氢能在综合能源系统中的应用前景

氢能在综合能源系统中的应用前景

商梦桐

北京航天试验技术研究所 北京 100074

摘要：近年来，随着能源体制变革、技术发展、系统形态升级，能源服务形态呈现出新的特点。综合能源服务能够满足用户多元化需求、拓展企业盈利空间、提升社会整体能效。大规模储能技术是综合能源系统中实现“心脏”功能的直接工具，能够在综合能源系统中发挥缓冲器、聚合器和稳定器的作用，而氢能作为一种清洁、高效、易规模化的能源储存与转化技术，已广泛应用合成氨和冶炼厂加氢等大规模工业中。

关键词：氢能；储能系统；综合能源系统；应用前景

引言

本文以氢能作为综合能源微网的主要输入能源，对氢能交互的关键设备进行建模，构建了考虑氢能交互转换的综合能源微网日前运行调度模型。

1考虑氢能交互的综合能源微网架构

综合能源微网是可以自治运行的能量系统，由能量管理设备、分布式可再生能源装置、储能装置、能量转换装置和能源负荷组成；在结构上可分为能源输入、转换、存储和输出等环节。结合能源集线器模型，构建包含氢能三联供系统、储氢、分布式电源、电制冷机、电热泵、储电和电解制氢等设备的综合能源微网，典型的微网系统的结构。

以氢能为核心的综合能源微网可有效解决综合能源微网中的碳排放量问题；同时，氢气是一种能量密度很高的物质，其能量密度是天然气的3倍，对综合能源微网的能源利用效率带来极大的提升。另外，考虑到氢气在生产、存储和使用各环节中与其他能源的耦合特性，构建以氢能为核心的综合能源微网能有效提高能源的利用效率，并促进新能源消纳。

2综合能源控制系统总体构架设计

由于创新基地各个系统之间控制特性差异大、控制耦合性强、控制时间尺度不一致，考虑到控制的可靠性、经济性和可扩展性，因此在构建综合能源控制系统时需要注意以下2个方面：

（1）控制系统的广域性。创新基地综合能源系统是一个微缩却完整的园区综合能源系统，考虑到微网区域范围内，一定地域上多个综合能源系统的集中控制需要，其综合能源控制系统应具有广域性的控制范围、海量数据的处理能力和便于扩展等特性。

（2）控制系统的实时性。创新基地范围内的综合能源系统接受来自上层控制系统的全局性目标控制指令，并在本园区内根据指令来优化控制各个供能设备，这个控制过程应该是可靠、实时、可优化、相对独立受控的。因此，要求综合能源控制系统具有安全可靠、技术先进、实时监控等特征。

综合能源控制系统通过引入在线交易平台、大数据处理等技术，充分挖掘能源生产、传输、消费、转换、存储等大量信息，借助能源需求预测、需求侧响应等信息挖掘技术指导能源生产和调度。基于创新基地多能互补控制需求的综合能源系统，其控制构架应将能量管理优化控制层、系统级快速协调控制层和就地设备控制层三层控制有机结合。在不同时间尺度上分别实现设备级控制（第一层控制）和系统级快速协调控制（第二层控制）以及能量管理优化控制（第三层控制），完成系统多能互补经济优化调度运行、快速协调控制。创新基地采用面向对象的、组件化的分层、分布式设计思想，整个系统构架。

3氢储能系统中的关键技术

利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，再利用燃料电池技术，将存储的能量回馈到电网，或者将存储的高纯度氢气送入氢产业链直接利用。为了实现这一完整的能量转换链，就要从氢气的制取、储存、发电等方面整体规划，在关键技术上进一步突破。

3.1制氢技术

电解水制氢是一种完全清洁的制氢方式，技术工艺过程简单、产品纯度高。根据电解槽生产技术的不同，电解水制氢方法可以分为碱性电解、固体高分子电解质电解和高温固体氧化物电解3种。

3.2储氢技术

与其它燃料相比，氢的质量能量密度大，但体积能量密度低（汽油的1/3000），因此构建氢储能系统的一大前提条件就是在较高体积能量密度下储运氢气。尤其当氢气应用到交通领域时，还要求有较高的质量密度。此外，以氢的燃烧值为基准，将氢的储存运输所消耗的能量控制在氢燃烧热的10%内设为理想状态。目前氢气的储存可分为高压气态储氢、低温液态储氢和金属固态储氢。对储氢技术的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。

4氢能在综合能源系统中应用路径

4.1氢能应用于工业用户

目前，工业用户中的氢几乎完全来自天然气、煤炭和石油的大规模制氢，对环境产生巨大影响，采用可再生能源发电制氢耦合工业用户，既可以提供无碳氢，又可以提供可再生电力，避免化石燃料的碳排放问题。氢用于工业用户中的途径有：（1）炼油，加氢处理和加氢裂化去除杂质，提高中间馏分油的精收效率；（2）化工，用于合成氨、甲醇，合成甲烷等工业原料和燃料；（3）钢铁，代替传统高炉及碱性氧气转炉系统中常用的焦炭和天然气。

基于氢的合成燃料储存更容易，可利用现有的基础设施输送，为海事、铁路、航空提供可靠的清洁燃料。2019年11月，德国蒂森克虏伯钢铁集团正式注入杜伊斯堡9号高炉；奥地利林茨奥钢联钢厂6MW电解制氢装置投产，开启了氢能冶金时代。中国宝武钢铁、鞍钢、酒钢等均开始可再生能源制氢-氢能冶金立项，探寻循环经济的可行性。

4.2氢能应用于能源企业

目前，全球氢能发电比例很小，约占总发电量的0.2%。随着对能源行业深度脱碳要求的进一步提高，氢能应用于能源企业路径主要有：

（1）氢为燃气轮机或燃料电池提供燃料，作为备用电源或离网供电，为易停电和偏远地区的关键设施（如医院，通信基础设施等）提供备用电源，成为电力系统的一个灵活性电源；（2）氢转化成氨，与煤粉共燃，降低传统燃煤电厂的碳排放强度；（3）氢以压缩气体、氨或合成甲烷的方式储存，平衡电力需求和可再生能源的间歇性波动。

日本和韩国均明确了在能源企业中使用氢或氢基燃料的目标，日本希望在2030年氢发电能力达到1GW，韩国氢路线图设定目标是2022年电力行业中燃料电池装机容量为1.5GW，2040年达到15GW。2020年2月，北美拟投资可再生能源-氢发电枢纽项目替代1800MW的Intermountain燃煤电站，为南加州提供可靠的清洁能源，从2025年开始，每年春、秋两季将有538MW可再生能源用来制氢，可再生能源制氢成本可能低至1.5~2.9美元/kg，氢气将储存在地下盐洞，通过100%氢燃料的燃气轮机进行发电。

结语

随着氢利用技术的发展和进一步成熟，氢储能系统成熟度上升较快。与其他常规储能系统相比，氢储能系统在系统效率、运行寿命、机组响应时间和投资成本等关键参数上均处于中间位置，但考虑氢能在未来能源系统中深度脱碳的重要作用，氢储能系统具有广阔的应用途径。

参考文献

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