绿电−氢能−多域应用网络耦合集成技术发展路线及挑战 尽管氢能在多个领域已有较大程度的应用，但目前仍以“灰氢”为主，煤制氢成本要低于天然气制氢，因而国内煤制氢占比最大，达62%，其次为天然气制氢，占比达19%，电解水制氢占比仅为1%。可见，我国氢源结构过于依赖化石原料。随着能源系统低碳转型的不断深入和可再生能源电解水制氢技术的发展，未来将形成以可再生能源为主体，煤制氢+碳捕集与封存技术（carbon capture，utilization and storage，CCS）与生物制氢等其他制氢方式为辅的多元供氢格局。基于此，绿电−氢能−多域应用网络将逐步形成，然而集成技术研究方面还存在较多空白。　　 3.1发展路线　　 3.1.1绿电−氢能−多域应用网络耦合集成　　 如图6所示，新能源制氢网络可与多域应用网络、热回收和交换网络深度耦合，通过光伏、风电等新能源为电解槽提供电能，进行氢气与氧气的提取。制取的氧气存储在储氧罐中，直接送往火电机组，使燃料富氧燃烧。由锅炉产生的过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，带动发电机发电，提供给用电负荷。电解槽制取的氢气压缩存储于储氢罐中，输送到电力网络、交通网络、工业网络、市政建筑网络，以及热回收、交换网络。其中，氢能通过氢燃料电池和燃氢轮机发电参与电力系统电网侧的调峰，协同火电机组、新能源发电机组以及SOFC一起供电；氢能作为清洁能源参与到交通网络中，以加氢站为纽带为新能源汽车提供燃料；氢能作为反应原料作用于工业耦合网络中，替代“灰氢”“蓝氢”参与合成氨和甲醇、石油炼化、冶金等工业过程；此外，氢能作为原料参与到市政建筑供热网络，利用天然气管网进行输送并燃烧供热。 3.1.2多域网络耦合集成关键技术 1）电−热−氢耦合系统结构设计。利用氢能提高火电机组深度调峰极限，挖掘其提升新能源消纳能力的潜力，涉及风−火−氢耦合能源系统结构设计和优化技术[71]，其关键在于明晰氢能通过高温燃料电池与火电机组之间的电、热能流耦合关系，在此基础上进行热力学分析，计算系统换热流股的相关参数，设计物流匹配网络，最终得到耦合系统热集成图，实现制氢网络与热回收网络的耦合。 2）工业氢网络优化设计。石油炼化过程中包括加氢裂化、加氢精制、加氢处理等多个耗氢环节，绿电制氢替代化石燃料重整制氢将改变原有氢网络，优化氢气网络，合理利用氢气资源，对工业网络的节能降耗、降低生产成本具有重要意义。因此，基于绿电制氢的工业氢网络设计与运行控制技术是关键。炼油厂氢气系统的优化研究方法主要有夹点分析法和数学规划方法。 3）加氢站规划设计。由于新能源出力具有随机性，电动汽车并网冲击对电−氢−交通耦合网络产生影响，可通过发挥氢能灵活性作用，实现对电力−交通的双向调节。加氢站是氢能−交通耦合系统的枢纽，连接着制氢环节、用氢环节与交通系统。因此，加氢站的选址定容技术是关键。氢燃料汽车在加氢站进行加氢实现电−氢耦合互动，通过对加氢站进行选址规划，可改善交通网络存在的拥堵与高碳排放问题。 3.2面临的挑战 3.2.1耦合电力能源网络　　 氢能系统凭借跨季存储、多途径灵活消纳等优势，成为提升火电灵活性的有效手段。制氢系统为消纳新能源频繁启停，致使其加快了不可逆衰减[23]，而通过购电的方式维持制氢系统运行又不满足经济性，因此，研发高效、稳定的制氢设备是关键。电−氢−电过程余热温度低，不可逆热损耗大，如何稳定地维持联合发电系统整体高能量利用效率是当前亟待解决的问题。 3.2.2耦合交通能源网络　　 目前，我国氢能的基础设施不够完善[25]，供氢保供问题制约氢动力运输装备产业发展，电能、氢能网络架构及其与可再生能源不稳定生产和车辆终端不稳定消费之间的兼容性存在问题，提出精准的氢负荷预测方法是解决该问题的关键。 3.2.3耦合工业能源网络　　 利用新能源电解水制氢耦合工业网络，本质是为了低碳、经济。然而，绿氢的加入使得耦合网络物质−能量耦合机制复杂，且新能源出力的随机性使耦合网络运行控制困难，因此建立随机性绿电−氢能−工业耦合网络动力学机制，研究绿电−氢能−工业耦合网络稳定运行调控方法是构建耦合工业能源网络的关键。 3.2.4耦合市政建筑能源网络　　 建筑终端用能清洁化替代是未来发展的必然趋势，一方面，户用氢能对建筑的全寿命周期成本理论尚未形成，耦合网络所需建设面积与现实条件的匹配问题是系统规划的重要课题；另一方面，考虑耦合网络经济性的建筑终端柔性负荷控制技术亟待解决。 结论 1）SOEC、AEC、PEMEC三种制氢设备中，PEMEC由于响应速度更快、调节范围广，更加适应可再生能源发电的间接性与波动性，但催化剂、电极材料等部件的成本有待降低；高压气态储氢是目前最成熟的储氢技术，但随着低温液态、LOHC储氢方式综合成本的降低，它们也将逐步受到推广应用。　　 2）在氢气运输方面，主要的运输方式有长管拖车、液氢罐车、管道运输，其中氢气管道运输将是中长期氢气运输的重要组成部分；在氢能应用方面，以氢燃料电池和氢燃气轮机为主，氢燃料电池技术已较为成熟。总体而言，在氢能的制、储、输、用4个方面，成本问题是制约各个产业发展的关键。　　 3）在耦合电力网络中，如何稳定地维持联合发电系统整体高能量利用效率是当前亟待解决的问题；在耦合交通网络方面，电能、氢能网络架构及其与可再生能源不稳定生产和车辆终端不稳定消费之间的兼容性存在问题；在耦合工业网络方面，绿电−氢能−工业耦合网络稳定运行调控是关键问题；在耦合建筑能源网络方面，考虑耦合网络经济性的建筑终端柔性负荷控制技术亟待突破。

作者:    网络转载    来源:    百人会低碳院    时间:    12-13  

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