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前言：氫儲能的電-氫-電的綜合效率約為45%左右，相比于鋰電池等其他儲能技術(shù)能源轉(zhuǎn)換效率較低，故在火電廠配備氫儲能從經(jīng)濟性和實用性角度來說，沒有投資必要。另一方面在負(fù)荷低谷時段或者新能源波動較強的時段，配置于網(wǎng)側(cè)和荷側(cè)的氫儲能可以在保證供電條件下避免火電機組頻繁啟停。若回收損失的熱能進行熱電聯(lián)產(chǎn)，綜合效率可達到80%以上。因此，氫能應(yīng)充分結(jié)合各產(chǎn)業(yè)，豐富其來源去向。

1 氫儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)：氫能利用的三大關(guān)鍵技術(shù)

氫能具有儲量豐富、來源廣泛、能源利用高效環(huán)?？沙掷m(xù)等優(yōu)點，氫氣作為燃料的最終產(chǎn)物只有水，對環(huán)境無污染；氫能可以以固、液、氣三態(tài)形式長時間存儲，適合長距離運輸；氫氣的能量密度高，為142MJ/kg，燃燒熱值大。

氫能利用的三大關(guān)鍵技術(shù)包括電解水制氫技術(shù)、儲氫技術(shù)、燃料電池發(fā)電技術(shù)。

電解水制氫技術(shù)包括堿性電解水技術(shù)、聚合物膜電解水技術(shù)、固體氧化物電解水技術(shù)。其中，堿性電解水技術(shù)發(fā)展成熟，成本較低，但效率相對較低；聚合物膜電解水技術(shù)處于商業(yè)化的起步階段，效率較高，但成本也較高；固體氧化物電解水技術(shù)仍處于實驗室研究階段。

現(xiàn)有儲氫技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫和有機物液態(tài)儲氫。目前最為常用的技術(shù)是高壓氣態(tài)儲氫，其成本低、技術(shù)成熟、充放氫快、能耗低、工作條件較寬，但體積儲氫密度低、安全性相對較差；低溫液態(tài)氫的優(yōu)點是體積儲氫密度高、純度高，然而液化過程能耗大、易揮發(fā)、成本高，主要應(yīng)用于航空航天和超大功率商用車輛；固態(tài)氫的優(yōu)點是體積儲氫密度高、不需要高壓容器、氫純度高，缺陷是質(zhì)量儲氫密度高、成本高、有工作溫度要求、抗雜質(zhì)能力差，是未來重要的發(fā)展方向。有機物液態(tài)氫的優(yōu)點是成本相對較低、儲氫密度高、氫純度高、常溫常壓儲存安全性好，缺陷是純度較低、成本較高、催化劑易結(jié)焦失活，可利用石油設(shè)施進行運輸和加注。

2 氫儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

目前主流的燃料電池技術(shù)有質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、堿性燃料電池五種。質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度在80℃以下，啟動快，比功率高，結(jié)構(gòu)簡單，處于商業(yè)化的最前沿，應(yīng)用前景廣闊。固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供效率很高，但運行溫度過高，啟動速度較慢，系統(tǒng)長期性能較差，離商業(yè)化應(yīng)用還有一定距離。

一方面，氫儲能的電-氫-電的綜合效率約為45%左右，相比于鋰電池等其他儲能技術(shù)能源轉(zhuǎn)換效率較低，故在火電廠配備氫儲能從經(jīng)濟性和實用性角度來說，沒有投資必要。另一方面在負(fù)荷低谷時段或者新能源波動較強的時段，配置于網(wǎng)側(cè)和荷側(cè)的氫儲能可以在保證供電條件下避免火電機組頻繁啟停。若回收損失的熱能進行熱電聯(lián)產(chǎn)，綜合效率可達到80%以上。因此，氫能應(yīng)充分結(jié)合各產(chǎn)業(yè)，豐富其來源去向。

3氫能與能源互聯(lián)網(wǎng)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括“源-儲-運-荷”四大環(huán)節(jié)。其中上游制氫的主要技術(shù)方式有化石燃料制氫、可再生能源制氫；中游儲運包括固、液、氣三態(tài)儲氫技術(shù)，及加氫站、輸氫管道等氫網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，在下游，氫氣可以作為化工原料、工業(yè)能源以及分布式發(fā)電、飛機、汽車、輪船等的能源來源。

