作者：曹軍文, 鄭 云, 張文強(qiáng), 于 波
摘 要：隨著當(dāng)下以化石燃料為主的能源體系資源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為世界能源體系發(fā)展的重要趨勢(shì).能源互聯(lián)網(wǎng)是以信息傳遞為基礎(chǔ),以可再生能源和核能為主要一次能源供體,以電能為核心,以?xún)?chǔ)能技術(shù)為媒介的新型能源體系,具有智能化、清潔化、操作靈活化等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展的理想形式。氫能具有熱值高、無(wú)污染、可再生、長(zhǎng)周期儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)“可再生能源→電能氫能”的多樣化轉(zhuǎn)換,可作為能量?jī)?chǔ)存、傳遞和轉(zhuǎn)換媒介在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。該文從能源互聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā),闡述了氫能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要地位,并結(jié)合清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)核研院)在核能制氫方面的研究成果,綜述了氫能和氫儲(chǔ)能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)體系下的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)氫儲(chǔ)能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展做出展望。
關(guān)鍵詞:氫能；清潔能源；能源互聯(lián)網(wǎng)；氫儲(chǔ)能技術(shù)
能源是維持人類(lèi)生存、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。 化石燃料的大規(guī)模應(yīng)用推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入快速發(fā)展階段。然而,同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題. 此外,化石能源日益消耗也使得能源危機(jī)嚴(yán)重威脅人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展.近些年,隨著包括可再生 能源和核能在內(nèi)的清潔能源的發(fā)展和分布式能源概 念的興起,能源行業(yè)朝著零碳排放的變革越來(lái)越受到人們關(guān)注.美國(guó)著名學(xué)者里夫金在?第三次工 業(yè)革命?一書(shū)中提出的能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被認(rèn)為是 未來(lái)能源體系發(fā)展的重要方向. 氫能是一種清潔無(wú)碳、能量密度高、轉(zhuǎn)化形式 多樣的二次能源,是推動(dòng)世界未來(lái)能源體系清潔化轉(zhuǎn)型的重要媒介,在里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)概念中充當(dāng)重要角色.本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程 出發(fā),對(duì)氫能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要地位做出了詳 盡分析,并綜述了能源互聯(lián)網(wǎng)體系下,氫氣的制 備、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展情況.
１、能源互聯(lián)網(wǎng)
能源互聯(lián)網(wǎng)的概念出現(xiàn)時(shí)間較早,但起初并未受到過(guò)多關(guān)注.近些年,隨著化石能源日益枯竭。
清潔能源體系快速興起,能源互聯(lián)網(wǎng)的概念日益受到重視,并被賦予了新的內(nèi)涵和特征。
1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程
能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程如圖１所示，可分為概念孕育、研究起步、功能和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化研究、關(guān)鍵 技術(shù)突破與示范項(xiàng)目快速發(fā)展４個(gè)階段。國(guó)外能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起步較早,其初步構(gòu)想的提出可追溯到20世紀(jì)70年代,巴克敏斯特福樂(lè)在世界游戲 模擬大會(huì)上提出“全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略”是能源的最高優(yōu)選。2008年，美 國(guó)、德 國(guó)、日本分別提出 Freedm、EＧEnergy和數(shù)字電網(wǎng)項(xiàng)目,對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)化研究,Freedm 項(xiàng)目對(duì)分布 式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能隨時(shí)隨地并網(wǎng)與即插即用做出了探索；EＧEnergy項(xiàng)目在能源生產(chǎn)者和能量消費(fèi)者的雙向互動(dòng)等方面做出了系統(tǒng)示范;數(shù)字電網(wǎng)項(xiàng)目以信息互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),對(duì)電網(wǎng)的靈活配置和智能調(diào)峰做出了實(shí)踐。
