新型電力系統(tǒng)中氫能研究現(xiàn)狀

李晶 周浩 楊志博 周德 劉永超 馬志寶

摘要：在當今新型電力體系的構(gòu)建中，氫能憑借其清潔和高效的特性，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要支柱之一。在“雙碳”目標的背景下，傳統(tǒng)能源對全球氣候變化的影響愈發(fā)嚴重，可再生能源的需求同步增長。氫能的開發(fā)和應(yīng)用得到前所未有的重視與關(guān)注。文章綜述了當前新型電力體系下氫能的研究現(xiàn)狀，主要包含有制氫技術(shù)、儲氫及運輸技術(shù)、電氫耦合、氫能儲能和調(diào)峰方面的優(yōu)勢以及氫能在電力行業(yè)的挑戰(zhàn)與展望。通過分析表明，氫能在儲能和調(diào)峰方面具有顯著的優(yōu)勢，未來的研究應(yīng)聚焦于提高生產(chǎn)效率、降低儲運成本以及推廣燃料電池等核心技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進步和政策的支持，氫能有潛力在未來的能源市場中占據(jù)重要地位，為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和構(gòu)建低碳社會提供強有力的支撐。

關(guān)鍵詞：氫能；制氫技術(shù)；儲氫技術(shù)；可再生能源；新型電力系統(tǒng)

中圖分類號： TK 91??文獻標志碼： ?A

0?引言

氫能作為一種清潔、高效、綠色的可再生的能源，具有非常重要的戰(zhàn)略意義［1-2］。氫氣燃燒產(chǎn)物僅為水，無污染、零排放，在減緩全球氣候變化和改善空氣質(zhì)量方面具有顯著作用。氫氣的能量密度遠超傳統(tǒng)化石燃料（120～140 MJ/kg），同等條件下可以提供更高的能量［3-4］。

可再生性和循環(huán)性是氫能的突出優(yōu)勢之一，氫氣可以通過電解水、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等多種方式制得。就儲運方式，可采取多種方式滿足不同的需求場景。通過高壓儲存、液化氫儲存、金屬氫化物儲存、吸附儲存等方式進行儲存；運輸方式主要有高壓氣態(tài)運輸、液態(tài)運輸、有機載體運輸以及固態(tài)儲氫運輸?shù)龋?-6］。這些靈活的儲運方式，保障了氫能在電力系統(tǒng)中的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

在電力系統(tǒng)中，氫能可以作為一種高效的能量儲存介質(zhì)，通過電解水產(chǎn)生的氫氣儲存過剩電能，保障電力調(diào)度和負荷平衡。氫氣可以將化學能高效地轉(zhuǎn)換為電能，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的基荷或調(diào)峰電力。氫能可作為快速響應(yīng)的調(diào)峰資源，彌補風電、光伏發(fā)電等可再生能源的間歇性和不確定性，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性［7］。氫能在分布式能源系統(tǒng)中同樣可以促進能源互聯(lián)互通，提高能源的整體利用效率和系統(tǒng)的可持續(xù)性。因此，氫能的戰(zhàn)略價值不僅體現(xiàn)在其清潔、高效性上，還在多個方面具有優(yōu)越的應(yīng)用潛力，氫能為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和構(gòu)建低碳社會提供了強有力的支撐。隨著產(chǎn)業(yè)的降本增效和高質(zhì)量發(fā)展，氫能有望在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)更加重要的地位。但是，氫能的發(fā)展也面臨技術(shù)瓶頸、降低成本、完善基礎(chǔ)設(shè)施和政策等諸多挑戰(zhàn)［8］。

目前，氫能的研究方向主要包括：綠色制氫技術(shù)、儲氫與催化加氫技術(shù)、燃料電池技術(shù)等。（1）綠色制氫技術(shù)是研究從可再生能源中有效、高效地制氫，涉及高性能制氫與加氫催化劑材料的設(shè)計與開發(fā)、海水堿性電解制氫、光電制氫等方法的優(yōu)化。（2）儲氫與運氫技術(shù)研究高效、安全的儲運。（3）燃料電池技術(shù)是探索提高燃料電池的性能和降低成本，使其成為實際應(yīng)用中的可靠的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備。氫能研究的最終目標是構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)體系，推動多元應(yīng)用，支撐雙碳目標，推動能源消費轉(zhuǎn)型和高耗能、高排放行業(yè)的綠色發(fā)展，減少溫室氣體排放。在這個過程中，存在的問題有如何降本增效，提升競爭力以及技術(shù)的安全性與可靠性。