若利用可再生能源的富余電力或低質(zhì)量電力電解水制氫，利用燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，可實現(xiàn)氫網(wǎng)與電網(wǎng)的能源互聯(lián)?！半?氫”互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以提高能源調(diào)度靈活性，穩(wěn)定可再生能源的間歇性輸出，提高可再生能源的并網(wǎng)性能和利用率，滿足用戶對電能質(zhì)量的要求。

4 國內(nèi)外氫儲能系統(tǒng)典型案例

德國普倫茨勞市的風(fēng)電-氫氣混合發(fā)電站是世界上第一座此類電站，于2011年11月投入運行。該電廠利用風(fēng)能、氫能和生物質(zhì)能（沼氣）混合發(fā)電，發(fā)電量6MW。同時利用附近啤酒廠的生產(chǎn)肥料制造沼氣（生物質(zhì)能），將沼氣與氫氣作為燃料混合發(fā)電，熱電聯(lián)產(chǎn)，產(chǎn)生的電力配合風(fēng)力發(fā)電平穩(wěn)地輸入電網(wǎng)，產(chǎn)生的熱能給電廠附近區(qū)域供暖。電解水制氫儲存起來的氫氣在富余時還可以輸送到當(dāng)?shù)氐募託湔荆脕斫o燃料電池汽車加氫。下一階段將會繼續(xù)建設(shè)3座電站，投入更多的示范設(shè)備并將制備的氫氣并網(wǎng)到天然氣輸送管道中去。

柯克沃爾小鎮(zhèn)風(fēng)能、潮汐能年發(fā)電量46GWh，其中30%受到電網(wǎng)容量限制而未能完全利用。該項目將利用艾迪島和沙坪森島上可再生能源產(chǎn)生的過剩電能電解水產(chǎn)生氫氣存儲并運輸，之后轉(zhuǎn)化為柯克沃爾港內(nèi)建筑物和3艘船舶的熱量和動力，以及柯克沃爾及其周圍5輛氫燃料汽車的燃料。該項目預(yù)計每年產(chǎn)生50噸氫氣。

日本北海道釧路市的氫供應(yīng)鏈?zhǔn)痉俄椖坷脕碜运娬镜碾娏﹄娊馑头蛛x氫氣，氫氣生產(chǎn)設(shè)施每小時生產(chǎn)35NM的氫氣，這些氫氣經(jīng)過存儲和運輸，供應(yīng)給釧路市的乳制品農(nóng)場、室內(nèi)游泳池、福利和保健中心進行熱電聯(lián)供，并用作豐田燃料電池車輛試驗場的燃料。

2015年，日本豐田的氫燃料電池汽車“未來”（Mirai）正式進入初期的商業(yè)化運作。氫燃料電池汽車除具有現(xiàn)在新能源汽車的種種優(yōu)點之外，還有傳統(tǒng)汽油車的續(xù)駛里程長、加注時間快，若完善加氫站和其他相關(guān)基建，其前景廣闊。

據(jù)統(tǒng)計，截至2019年3月，國內(nèi)有超過22個氫能小鎮(zhèn)、氫谷、氫能產(chǎn)業(yè)園、氫能示范城市成立，其中大部分主體園區(qū)處于規(guī)劃、建設(shè)中。

5 山西省氫儲能多視角發(fā)展前景探討

從2010年至2018年全國的棄風(fēng)情況來看，2016年的棄風(fēng)情況最為嚴(yán)重。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，僅2016上半年棄風(fēng)總量已超過2015全年總量的32.3TWh，甘肅和新疆棄風(fēng)率甚至超過45%，2016年全國棄風(fēng)電量造成直接經(jīng)濟損失就超180億元，幾乎抵消當(dāng)年全年風(fēng)電新增裝機的社會經(jīng)濟效益。近兩年隨相關(guān)技術(shù)的提高，棄風(fēng)情況有所好轉(zhuǎn)，今后電網(wǎng)當(dāng)中的新能源占比會越來越多。

目前山西省清潔能源裝機容量占比超五分之一，2017年山西省新能源發(fā)電電量164.5億千瓦時，棄風(fēng)電量僅為10.97億千瓦時。

大同電網(wǎng)全年最大風(fēng)光時刻用電負(fù)荷占比分別為145.63%、122.98%，風(fēng)光均難以在區(qū)內(nèi)實時完全消納；忻朔電網(wǎng)今年部分時刻風(fēng)電/負(fù)荷比達到280%以上，風(fēng)資源富集，但高風(fēng)電出力時刻難以消納；中部電網(wǎng)、南部電網(wǎng)新能源場站相對較少，負(fù)荷較密集，可支持北部新能源消納，但隨新能源發(fā)電比例增加，對線路容量提出考驗。儲能和能源互聯(lián)是解決現(xiàn)今新能源問題的合理方式。