2011年,美國(guó)學(xué)者里夫金在 ?第三次工業(yè)革命?一書(shū)中指出能源互聯(lián)網(wǎng)是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志,并初步構(gòu)建了能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系和基本特征,引發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)在全球的 研究熱潮。特別是近幾年利用清潔能源的大量技術(shù)突破推動(dòng)了能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展。
2018年,全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織成立,并召開(kāi)了“2018全球能源互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)”，會(huì)上首次發(fā)布了?全球能源互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)架研究?等12項(xiàng)創(chuàng)新成果,實(shí)現(xiàn)了能 源互聯(lián)網(wǎng)從“規(guī)劃圖”到“施工圖”、從“新理念”到 “可操作”的重要突破。
2019年,全球能源互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)展合作組織發(fā)布了歐洲能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃研究報(bào)告,提出了歐洲能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃方案、重點(diǎn)互聯(lián)互通工程,并進(jìn)行了效益評(píng)估;澳大利亞可再生能源署發(fā)布了新的可再生能源資助計(jì)劃,把電網(wǎng)消納、氫能和減少工業(yè)碳排放作為可再生能源優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。
國(guó)內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起步較晚,但近５年來(lái)發(fā)展速度十分迅猛。
2014年,國(guó)家能源局(以下簡(jiǎn)稱(chēng) 能源局)局長(zhǎng)劉振亞提出能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)上就是“特 高壓電網(wǎng)＋智能電網(wǎng)＋清潔能源”,并強(qiáng)調(diào)要大力 發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)。
2015年３月,在全國(guó)“兩會(huì)” 報(bào)告上,國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)提出“互聯(lián)網(wǎng)＋”發(fā)展計(jì)劃。同年９月在聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)上,國(guó)家主席習(xí)近平宣布將能源互聯(lián)網(wǎng)由戰(zhàn)略構(gòu)想上升為國(guó)家倡議。2016年３月,國(guó)家發(fā)展改革委、能源局和工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布?關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧 能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)?,提出了未來(lái)10年中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展藍(lán)圖,進(jìn)一步奠定了未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng) 的發(fā)展模式。
2017年,國(guó)家能源局公布了首批55個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目, 能源互聯(lián)網(wǎng)在國(guó)內(nèi)由概念走向落地。
2019年, 由清華大學(xué)等單位主辦的“2019國(guó)家能源互聯(lián)網(wǎng)大 會(huì)”在湖南株洲召開(kāi),能源領(lǐng)域的諸多專(zhuān)家就“泛在能源、智慧互聯(lián)”的大會(huì)主題,共同梳理了能源互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)的推進(jìn)情況,為我國(guó)日后能源結(jié)構(gòu)的變革趨勢(shì)和轉(zhuǎn)型前景提出了新的展望。2020年?北京市政府工作報(bào)告?明確提出,要依托能源互聯(lián)網(wǎng)和第四代核電等重點(diǎn)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì),積極構(gòu)建 “能源谷”。隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型速度加快,構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)已成為我國(guó)能源體系發(fā)展的重要方向。