本文分析了當前電力系統(tǒng)下氫能的研究現(xiàn)狀，主要包含制氫技術(shù)的發(fā)展、儲氫及運輸技術(shù)的革新、氫燃料電池技術(shù)的演變以及氫能在電力行業(yè)所處的環(huán)境狀況及未來的發(fā)展方向，為氫能在電力系統(tǒng)中的深入研究和廣泛應(yīng)用提供參考，同時也展望了氫能的未來發(fā)展方向和戰(zhàn)略布局。

1?氫能及氫的制備技術(shù)

氫能是一種通過氫氣和氧氣進行化學反應(yīng)釋放出的化學能。作為一種二次清潔能源，其工作原理主要基于電解水或燃料電池這兩個過程。其應(yīng)用主要是通過燃料電池來實現(xiàn)的，其核心在于電解水的逆反應(yīng)［9］。在這個過程中，氫氣和氧氣分別被供給到燃料電池的陰極和陽極。在陰極，氫氣與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，釋放電子，這些電子通過外部電路流向陽極，產(chǎn)生電流。電子到達陽極后與氧氣結(jié)合生成水，這是電能的直接來源［10］。燃料電池是氫能轉(zhuǎn)化為電能的高效裝置，它以其清潔環(huán)保、高效能、模塊化等優(yōu)勢，被視為未來替代礦物能源的最佳選擇。

1.1?水電解技術(shù)

水電解技術(shù)通過將水分解為氫氣和氧氣來生產(chǎn)氫氣。水的電解是一個化學過程，在直流電的作用下，將H2O分解成H2和O2。水電解技術(shù)不僅用于生產(chǎn)氫氣，還可以與可再生能源耦合，存儲風能和太陽能等間歇性能源。通過此途徑，可以在產(chǎn)能過剩時制氫，在需求高峰時釋放氫能，從而實現(xiàn)能源的平衡供需。雖然目前，全球只有不到4%的H2是水電解產(chǎn)生的，但隨著氫能的發(fā)展，水電解制氫比例預(yù)計將顯著增加。據(jù)國際氫能委員會預(yù)計，到2050年氫能將占全球能源消耗總量的18%。水電解技術(shù)將在未來電力系統(tǒng)中扮演舉足輕重的角色［11］。

目前，水的電解技術(shù)主要包含堿性電解（ALK）、質(zhì)子交換膜電解（PEM）和固體氧化物電解（SOEC）等。ALK是在堿性溶液中進行的水電解過程。它使用廉價的電極材料，如鎳合金等，這些材料不需要貴金屬。在電解過程中，電流通過水溶液，水分子在陰極接受電子形成氫氣，而在陽極釋放電子產(chǎn)生氧氣；PEM使用一種酸性聚合物膜作為電解質(zhì)，這種膜只允許正離子通過。在電解過程中，水分子在陽極側(cè)分解為氧氣和質(zhì)子，質(zhì)子通過膜到達陰極側(cè)，在那里它們與電子結(jié)合生成氫氣；SOEC使用固態(tài)陶瓷氧化物作為電解質(zhì)。在高溫下，氧離子通過電解質(zhì)從陽極遷移到陰極，反應(yīng)生成氫氣和氧氣［12-16］，具體如表1所示。

1.2?生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫是將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)換為氫氣的技術(shù)，具有環(huán)境友好和可持續(xù)的特點，主要分為熱化學法制氫和生物法制氫兩大類［17-18］。

熱化學法制氫是通過高溫化學反應(yīng)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫氣，通常包含有：（1）熱解或氣化：將生物質(zhì)加熱到高溫，在缺氧環(huán)境下分解。（2）水蒸氣重整：生物質(zhì)產(chǎn)生的氣體與水蒸氣反應(yīng)，進一步提高氫氣的產(chǎn)量。（3）氣體清潔和分離：為了獲得純凈的氫氣，需要從產(chǎn)生的氣體混合物中清除雜質(zhì)，并通過膜分離或壓力擺動吸附等技術(shù)分離出氫氣［19］。