若利用可再生能源發(fā)電來電解水制氫存儲，電力不足時作為氫能燃料電池的燃料，既可解決新能源發(fā)電的源荷平衡問題，又可制得純度較高的氫能；或在電網(wǎng)無法消納新能源時，用棄置電能制氫與天然氣網(wǎng)絡(luò)或氫網(wǎng)絡(luò)互動，實現(xiàn)能量平衡。例如，江蘇鹽城周邊有1000多家風(fēng)電廠，目前所產(chǎn)生的電能無法并網(wǎng)，使用這些風(fēng)電所產(chǎn)生的電能，結(jié)合海水電解技術(shù)，所產(chǎn)生的氫氣成本可以達到2元/NM（約24元/kg），相對而言已經(jīng)具備了和汽油能源可競爭的能力。

2017年，國務(wù)院42號文件指出，山西要建設(shè)“資源型經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展示范區(qū)”、打造“能源革命排頭兵”，而氫能對于山西大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建、能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面具有重要意義。

從2018年起，大同市委、市政府積極搶抓氫能產(chǎn)業(yè)黃金發(fā)展期，布局氫能產(chǎn)業(yè)和市場，致力把“煤都”變“氫都”。2018年4月16日雄韜氫能大同產(chǎn)業(yè)園項目正式奠基建設(shè)；6月1日，全省首臺10.5米氫燃料公交車運抵大同；9月18日，山西省首條燃料電池發(fā)動機生產(chǎn)線投產(chǎn)儀式在大同市舉行；9月30日，山西省首個氫燃料電池公交示范運營項目暨山西省首個加氫站建設(shè)在大同啟動；10月20日，華熵氫能大同產(chǎn)業(yè)園項目落戶大同；10月28日，“氫都”大同新能源產(chǎn)業(yè)城項目開工。與此同時，山西大同集中簽約燃料電池生產(chǎn)及有軌電車示范線項目、北達新能源甲醇（天然氣）發(fā)動機及醇電混合增程器生產(chǎn)制造項目、大同燃料電池研究院項目三個燃料電池相關(guān)項目，全面推進氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

然而氫能發(fā)展仍面臨諸多局限。市場方面，現(xiàn)有的儲能參與市場的機制尚不完善，不利于氫儲能加入市場體系中，如何設(shè)計合理的儲能服務(wù)計量方法，按實際貢獻補償，激發(fā)氫能資源的市場積極性，成為推動我國氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蜕虡I(yè)化的前提；技術(shù)方面，氫轉(zhuǎn)電所用燃料電池的催化劑、質(zhì)子交換膜和極板等部分造價高昂，儲氫罐使用的碳纖維等材料價格同樣昂貴，但成本的局限性在規(guī)?；a(chǎn)情況下會有所下降，同時國內(nèi)外學(xué)者正積極研究氫能產(chǎn)業(yè)鏈所需的廉價高性能材料。

從制氫環(huán)節(jié)上看，現(xiàn)有制氫技術(shù)大多依賴煤炭、天然氣等一次能源，經(jīng)濟、環(huán)保性問題依然突出。利用核能、生物質(zhì)氣化制氫尚不成熟，利用太陽能或風(fēng)能等可再生能源則存在效率低、綜合成本高等問題。目前正在突破的技術(shù)是光解水制氫，研發(fā)高效太陽能聚光系統(tǒng)和高效光催化反應(yīng)器，從而能提高光解制氫系統(tǒng)的能量效率。

從儲氫環(huán)節(jié)上看，雖然各儲氫技術(shù)均取得了較大進步，但儲氫密度、儲氫安全性和儲氫成本之間的平衡關(guān)系尚未解決，離大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。目前正在突破的技術(shù)為液體有機物常溫常壓儲氫技術(shù)，該技術(shù)在儲氫密度和儲運便利性上兼具優(yōu)勢，但存在加、脫氫溫度較高、催化劑成本和效率難以兼容、裝置復(fù)雜等問題，未來能否成為主流氫氣儲運方式，取決于其技術(shù)完善程度和市場推廣速度。