1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵
里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)包含以下幾個(gè)基本元素：
１)清潔能源為主要的一次能源；
２)以氫能 為樞紐,將一次能源與電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng) 連為一體;
３)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)超 大規(guī)模分布式能源儲(chǔ)存和廣域能源共享;
４)燃油 車(chē)將被氫燃料電池車(chē)替代,實(shí)現(xiàn)交通電氣化的轉(zhuǎn) 變;
５)人既是能源生產(chǎn)者,也是能源消費(fèi)者,傳統(tǒng) 的大型電力公司不復(fù)存在.上述能源互聯(lián)網(wǎng)的基本 內(nèi)涵主要是基于哲學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)層面的思考,并沒(méi)有 從科學(xué)和技術(shù)的層面提出具體實(shí)施模式。
隨著多年的不斷深入研究,大量學(xué)者對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)從不同角度進(jìn)行了深入剖析和探討,逐漸提出并完善能源互聯(lián)網(wǎng)的含義和發(fā)展方向。由于能源互聯(lián)網(wǎng)是涉及多學(xué)科交叉的、具有高 度兼容性和復(fù)雜性的新型能源體系,很難進(jìn)行全面而精準(zhǔn)的定義,且不同領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)其理解和認(rèn)識(shí) 的側(cè)重點(diǎn)各不相同,短期內(nèi)很難達(dá)成共識(shí),因此, 對(duì)已有的能源互聯(lián)網(wǎng)的定義做出了如表１的歸納. 盡管表１定義的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，但從中也可以歸納出能源互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn):
１)泛在互聯(lián)；能源 互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)之 間的耦合互聯(lián)；
２)對(duì)等開(kāi)放；能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成各層 級(jí)、多維度的開(kāi)放平臺(tái).各種清潔能源,特別是可再生清潔能源,可無(wú)歧視接入能源互聯(lián)網(wǎng);能源互 聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)無(wú)歧視接入獲取所需要的能源及服務(wù);能源生產(chǎn)者也可以是能源使用者,用戶(hù)的參與度大大提升;可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)支持各種能源服務(wù),支持需求響應(yīng)、輔助服務(wù)、電能購(gòu)銷(xiāo)服務(wù),降低能源互聯(lián)網(wǎng)峰谷差,提高其運(yùn)營(yíng)效益；
３)低碳高效；能源互聯(lián)網(wǎng)的一次能源供體為以可再生能源為主的清潔能源,電能和氫能是能量傳送的主要二次 能源載體,碳排放大大降低；
４)多源協(xié)同；既包括 大型能源生產(chǎn)基地規(guī)劃運(yùn)行方面的協(xié)同,也包括能源傳輸和終端能源利用方面的協(xié)同。
２ 能源互聯(lián)網(wǎng)中的氫能
氫能是一種二次能源載體,具有可再生、可儲(chǔ)可輸、利用形式多樣等特點(diǎn),將在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。 國(guó)際能源署(InternationalEnergy Agency, IEA)對(duì)當(dāng)下以化石燃料為主的能源體系和構(gòu)想中 的未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)體系做了對(duì)比分析。如圖２所 示，IEA 將所有能源劃分為簡(jiǎn)單的熱網(wǎng)、電網(wǎng)、油氣網(wǎng)３種形式，在當(dāng)下的能源體系中,除了熱電產(chǎn)之外,不存在其他方式實(shí)現(xiàn)３種能源形式之間的互相耦合轉(zhuǎn)化。而在未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中, 熱網(wǎng)、電網(wǎng)、油氣網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)深度耦合轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵媒介就是氫能.