生物法制氫是利用微生物代謝過程來生產(chǎn)氫氣，具有節(jié)能、可再生和不消耗礦物資源的特點。其主要依賴于微生物中的關(guān)鍵酶，如氫化酶和固氮酶，通過酶的催化活性將生物質(zhì)中的水分子與有機底物轉(zhuǎn)化為氫氣［20］，如圖1所示。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫技術(shù)不僅可以為氫能經(jīng)濟的發(fā)展提供支持，還能有效處理農(nóng)業(yè)和生活廢棄物，這對于實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和減少環(huán)境污染具有重要意義。生物質(zhì)熱化學制氫的過程，如圖1所示。

1.3?化石燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)

化石燃料轉(zhuǎn)化制氫主要涉及煤氣化法、甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法、重油部分氧化法、甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化法等。這些方法的選擇取決于原料的可用性、成本效益以及所需的氫氣純度等因素。目前，化石燃料轉(zhuǎn)化制氫是當前全球氫氣生產(chǎn)的主要方式，但隨著對可再生能源和環(huán)境友好型技術(shù)的不斷追求，未來可能會有更多的研發(fā)工作投入到提高這些工藝的效率和可持續(xù)性上［21-22］。

煤氣化法是指煤炭在高溫下與水蒸氣反應(yīng)生成合成氣（主要是氫氣和一氧化碳的混合物），然后通過變換反應(yīng)將一氧化碳和水蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳，最后通過脫除酸性氣體和氫氣提純等工藝環(huán)節(jié)，得到不同純度的氫氣。

甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法是指以天然氣、可燃冰等主要成分為甲烷的化石燃料為原料，通過甲烷與水蒸氣的反應(yīng)產(chǎn)生氫氣［23］。

整體來看，制氫技術(shù)的成本、能效和環(huán)境影響因技術(shù)而異，每種方法都有各自的優(yōu)勢和局限性。就目前而言，化石燃料制氫在能效上表現(xiàn)較好，隨著碳捕捉和儲存技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境影響和成本正在改善。電解水制氫的成本隨著可再生能源價格下降而變得更具競爭力，且環(huán)境影響較小。生物質(zhì)能目前尚未達到工業(yè)規(guī)模，但它們在長遠來看可能是更可持續(xù)的選擇。

2?氫的儲存和運輸

2.1?氫的儲存

氫的存儲技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫［24］。目前應(yīng)用最廣泛的儲氫方式是高壓氣態(tài)儲氫，該方法是通過將氫氣壓縮在儲氫容器中來提高其容量，具有成本低、能耗低、充放速度快的優(yōu)點，但儲氫密度較低，安全性較差，因此主要適用于小規(guī)模、短距離的運輸場景。

低溫液態(tài)儲氫是將氫氣冷卻至極低溫度使其液化，從而提高存儲密度。該方法在單位質(zhì)量和單位體積上的儲氫密度具有優(yōu)勢，儲存成本較高。在液化過程耗能大，且對儲氫容器的絕熱性能要求極高。

有機液態(tài)儲氫是利用有機液體（如環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等）與氫氣進行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實現(xiàn)常溫常壓下的氫氣儲運。該方法具有較高的能量密度，但目前在成本和技術(shù)層面仍面臨挑戰(zhàn)。

固態(tài)儲氫使用金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學吸附和物理吸附的方式實現(xiàn)儲氫。固態(tài)儲氫具有儲氫密度高、儲氫壓力低、安全性好、放氫純度高等優(yōu)勢，目前主要處于研究階段［25］。

