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氫能作為重要的二次能源，是解決未來能源危機(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，是未來主要的清潔綠色能源。近年來，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。
• 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，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)制氫過程及系統(tǒng)整體效率的影響，通過設(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]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)過程中不產(chǎn)生二氧化碳，通過實(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)。

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)。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(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。

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。

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，通過電池補(bǔ)償了電力需求中的高頻波動(dòng)，通過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?？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。

本文摘編自2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“可再生能源多能互補(bǔ)制-儲(chǔ)-運(yùn)氫關(guān)鍵技術(shù)綜述”，作者為李爭(zhēng)、張蕊 等。