氫能的制備途徑多樣,在未來(lái)以清潔能源為主要一次能源供體的能源結(jié)構(gòu)下,電解水制氫可提供清潔且充足的氫源;氫氣可發(fā)電、可發(fā)熱、也可用于交通燃料,因此可以打破傳統(tǒng)的熱網(wǎng)、電網(wǎng)、油氣網(wǎng)三者之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互相耦合轉(zhuǎn)化的壁壘,提高能源互聯(lián)網(wǎng)的操作靈活性,真正實(shí)現(xiàn)不同能源形式之間的彼此聯(lián)通、深度耦合。此外,受自然條件的影響,可再生能源具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性,且受地形等因素限制頗多。因此，可再生能源發(fā)電在時(shí)間尺度上具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性,在空間尺度上具有明顯的區(qū)域差異性, 這些問(wèn)題造成了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄水、棄光(三棄)等資源浪費(fèi)問(wèn)題。2018年,我國(guó)“三棄”造成的電能損失近1100億kW??h,經(jīng)濟(jì)損失約487億元.為了降低能量波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊,實(shí)現(xiàn)能源的穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng)和廣域能源共享,發(fā)展高效的儲(chǔ)能技術(shù)必不 可少。氫電之間可以高效轉(zhuǎn)化,且氫氣可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)備和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。利用電氣轉(zhuǎn)化技術(shù)(powertogas)可以在時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)電力過(guò)剩時(shí)以氫儲(chǔ)電，電力不足時(shí)以氫供電的高效轉(zhuǎn)化,空間尺度上實(shí)現(xiàn)能源的廣域共享。
核能是世界第二大低碳能源,作為重要的新型 能源供給形式,其發(fā)展受到廣泛關(guān)注.清華大學(xué)核研院從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研發(fā)具有第四代核能系 統(tǒng)特征的核反應(yīng)堆———高溫氣冷堆(hightemperaＧ turegascooledreactor,HTGR),至今已取得重要 進(jìn)展。10MW 、的測(cè)試反應(yīng)堆已實(shí)現(xiàn)全功率運(yùn)行，200萬(wàn)噸級(jí)的示范工程正在投入建設(shè)。HTGR的出口溫度可高達(dá)1000℃，對(duì)出口熱能的充分利用可以有效提高 HTGR的能量效率,實(shí)現(xiàn)核能的高效開(kāi)發(fā)應(yīng)用.碘硫(IＧS)循環(huán)制氫和高溫蒸汽電解制氫(hightemperaturesteam electrolysis, HTSE)是２種利用 HTGR出口高溫?zé)崮苤茪涞姆绞?通過(guò)將高溫?zé)崮芤詿峄瘜W(xué)或電化學(xué)的方式轉(zhuǎn)化為高品位化學(xué)能(氫能)可以最大程度提高核能利用效率,豐富核能的應(yīng)用場(chǎng)景.核研院在大力發(fā)展先進(jìn)核反應(yīng)堆的同時(shí),也在２種核能制氫形式方面投入了大量研究，為未來(lái)核能的系統(tǒng)性、多樣化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。核研院在碘硫循環(huán)制氫關(guān)鍵技術(shù)方面已取得諸多突破：成功搭建了碘硫循環(huán)制氫臺(tái)架,并進(jìn)行了制氫連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn),連續(xù)運(yùn)行,86h,制氫運(yùn)行60h, 制氫規(guī)模達(dá)60L/h,是除日本原子能研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) (JapanAtomicEnergyAgency,JAEA)之外,唯一實(shí)現(xiàn)碘硫循環(huán)制氫連續(xù)運(yùn)行的單位;建立和開(kāi)發(fā)了 具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碘硫循環(huán)全過(guò)程模擬模型和計(jì) 算軟件INETＧIS,奠定了我國(guó)碘硫循環(huán)制氫在國(guó)際 上的領(lǐng)先地位。在高溫電解制氫方面,核研院高溫電解制氫團(tuán) 隊(duì)完成了一系列核心技術(shù)和關(guān)鍵組件的研發(fā),在高 性能電極材料制備、材料表界面精準(zhǔn)修飾與表征、高通量電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面取得了一系列 進(jìn)展;在先進(jìn)電堆制備方面,結(jié)合材料篩選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行工藝摸索,解決了固體氧化物電解池(solid oxideelectrolysiscell,SOEC)系統(tǒng)水蒸氣穩(wěn)定供應(yīng)、 精準(zhǔn)控制和在線監(jiān)測(cè)等難題,成功制備了千瓦級(jí) SOEC制氫系統(tǒng)，為我國(guó)高溫電解制氫從實(shí)驗(yàn)室 階段走向規(guī)?；痉峨A段奠定了重要基礎(chǔ). 氫氣作為用途多樣、可儲(chǔ)可輸?shù)亩文茉摧d體, 無(wú)論在可再生能源的調(diào)峰儲(chǔ)能,還是在新一代核能的 高效多樣化利用方面均可發(fā)揮重要作用.氫儲(chǔ)能系統(tǒng) 被認(rèn)為是未來(lái)可行的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化的方法之一。
