可再生能源多能互补制-储-运氢关键技术综述

李 争 张 蕊 孙鹤旭 张文达 梅春晓

（1. 河北科技大学电气工程学院 石家庄 050018 2. 河北建投新能源有限公司 石家庄 050051）

0 引言

目前全球能源处于转型过程，氢能作为二次能源，拥有来源多样、方便存储和运输、应用广泛等优势，因此氢能可以推动现有能源系统向更新型、更优化的方向发展，可再生能源和二次新能源，如氢能/电能的相互结合利用将会成为未来能源发展的趋势[1-4]。氢气作为清洁低碳的新能源，能够帮助难以脱碳行业实现碳减排的目标；氢能以较低的成本丰富了可再生能源的存储方式，可以帮助可再生能源调节能量波动，促进能源结构多元化并保障能源供应安全。目前，制氢原料以化石燃料为主，因此带来了制氢成本高、碳排放污染环境等问题，而制氢过程的必要条件是清洁高效、无污染，制氢原料正在从化石燃料向可再生能源（风能、太阳能、水能等）方向逐渐发展[5]。例如：2019年底在甘肃酒泉开工建设的风、光、水、储多能互补示范基地，该项目的建成不仅能够提高当地的风光消纳问题，还增加了制氢来源的多样性[6]。

利用可再生能源替代化石燃料的制氢，将是清洁、高效制氢的未来发展趋势，在氢能产业链的制备-储运-加注-应用四个环节中，制氢是龙头，氢能产业前景可期，要科学合理地选择制氢工艺路径，必须从源头以满足环保、经济、安全、高效的要求，实现氢能的供给[7]。从可再生能源中获得氢能，一方面解决了可再生能源的能量密度低、稳定性差等不可靠因素，另一方面解决了并网的不安全性及传统蓄电池储能不能长期储存的缺点，对于减少可再生能源的不必要浪费及就地消纳具有重要意义。

近年来，我国氢能产业发展加快，产业战略布局不断强化。随着政策的引导、技术的突破和产业构建的逐步完善，截至2019年底，在建和已建加氢站将近140座，其中半数已经建成并投入运营，但仍存在关键材料和上层核心技术尚未自主、基础设施建设不足等诸多瓶颈[8]。为此，本文简要介绍了制氢技术的基本原理和系统模型，系统分析了国内外制氢技术发展水平，并结合目前氢能产业存在歧义及尚未解决的问题，提出了制氢、储氢、用氢技术未来的发展思路及趋势。

1 多能互补制氢的基本原理及技术优势

1.1 基本原理

可再生能源制氢技术[9-10]是将可再生能源通过风机、太阳能电池、水泵等发电机组转换成电能，电能通过电解水制氢设备转换成氢气，将氢气输送至氢气应用终端或经燃料电池并入电网中，完成从可再生能源到氢能的转换。根据电能来源的不同，可将可再生能源制氢技术分为并网型制氢和离网型制氢两种[11]。并网型制氢是将发电机组接入电网，从电网取电的制氢方式，比如从风光耦合系统电网侧取电，进行电解水制氢，主要应用于大规模风光耦合系统的消纳和储能。离网型制氢是将发电机组所产生的电能，不经过电网直接提供给电解水制氢设备进行制氢，主要应用于分布式制氢或局部燃料电池发电供能。基于风电场、光伏站、水电站等现有结构，结合制氢技术的优势，建立可再生能源多能互补制氢系统拓扑结构，如图1所示[12]，整个制氢系统包括可再生能源发电机组、电解水制氢系统、储氢系统、输运系统、燃料电池、电网等。

图1 制氢系统拓扑结构Fig.1 Topology of hydrogen production system

可再生能源制氢技术主要包含电-氢转换和氢气储运两大关键技术。图2为电-氢转换示意图，左侧电解水装置消耗电能产生氢气，实现电能向氢能的转换，右侧燃料电池或热电联产机组利用氢气产生电能，实现氢能向电能的转换。制氢技术的制约因素在于降低成本、提高能效、大规模生产系统搭建等方面；储氢技术目前主要有气态储氢、液态储氢和固态储氢等，储氢技术优缺点对比见表 1。运氢技术主要有长管拖车运输、液氢槽车运输、管道运输等，运氢技术优缺点对比见表 2。储运方式都存在较明显的优缺点，因此储运技术也是制约氢能大规模发展的因素。

图2 电-氢转换示意图Fig.2 Schematic of electro-hydrogen conversion

表1 储氢技术优缺点对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of hydrogen storage technology