2.2?氫的運輸

氫氣的運輸是氫能供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的運輸方式有其特定的適用場景和優(yōu)缺點。隨著氫能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴大，氫的運輸方式也在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足不同需求和提高整體效率。氫作為一種能源載體，其運輸方式的選擇取決于多種因素，包括運輸距離、氫氣需求量以及成本效益等。氫的運輸方式主要包括高壓氣體運輸、液態(tài)氫氣運輸和管道運輸。高壓氣體運輸是目前應(yīng)用最廣泛的運輸方式，這種方式靈活且適用于小規(guī)模的運輸需求。由于液態(tài)氫氣的體積能量密度高，因此液氫槽罐車具有較高的存儲容量，適用于中等距離的運輸。然而，液氫的儲存和運輸對容器的絕熱性能要求很高，以確保氫氣保持低溫液態(tài)。管道運輸可以分為氣態(tài)管道運輸和液態(tài)管道運輸兩類。管道運輸適合于大規(guī)模的氫氣輸送，可以實現(xiàn)從生產(chǎn)地到消費地的連續(xù)運輸，但建設(shè)成本較高［26］。

3?電氫耦合

電氫耦合技術(shù)（Electro-hydrogen coupling）是將電力系統(tǒng)與氫能系統(tǒng)相互連接的技術(shù)，實現(xiàn)電能與氫能之間的轉(zhuǎn)換與協(xié)同?？稍偕茉粗茪?，即利用風能、太陽能等可再生能源通過電解水來生產(chǎn)氫氣。這種方法可以提高電解水制氫的轉(zhuǎn)化效率，改善電解槽電堆、電極等的設(shè)計和制造工藝。這有助于解決可再生能源如棄風、棄水、棄光的消納問題，同時也是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。通過這種方式，過剩的電能可以用于制造氫氣，而當電力需求增加時，儲存的氫氣又可以通過燃料電池等方式轉(zhuǎn)換回電能。這種電氫耦合的方式可以實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換與協(xié)同，有助于提高能源系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性，對能源轉(zhuǎn)型和減緩氣候變化具有重要意義。因此，電氫耦合不僅可以促進可再生能源的利用，還可以為電力系統(tǒng)提供必要的靈活性，以適應(yīng)不斷變化的能源需求和供應(yīng)條件。在新型電力系統(tǒng)中，氫能可以作為連接氣、電、熱等不同能源形式的橋梁。它可以作為大容量載體、靈活調(diào)節(jié)器和穩(wěn)定保障資源，幫助吸納新能源的波動性，并在化工、冶金和交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［27］。

4?氫能在儲能和調(diào)峰方面的優(yōu)勢

氫能在儲能和調(diào)峰方面具有顯著的優(yōu)勢，不僅體現(xiàn)在技術(shù)層面，還包括經(jīng)濟性、環(huán)保性以及政策支持等方面［28］。

在儲能方面，就儲能時間與規(guī)模而言，氫能提供了在時間（從小時到季度）和容量規(guī)模（百吉瓦級別）上的優(yōu)勢，這使得它在新能源消納方面表現(xiàn)出色。隨著儲能時間的增加，氫儲能系統(tǒng)的邊際價值并不會顯著下降，這意味著在規(guī)?；瘍δ芊矫?，氫能具有較好的經(jīng)濟性。此外，通過電氫耦合技術(shù)，氫能可以有效提高可再生能源的消納能力，減少棄風棄光現(xiàn)象，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。氫儲能技術(shù)適用于多種場景，包括電網(wǎng)削峰填谷、用戶冷熱電氣聯(lián)供、微電網(wǎng)等，這增加了其應(yīng)用的靈活性和廣泛性［29］。

在調(diào)峰方面，電解制氫系統(tǒng)具備快速響應(yīng)及啟停的能力，可以在用電高峰時用于調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)，而大容量燃料電池發(fā)電系統(tǒng)則可在電網(wǎng)超負荷運行時用作調(diào)峰機組。氫能也具有電網(wǎng)削峰填谷的作用，通過在電力需求低時生產(chǎn)氫氣，而在需求高峰時釋放能量，從而實現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)。另外，氫能能夠?qū)崿F(xiàn)跨季節(jié)和跨地域的儲能，對于平衡不同地區(qū)和季節(jié)之間的能源供需差異具有重要意義［30］。

5?挑戰(zhàn)與展望

盡管氫能被認為在新型電力系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。在氫氣的生產(chǎn)、儲存和運輸方面，需要進一步優(yōu)化以降低成本并提高效率。氫與電力系統(tǒng)之間的耦合技術(shù)也需要深入研究，以實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和管理。