2.1 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)
以可再生能源和核能為主的清潔能源是未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)體系下的主要一次能源供體，2050年可再生能源的發(fā)電量將占發(fā)電總量的約67％。考慮到可再生能源波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn),多能互補(bǔ)和能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換技術(shù)將成為能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重 點(diǎn)之一。如圖３所示,氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過(guò)以氫儲(chǔ)電的形式實(shí)現(xiàn)不同能源形式的轉(zhuǎn)換,并以氫能 的形式實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存、運(yùn)輸和再利用，作為構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵媒介,氫能相關(guān)技術(shù)發(fā)展受到 世界各國(guó)的廣泛關(guān)注. 美國(guó)、日本、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)國(guó)情制定了相應(yīng)的氫能發(fā)展規(guī)劃,推 動(dòng)本國(guó)氫能發(fā)展。
2001年,美國(guó)提出?綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃?,指出大力發(fā)展微電網(wǎng)和智能電網(wǎng),以增加清潔能源利用比例。2016年,日本制定了?2050年能源與環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略計(jì)劃?,提出智慧社區(qū)建設(shè)構(gòu)想,推動(dòng)氫能網(wǎng)絡(luò)的全社會(huì)覆蓋。2019年,法國(guó)制定的?氫能計(jì)劃?中指出,要推進(jìn)可再生能源制氫和氫電轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建能源網(wǎng)絡(luò)。 隨著國(guó)內(nèi)能源轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求的不斷加快，國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道。
2016年，國(guó)務(wù)院發(fā)布的?“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃?中強(qiáng)調(diào)要開(kāi)發(fā)氫能、燃料電池等新一代能源技術(shù)。2017 年,國(guó)家能源局發(fā)布的?關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)?指出,儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生 能源高占比能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù),支持在可再生能源消納問(wèn)題突出的地區(qū)開(kāi)展可再生能源儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、制氫等多種形 式能源存儲(chǔ)與輸出利用。2019年,氫能源首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告,氫能發(fā)展受到越來(lái)越多國(guó)家層面的關(guān)注。隨著可再生能源在能源體系中的占比不斷增 高,氫能和氫儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,提高能源互聯(lián)網(wǎng)能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化的靈活性和操作彈性.能源系統(tǒng)的新型能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型將會(huì)推動(dòng)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中氫氣制備、儲(chǔ)運(yùn)和轉(zhuǎn)化與利用等技術(shù)的快速發(fā)展。
2.1.1氫氣制備