表2 运氢技术优缺点对比Tab.2 Comparison of advantages and disadvantages of hydrogen transport technology

1.2 技术优势

1.2.1 多能互补的高适应性

随着国家在可再生能源制氢产业的政策调整，多能互补协调运营追求利益最大化、效益共赢成为必然[13]。在目前发展较为迅速的清洁可再生能源中，风能、太阳能、水能应用最为广泛[14]。风能和太阳能分布广、发展潜力大，但是存在能量密度低、稳定性差等问题；水力发电稳定性高，但存在流量小、枯水期等问题。而我国的风-光-水等可再生能源恰好季节互补，夏季太阳能、水能充足，冬季风能充足，正好处于枯水期，因此多能互补协调发电系统是未来的研究重点[15-16]。

1.2.2 电解水制氢的安全性、清洁性及高效性

电解水制氢是电化学制氢技术，主要包括碱性电解制氢、酸性电解制氢、氯碱电解制氢、高温电解制氢及光柱电解水制氢[17]。离子焦耳膜酸性电解水制氢是氢能燃料电池的逆过程，能量效率可以达到 80%～90%，操作过程是酸性和高电压过程，存在器件腐蚀及损害的问题，目前产业化的制氢是碱性的电解水制氢，其系统损害小、安全性高，效率是 30%～40%；其过程是电化学反应，是一个零污染、零排放的过程，产物只有氢气和氧气，氯碱电解制氢技术中附加一个氯气和氢氧化钠，都是工业中常用的化学物质，离子焦耳膜隔膜的发展，使该技术从各个方面都比较成熟，不会对环境造成污染，符合国家发展纯绿色能源的理念；电解水制氢技术产生氢气效率高、纯度高，此外，整体的反应速度可以通过槽电压进行调节，实现对制氢速率的控制[18]。

1.2.3 多能互补电解水制氢技术优势

在制氢产业方面，截至2020年初，全球的氢气产量将近上亿吨，有96%来自于化石燃料，其中48%来自于化石燃料的裂解，30%来自于醇类裂解，18%来自于焦炉气；电解水占比4%左右，占比小的主要原因在于电解水制氢成本很高，是化石燃料的2倍多一些[19]。电解水制氢技术能够适应风-光-水等可再生能源发电系统不连续、不稳定的供电缺陷，降低电解水制氢成本，延长使用寿命，促进分布式能源经济发展[20]；风-光-水等可再生能源通过制氢、用氢的过程，将能量进行存储、转换，使能量对用户的供应过程变得更加便捷灵活。因此，可再生能源多能互补电解水制氢技术的兴起是必然的，同时也是未来的必由之路[21]。

氢能作为连接可再生能源的纽带，使制氢技术备受关注。借力氢能源，实现多能互补，不仅为氢能制取开辟了更加清洁环保的途径，还提高了能源资源的利用效率。在未来的发展过程中，不断完善制氢技术将会是解决能源问题的终极方案。

2. 基于可再生能源的氢能发展研究现状

2.1 国外发展现状

氢能作为重要的二次能源，是解决未来能源危机的最有潜力的能源之一，是全球能源向可持续发展转型的主要路径，是未来主要的清洁绿色能源。近年来，世界各国将氢能的发展上升为国家层面的战略，制定行动计划，绘制发展路线图，积极探索前进的路径。2011年，欧盟制定《2050能源技术路线图》，把脱碳作为核心目标之一，将氢能作为能源系统的重要组成，与燃料电池共同成为未来能源系统结构转型的主要因素。2014年，美国制定了《全面能源战略》，其目的是发展能够为清洁能源奠定基础的低碳技术，并明确表明氢能在交通转型中的主导作用[22]。2016年，日本制定《面向2050能源环境创新战略的计划》，在创新领域内重点发展氢能，推动制氢、储氢、氢发电技术向更成熟的方向发展，扩大应用范围，最终构建清洁无污染的“氢能社会”。德国也在同年重新修订了氢能源战略规划。法国在2019年制定了《氢能计划》，在工业上进行无碳化改革，实现可再生综合能源制氢与氢-电转换，构建能源网络。2019年，欧洲燃料电池和氢能联合组织发布《欧洲氢能路线图》，提出了面向中期（2010—2020年）和长期（2020—2050年）的氢能发展路线图。