隨著可再生能源的快速發(fā)展，電網(wǎng)面臨諸多挑戰(zhàn)，而氫能的發(fā)展為電力系統(tǒng)帶來了機遇，尤其是在儲能和調(diào)峰方面。目前，氫能在新型電力系統(tǒng)中的研究主要集中在技術(shù)創(chuàng)新和系統(tǒng)集成兩個方面。在技術(shù)創(chuàng)新方面，研究人員正在探索更高效的電解水制氫技術(shù)、固態(tài)儲氫技術(shù)和燃料電池技術(shù)等。在系統(tǒng)集成方面，研究人員致力于構(gòu)建包含氫能的新型電力系統(tǒng)模型，并開發(fā)相應(yīng)的控制策略和優(yōu)化算法。

氫能在新型電力系統(tǒng)中的研究現(xiàn)狀表明，未來的研究應(yīng)聚焦于提高生產(chǎn)效率、降低儲運成本以及推廣燃料電池等核心技術(shù)，共同推動氫能走向更加可持續(xù)和高效的未來。隨著技術(shù)的不斷進步和政策的支持，氫能有潛力在未來的能源市場中占據(jù)重要地位，并對構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代電力系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響。

6?結(jié)語

氫能在其清潔、高效性基礎(chǔ)上，同時具有優(yōu)越的應(yīng)用潛力，能夠為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和構(gòu)建低碳社會提供強有力的支撐。在電力系統(tǒng)中，氫能可以作為一種高效的能量儲存介質(zhì)，可以將化學能高效地轉(zhuǎn)換為電能，也可作為快速響應(yīng)的調(diào)峰資源，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是，氫能的發(fā)展也面臨解決技術(shù)瓶頸、降低成本、完善基礎(chǔ)設(shè)施和政策等諸多挑戰(zhàn)。制氫技術(shù)的成本、能效和環(huán)境影響因技術(shù)而異，每種方法都有各自的優(yōu)勢和局限性?；剂现茪湓谀苄媳憩F(xiàn)較好，電解水制氫環(huán)境影響較小，生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化制氫在長遠來看可能是更可持續(xù)的選擇。氫氣的儲運是氫能供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足不同需求和提高整體效率。電氫耦合技術(shù)是未來重要的技術(shù)方向，應(yīng)聚焦于提高生產(chǎn)效率、降低儲運成本以及推廣燃料電池等核心技術(shù)。氫能在儲能和調(diào)峰方面具有顯著的優(yōu)勢。隨著產(chǎn)業(yè)的降本增效和高質(zhì)量發(fā)展，氫能有望在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)更加重要的地位。

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（編輯?李春燕）

Research status of hydrogen energy in new power system

LI ?Jing1， ?ZHOU ?Hao2*， ?YANG ?Zhibo2， ?ZHOU ?De3， ?LIU ?Yongchao2， ?MA ?Zhibao2

（1.China First Heavy Industries Innovation Institute， Beijing 100071， China; 2.Datang North China Electric Power

Test and Research Institute， China Datang Group Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，

Beijing 100043， China; 3.College of Geographical Sciences， Shanxi Normal University， Taiyuan 030024， China）

Abstract： ?In the construction of todays new energy system， hydrogen energy is gradually becoming one of the important pillars of global energy transformation due to its clean and efficient characteristics. In the context of the

“Dual Carbon” target， the impact of traditional energy sources on global climate change is becoming more serious， and the demand for renewable energy is growing simultaneously. The development and application of hydrogen energy have received unprecedented attention. This paper reviews the current research status of hydrogen energy under the new energy system， mainly including the advantages of hydrogen production technology， hydrogen storage and transportation technology， electric hydrogen coupling， hydrogen energy storage and peak shaving， as well as the challenges and prospects of hydrogen energy in the power industry. The analysis shows that hydrogen energy has significant advantages in energy storage and peak load regulation， and future research should focus on improving production efficiency， reducing storage and transportation costs， and promoting core technologies such as fuel cells， with technological advances and policy support， hydrogen has the potential to play an important role in the future energy market， providing strong support for the energy transition and building a low-carbon society.

Key words： hydrogen energy; hydrogen production technology; hydrogen storage technolog; renewable energy; new energy system