氫氣制備途徑多樣,電解水制氫是理想的利用可再生能源和核能制氫的方式.主要的電解裝置包括堿性電解池(alkalineelectrolysiscell,AEC)、質(zhì)子交換膜電解池和固體氧化物電解池(SOEC)。表２比較了３種電解裝置的基本電解參數(shù)，AEC是發(fā)展最為成熟的電解裝置,目前已有1000Nm３/h的商業(yè)化裝置，但是能量轉(zhuǎn)換效率低,波動(dòng)響應(yīng)性慢,在與可再生能源耦合方面受到限制.PEMEC技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,目前處于商業(yè)化早期階段,能量轉(zhuǎn)化效率高于AEC,波動(dòng)響應(yīng)性快,在與可再生能源耦合制氫儲(chǔ)能方面具備優(yōu)勢(shì).其貴金屬催化劑、雙極板和其他關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化率低,目前 PEMEC的成本較高,國(guó)內(nèi)還需不斷加大在關(guān)鍵材料和關(guān)鍵技術(shù)方面的研發(fā),降低成本,推動(dòng)其國(guó)產(chǎn)化率提升.SOEC是電解效率和能量轉(zhuǎn)化效率最高的電解裝置,并且整個(gè)裝置不需要貴金屬成分,原材料成本低,應(yīng)用形式多樣,可用于小型分布式儲(chǔ)能和大型集中式儲(chǔ)能等多種場(chǎng)景, 高溫工作的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)核熱的充分利用,被認(rèn)為是十分有前景的電解裝置.目前SOEC的技術(shù)成熟度還較低,需要在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵工藝方面加深研究,推動(dòng)其發(fā)展。
2.1.2 氫氣儲(chǔ)運(yùn)
氫氣可儲(chǔ)可輸?shù)奶攸c(diǎn)是以氫能為紐帶構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的重要條件.提高儲(chǔ)運(yùn)效率,降低儲(chǔ)運(yùn)成本是氫氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn).按照儲(chǔ)運(yùn)形式的不同,氫氣儲(chǔ)運(yùn)可分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和固態(tài)儲(chǔ)運(yùn).表２ ３種電解裝置的基本參數(shù)比較電解方法電解電壓/V 電解效率/％ 總效率/％ AEC １．８~２．０ ５３．６~６２ ~３０ PEMEC １．５~１．６ ７７．６~８２ ~３５ SOEC １．２~１．３ ＞９０ ５２~５９ 氣態(tài)儲(chǔ)氫是氫氣儲(chǔ)運(yùn)的主流方式,高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器是氣態(tài)儲(chǔ)氫的關(guān)鍵裝置.目前,國(guó)外已開(kāi)發(fā)出全復(fù)合輕質(zhì)纖維纏繞儲(chǔ)罐IV 型瓶,最高儲(chǔ)氫壓 力為 ７０MPa。中國(guó)大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)氫容器為３５MPa鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞III型瓶,７０MPaIII型瓶剛開(kāi)始小規(guī)模應(yīng)用,７０MPaIV 型瓶尚處于研發(fā) 階段,與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大. 長(zhǎng)管拖車(chē)高壓氣態(tài)輸運(yùn)是目前氫氣的主要運(yùn)輸方式,技術(shù)較為成熟。中國(guó)的長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)氫壓力 為２０MPa,單車(chē)運(yùn)氫量約為300kg,正在積極發(fā)展35MPa氣態(tài)運(yùn)輸技術(shù);國(guó)外采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)氫,單車(chē)運(yùn)氫可提至700kg。氣態(tài)管道輸運(yùn)是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞?具有輸氫量大、能耗小和成本低等優(yōu)勢(shì),是大規(guī)模氫氣輸運(yùn)的重要發(fā)展方向. 液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)適用于長(zhǎng)距離、運(yùn)輸量大的情況,日本已經(jīng)開(kāi)展了液氫駁船運(yùn)輸項(xiàng)目,驗(yàn)證液氫大規(guī)模、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)目尚行?。中?guó)在航天領(lǐng)域已成 功應(yīng)用,尚無(wú)民用的液氫儲(chǔ)運(yùn)案例.固態(tài)輸運(yùn)的優(yōu) 點(diǎn)在于儲(chǔ)氫密度高、安全性更好、可實(shí)現(xiàn)氫的快速 充放.然而,目前看來(lái),固態(tài)儲(chǔ)氫的缺點(diǎn)在于目前 的固體儲(chǔ)氫材料室溫下儲(chǔ)氫量過(guò)低,且吸附材料的 制備昂貴,商業(yè)化程度較低。
2.1.3 氫氣應(yīng)用
氫氣的用途多樣,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛.氫氣可作為 一種高能燃料,用于航天飛機(jī)、火箭等航天行業(yè)和 公共汽車(chē)等領(lǐng)域;氫氣在電子工業(yè)中可用作保護(hù)氣 體,如在集成電路、電子管和顯像管等電子制品的 制備過(guò)程中都需要?dú)錃庾鳛楸Ｗo(hù)氣體;在食品和化 學(xué)工業(yè)中,氫氣是重要的合成原料之一.除此之 外,隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展,氫能被逐漸應(yīng) 用在燃料電池汽車(chē)等交通工具、家用電站和微型燃 料電池等日常用品、以及其他正在不斷開(kāi)拓的應(yīng)用 領(lǐng)域中.在未來(lái)能源體系中,電網(wǎng)電力不足時(shí),氫能還可作為儲(chǔ)備能源為電網(wǎng)提供電力。
