù)的研究還處于起步階段，仍存在諸多問題，如混合能源的協(xié)調(diào)控制方法，制氫設(shè)備對寬功率波動的適應(yīng)性以及整個系統(tǒng)的故障及安全性分析。

同時，由氫能向電能的轉(zhuǎn)換技術(shù)也將對氫能的發(fā)展起到促進的作用。協(xié)調(diào)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(shè)計更加緊湊，系統(tǒng)更加安全將成為發(fā)展方向。

本文摘編自2021年第3期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“可再生能源多能互補制-儲-運氫關(guān)鍵技術(shù)綜述”，作者為李爭、張蕊 等。