- 業界國際可再生能源制氫產業及技術的發展現狀2021-06-01 作者：李爭、張蕊 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語伴隨著政策層面的持續落地，示范項目也在逐漸建成。自20世紀80年代以來，全球氫能市場的規模進一步擴大，各國陸續啟動氫能源重大項目。
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發展轉型的主要路徑，是未來主要的清潔綠色能源。近年來，世界各國將氫能的發展上升為國家層面的戰略，制定行動計劃，繪制發展路線圖，積極探索前進的路徑。
- 2011年，歐盟制定《2050能源技術路線圖》，把脫碳作為核心目標之一，將氫能作為能源系統的重要組成，與燃料電池共同成為未來能源系統結構轉型的主要因素。
- 2014年，美國制定了《全面能源戰略》，其目的是發展能夠為清潔能源奠定基礎的低碳技術，并明確表明氫能在交通轉型中的主導作用。
- 2016年，日本制定《面向2050能源環境創新戰略的計劃》，在創新領域內重點發展氫能，推動制氫、儲氫、氫發電技術向更成熟的方向發展，擴大應用范圍，最終構建清潔無污染的“氫能社會”。
- 德國也在同年重新修訂了氫能源戰略規劃。
- 法國在2019年制定了《氫能計劃》，在工業上進行無碳化改革，實現可再生綜合能源制氫與氫-電轉換，構建能源網絡。
- 2019年，歐洲燃料電池和氫能聯合組織發布《歐洲氫能路線圖》，提出了面向中期（2010—2020年）和長期（2020—2050年）的氫能發展路線圖。
伴隨著政策層面的持續落地，示范項目也在逐漸建成。自20世紀80年代以來，全球氫能市場的規模進一步擴大，各國陸續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動發電機，產生的電能繼續電解制氫。
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并入電網造成的波動問題。
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制氫技術進行分析，從制、儲、發電和控制策略等不同方面對制氫技術的影響進行改進。
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進行研究，研究了功率波動對制氫過程及系統整體效率的影響，通過設計智能電源管理系統輔助制氫系統，在功率低于產氫閾值時并網運行，提高氫氣的質量。
土耳其的Fatih Yilmaz]設計了一個包含風電、光電、制氫及儲氫等集成循環系統，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、凈發電量和氫氣產生率，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，與風力渦輪機結合使用可提供許多優勢，以實現清潔、可持續，擬研究的方向強調了清潔氫氣生產對環境有益的重要性。
構建多能互補的集成循環系統，從輸出功率、熱力學性能角度進行優化，從制氫自身環節提高能源的利用率。孟加拉的S.M.Baque Billah針對Patenga地區充足的太陽能、風能，結合潮汐能制取氫氣，提出了一種基于儲能的沿海地區電力系統。在該系統中，由氫氣根據負荷量驅動發電機運轉，降低電網總諧波失真（THD），且整個過程中不產生二氧化碳，通過實驗證實了電力系統的可行性，為多種可再生能源制氫提供了技術基礎。
儲能技術可將多能互補產生的氫氣進行存儲，跟隨負荷切換補償，保障多種能源持續發電和輸出穩定，提高電網接納間歇式多能互補的能力。澳大利亞的Furat Dawood提出了利用氫氣發電用于存儲可變的可再生能源（Renewable Energy, RE），以實現100％可再生和可持續的氫氣經濟。將氫能系統（能源-氫氣-電能）劃分為生產、儲存、安全和利用四個主要階段，指出制氫途徑和具體技術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技術進行綜述，說明了氫方格的各個角上的相互聯系。
氫氣作為一種良好的能量存儲介質，可以高效地將氫能與電能進行轉換，凸顯了氫氣作為能源載體的優勢。西班牙的Alvaro Serna考慮微電網中電解槽、超級電容器等重要組件，提出一種基于氫能的微電網長期和短期的模型預測控制（Model Predictive Control, MPC），該控制可自主優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。
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中能量效率、產氫質量及冷卻負荷之間的最佳結合點，以埃及和沙特阿拉伯地區的實際數據進行分析，證實了該算法可以提高產氫效率。
南非的G. Human介紹了一種小型獨立可再生能源制氫系統的規模和功率管理的優化方法，將SPEA算法與遺傳算法（Genetic Algorithm, GA）結合，優化系統效率、成本和可靠性，通過對仿真結果的分析，驗證了所提方法能夠同時對多目標進行優化。
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內部的功率流的系統，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的穩定性。控制策略的不斷優化促進了制氫技術與多種可再生能源互補的結合，基于多能互補的制氫技術將會在電網、制氫、用氫等方面發揮重要作用。
國外對混合可再生能源制氫技術進行了一定的研究，但整個制氫系統仍然存在制氫效率偏低、制氫成本偏高的現象。從總體來看，對混合可再生能源制氫技術的研究還處于起步階段，仍存在諸多問題，如混合能源的協調控制方法，制氫設備對寬功率波動的適應性以及整個系統的故障及安全性分析。
同時，由氫能向電能的轉換技術也將對氫能的發展起到促進的作用。協調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，設計更加緊湊，系統更加安全將成為發展方向。
本文摘編自2021年第3期《電工技術學報》，論文標題為“可再生能源多能互補制-儲-運氫關鍵技術綜述”，作者為李爭、張蕊 等。