伴随着政策层面的持续落地，示范项目也在逐渐建成。自20世纪80年代以来，全球氢能市场的规模进一步扩大，各国陆续启动氢能源重大项目。2013年，德国勃兰登堡建成世界上第一座以氢能源作为电力存储中介的混合能源电站，其电解获得的氢气通过燃烧驱动发电机，产生的电能继续电解制氢。2015年，美因茨能源项目[23]正式启动，是目前全球最大的氢气站，该项目最主要的目的是将清洁的可再生能源转换为氢气的形式加以利用和存储，有效地缓解了可再生能源系统并入电网造成的波动问题。2018年，德国的氢动力列车正式下线，在库克斯港和布克斯特胡德之间约 100km的线路上工作，成为最早的一批氢能与燃料电池结合使用的示范项目。

国外研究人员对可再生能源综合能源系统制氢技术进行分析，从制、储、发电和控制策略等不同方面对制氢技术的影响进行改进。俄罗斯的 M.U.Zaenal[24]针对可再生能源输出功率低于阈值时的制氢技术进行研究，研究了功率波动对制氢过程及系统整体效率的影响，通过设计智能电源管理系统辅助制氢系统，在功率低于产氢阈值时并网运行，提高氢气的质量。土耳其的 Fatih Yilmaz[25]设计了一个包含风电、光电、制氢及储氢等集成循环系统，进行了详细的热力学性能评估，表明参考温度的升高会降低电厂性能、净发电量和氢气产生率，同时指出太阳能和风能作为可再生能源中使用最广泛的能源，当太阳辐射不足或夜晚时，与风力涡轮机结合使用可提供许多优势，以实现清洁、可持续，拟研究的方向强调了清洁氢气生产对环境有益的重要性。构建多能互补的集成循环系统，从输出功率、热力学性能角度进行优化，从制氢自身环节提高能源的利用率。孟加拉的S.M.Baque Billah针对Patenga地区充足的太阳能、风能，结合潮汐能制取氢气，提出了一种基于储能的沿海地区电力系统。在该系统中，由氢气根据负荷量驱动发电机运转，降低电网总谐波失真（THD），且整个过程中不产生二氧化碳，通过实验证实了电力系统的可行性，为多种可再生能源制氢提供了技术基础[26]。储能技术可将多能互补产生的氢气进行存储，跟随负荷切换补偿，保障多种能源持续发电和输出稳定，提高电网接纳间歇式多能互补的能力。澳大利亚的Furat Dawood提出了利用氢气发电用于存储可变的可再生能源（Renewable Energy, RE），以实现100%可再生和可持续的氢气经济[27]。将氢能系统（能源-氢气-电能）划分为生产、储存、安全和利用四个主要阶段，指出制氢途径和具体技术选择取决于可利用的能量和原料的类型以及所需的最终用途和纯度，并对制氢途径和相关技术进行综述，说明了氢方格的各个角上的相互联系。氢气作为一种良好的能量存储介质，可以高效地将氢能与电能进行转换，凸显了氢气作为能源载体的优势。西班牙的Alvaro Serna考虑微电网中电解槽、超级电容器等重要组件，提出一种基于氢能的微电网长期和短期的模型预测控制（Model Predictive Control, MPC），该控制可自主优化电解装置的运行过程，确保电解槽制氢过程中的健康状态[28]。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）寻找混合可再生能源系统中能量效率、产氢质量及冷却负荷之间的最佳结合点，以埃及和沙特阿拉伯地区的实际数据进行分析，证实了该算法可以提高产氢效率[29]。南非的 G.Human介绍了一种小型独立可再生能源制氢系统的规模和功率管理的优化方法，将SPEA算法与遗传算法（Genetic Algorithm, GA）结合，优化系统效率、成本和可靠性，通过对仿真结果的分析，验证了所提方法能够同时对多目标进行优化[30]。日本的Daiji Yamashit基于可再生能源的波动性，提出一种控制负载和电源之间电流的不平衡和系统内部的功率流的系统，通过仿真分析，该方法能够控制输入和输出功率的阶梯形状和随机变化，通过电池补偿了电力需求中的高频波动，通过电解槽处理了剩余的低频波动，两者相互配合提高了系统的稳定性[31]。控制策略的不断优化促进了制氢技术与多种可再生能源互补的结合，基于多能互补的制氢技术将会在电网、制氢、用氢等方面发挥重要作用。

国外对混合可再生能源制氢技术进行了一定的研究，但整个制氢系统仍然存在制氢效率偏低、制氢成本偏高的现象。从总体来看，对混合可再生能源制氢技术的研究还处于起步阶段，仍存在诸多问题，如混合能源的协调控制方法，制氢设备对宽功率波动的适应性以及整个系统的故障及安全性分析。同时，由氢能向电能的转换技术也将对氢能的发展起到促进的作用。协调控制可再生能源互补制氢不仅能够提高能源的利用率，还可以降低制氢的成本。未来资金成本降低，制氢效率提高，设计更加紧凑，系统更加安全将成为发展方向。