如圖４所示,日本對(duì)不同階段氫能在不同領(lǐng) 域的應(yīng)用進(jìn)行了分析,顯示了氫能在當(dāng)下能源系 統(tǒng)中的重要位置以及未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用前景.目前,日本比較成熟的氫能應(yīng)用包括石油精煉、光纖制造等工業(yè)制造領(lǐng)域和被當(dāng)作高能燃料使用的航空航天領(lǐng)域;目前處于實(shí)用化階段的應(yīng)用主要包括燃料電池汽車(chē)和家用燃料電池電站;隨著氫能相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 未來(lái)還會(huì)進(jìn)一步被用于業(yè)務(wù)產(chǎn)業(yè)用燃料電池發(fā)電、家用或特殊用途的燃料電池、不同類(lèi)型的燃料電池交通工具(包括業(yè)務(wù)用車(chē)、公共汽車(chē)、列車(chē)、船、飛機(jī))等 各種備用電源,以及更多的工業(yè)應(yīng)用等。
2.2 氫儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能方式的比較
目前,主要的儲(chǔ)能方式可分為３類(lèi):
１)化 學(xué)儲(chǔ)能,包括液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池等;
２)機(jī)械儲(chǔ)能,包括蓄水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪 儲(chǔ)能等;
３)電磁儲(chǔ)能,包括超導(dǎo)體儲(chǔ)能和超級(jí)電容 器儲(chǔ)能.氫儲(chǔ)能的基本原理是電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣,可以將其看作是化學(xué)儲(chǔ)能的延伸。表３歸納了不同儲(chǔ)能方式的能量密度、成 本、儲(chǔ)能期限和技術(shù)成熟度。對(duì)比可知,氫儲(chǔ)能相比于其他儲(chǔ)能方式有諸多優(yōu)點(diǎn).氫儲(chǔ)能的能量 密度顯著高于其他儲(chǔ)能方式,儲(chǔ)能期限較長(zhǎng),滿(mǎn) 足長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能的需求,可實(shí)現(xiàn)可再生能源的跨季 儲(chǔ)能和跨區(qū)域能量傳遞.此外,電解水制氫可以提高可再生能源利用率,減少化石燃料的使用, 提高能源體系清潔化。氫儲(chǔ)能成本低于電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能,盡管略高于發(fā)展時(shí)間較久的壓縮空氣儲(chǔ)能和蓄水儲(chǔ)能,但隨著氫氣制備和儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,市場(chǎng)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大,成本將會(huì)進(jìn)一步降低.氫儲(chǔ)能是前景廣闊的可再生能源儲(chǔ)能方式,可在能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建方面發(fā)揮重要作用。
３ 總結(jié)與展望
能源互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)能源體系發(fā)展的理想狀態(tài)，能夠?yàn)槿祟?lèi)提供更智能、更環(huán)保、更高效、更安全的能量供應(yīng)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)生活環(huán)境。儲(chǔ)能周期 長(zhǎng)、效率高、能量轉(zhuǎn)換形式多 樣的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可作為重要能源轉(zhuǎn)換和傳遞媒介在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中扮演重要角色。隨著氫能相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展, 氫能有望與電能一同成為能源互聯(lián)網(wǎng)中的“兩架馬車(chē)”，以氫 電相互轉(zhuǎn)化提高可再生能源和核能利用率和操作彈性，構(gòu)建出轉(zhuǎn)換靈活、傳遞高效的能量流.。目前，氫能相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，有諸多問(wèn)題需要解決，如氫氣制氫方面,清潔一次能源與電解水裝置的耦合技術(shù)、制氫裝置的關(guān)鍵材料研發(fā)等;氫氣儲(chǔ)運(yùn)方面,輕量化高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)民用化發(fā)展、高效固態(tài)儲(chǔ)氫材料等。上述關(guān)鍵技 術(shù)瓶頸的深入研發(fā)和突破,將對(duì)提高一次能源利用率、推動(dòng)我國(guó)能源體系清潔化和智能化轉(zhuǎn)型具有重要意義。