從用氫環(huán)節(jié)上看，氫燃料電池汽車規(guī)模不足，導(dǎo)致加氫站建造成本難以回收，加氫站數(shù)量不足反過來又制約了用戶選用氫燃料電池汽車。

總體來看，用氫環(huán)節(jié)的便利性和成本控制難以兼顧。正在突破的技術(shù)是氫燃料電池技術(shù)，氫燃料電池推廣的難點在于技術(shù)困難和成本高昂的難題，需要研發(fā)高轉(zhuǎn)換效率、長循環(huán)壽命、低制造成本的新一代燃料電池堆技術(shù)；此外，建設(shè)低成本、高覆蓋密度的新一代加氫站，以及高效率、高密度、高輸出的新一代車載儲氫裝置，同樣十分重要。

推動氫能發(fā)展要解決的最核心問題是大規(guī)模存儲和高覆蓋率傳輸。

在含氫能的分布式能源系統(tǒng)方面，系統(tǒng)能夠脫離電網(wǎng)自主運行，滿足小區(qū)、工業(yè)園區(qū)等區(qū)域的多能源需求，真正實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)；易實現(xiàn)能源市場化，市場活力將大大加速能源革命。但需要解決多能源規(guī)劃、協(xié)調(diào)運行及市場機制等方面問題。

在能源互聯(lián)網(wǎng)層面，氫網(wǎng)可與其他主流能源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換和互聯(lián)，是能源互聯(lián)網(wǎng)中除電網(wǎng)外另一個雙向互聯(lián)媒介，有望成為能源互聯(lián)網(wǎng)中最重要環(huán)節(jié)之一，但廣泛互聯(lián)的能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源協(xié)調(diào)運行與控制是一大挑戰(zhàn)。

總的來講，山西省新能源裝機不斷增加，新能源消納問題日益嚴(yán)峻，氫能可能成為解決這一問題的重要方法；氫能的制備與儲運技術(shù)是亟待解決的核心問題，是氫能規(guī)?；瘧?yīng)用的前提；氫儲能具備作為大規(guī)模儲能的技術(shù)和性能優(yōu)勢，有望成為主要儲能技術(shù)之一；基于氫能和電能的全自治獨立的分布式能源系統(tǒng)可能成為未來能源網(wǎng)絡(luò)的主要形式之一。

PSOC實驗室示范工程與相關(guān)研究

太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)運行與控制山西省重點實驗室搭建了交直流混合微電網(wǎng)示范工程。該示范工程分兩期建成。一期工程主要為交流微電網(wǎng)，該交流微電網(wǎng)通過由雙向可控硅組成的靜態(tài)開關(guān)與大電網(wǎng)相連，設(shè)有兩級380V交流母線；二期示范工程主要為直流微電網(wǎng)，在一期工程的交流母線處通過交直流雙向功率變換器引出400V直流母線，并裝設(shè)了相應(yīng)的直流配電柜及監(jiān)控系統(tǒng)。為了控制靈活整個系統(tǒng)，實驗室自主研制了10kW雙向交直流功率變換器、10kW三相光伏并網(wǎng)逆變器、10kW鋰電池控制器、20kW直流微電網(wǎng)控制器。

光伏發(fā)電部分進行了兩部分建設(shè)。第一部分裝設(shè)的光伏板額定容量為4230W；第二部分建設(shè)的光伏板額定容量為70kW，采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式。此外還配有超級電容-鋰電池混合儲能系統(tǒng)。

實驗室研發(fā)了基于交直流混合微電網(wǎng)分層能量管理系統(tǒng)平臺。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)包括人機交流模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、預(yù)測模塊、決策優(yōu)化模塊。外部信息通過數(shù)據(jù)接口傳遞給交直流混合微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，同時能量管理系統(tǒng)也通過數(shù)據(jù)接口與網(wǎng)內(nèi)各分布式單元實現(xiàn)信息交互。

演講人介紹：韓肖清，太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院院長、山西省教育廳聯(lián)系高級專家、山西省電工技術(shù)學(xué)會理事長、山西省電機工程學(xué)會副理事長、“電力系統(tǒng)運行與控制”山西省重點實驗室主任、“智能電網(wǎng)”山西省高等學(xué)校重點實驗室主任、“風(fēng)光發(fā)電控制與智能電網(wǎng)”山西省科技創(chuàng)新重點團隊負(fù)責(zé)人，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、新能源與微電網(wǎng)運行。