2.2 国内发展现状

近年来，可再生能源综合系统的迅猛发展以及电动汽车产业的兴起提高了市场对于氢能技术的预期，国家对于氢能产业的发展十分重视。2016年，我国发布《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出“实现大规模，低成本制取、存储、运输、应用氢气”。同年，印发《“十三五”国家科技创新规划》，重点发展氢能等能够引领产业变革的颠覆性技术。2019年，“氢能”首次写入国家政府报告，国家能源局发布了《绿色产业指导目录》，积极鼓励发展氢能，同时浙江、山西等地提出地方氢能发展政策，政府加大支持补贴力度。目前，中国已经形成七个氢能产业集群，并制定三大发展阶段支撑氢能产业发展。

国内对制氢技术的高度重视及政策支持使我国的制氢产业发展态势良好。2016年，大连“十二五”863项目示范工程建成了我国首个风光互补发电制氢站，将制氢技术、超高压存储技术以及加注技术融合为一体。2018年，国家能源局在广州开发了能源综合利用示范区，实现超前布局氢能产业核心技术，发挥聚集效应，积极打造“中国氢谷”。2019年，全球最大的风电制氢项目——沽源风电制氢综合利用项目的工程进入收尾阶段，全部完成之后，每年的产氢能力将会达到 1 752万 m3（标准），与燃料电池等资源整合，解决当地的弃风、弃光问题。国电大渡河流域水电开发公司积极打造“川西氢能天路”，充分利用当地的水电资源，建设完成一座加氢站和氢能公交示范运行[32]。山东省以济南为核心，建设集氢能源科技园、氢能源产业园、氢能源会展商务区三位一体氢能源经济圈。以兖矿集团为代表的龙头企业拥有一流制氢技术，形成供应端产氢、储氢和运氢的完整产业体系，推动氢能源分别以集中式供给和分布式供给两种方式发展的示范应用。我国风电制氢技术研发起步较晚，进展较为缓慢。目前尚无成熟的商业运行的风电制氢储能和燃料电池发电系统，大规模可再生能源制氢示范工程设计经验不足，在系统的关键性技术、效率提升和经济性方面未能取得实质性的进展。

国内的制氢技术研究起步相对较晚，对可再生能源制氢技术的研究较少，主要从经济性和控制策略角度对制氢技术进行分析与优化。2014年，张佩兰等对制氢技术的经济性进行分析，分析了现有的几种工业化制氢技术，发现制氢技术的经济性与制氢装置成本及位置、规模密切相关[33]。金雪等从目前制氢的成本、寿命及效率考虑，针对西部地区可再生能源难以消纳的问题，提出利用制氢技术解决弃风、弃光问题，分析了制氢、储氢技术研究现状及应用前景，给出了燃料电池氢储能及氢混天然气两种发展思路[34]。经济性问题是制约制氢技术发展的瓶颈之一，而制氢技术的不断成熟将会成为解决电解水制氢成本问题的最佳选择。在制氢技术经济性能基础上，对制氢技术本身也进行了创新研究。蔡国伟等建立了基于直流母线结构的综合能源制氢系统，运用光伏最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法对能源进行预测，针对混合系统的不同运行工况，设计了相应的控制策略，提高了制氢系统在整个系统中的稳定性[35]。王代等探讨了可再生能源与电网之间的相互作用，通过控制制氢系统，不仅可以缓解可再生能源的间歇性，还可以整合多个能源部门，更好地将可再生能源整合到电力系统中[36]。2019年，李文磊等建立了分布式能源制氢的模型，分析了有储能和无储能系统及风速与光照强度变化对制氢效率的影响，有储能系统的条件下，明显提高了制氢效率，能够平抑可再生能源造成的功率波动[37]。依靠我国优越的自然资源条件，加上制氢技术的不断发展，可再生能源制氢是长期必然趋势。

通过研究发现，风光等可再生能源协同制氢是可行的。然而可再生能源受环境影响，导致输出功率波动较大、间歇性强，很难大规模单独应用，我国水资源储备丰富，水库蓄水可以抑制能源波动，同时对风光能源进行调节。能源互补协同发电，可以提高能源利用率，推动工业及生活向更加低碳清洁的方向发展。电解水制氢过程同样可以有效地缓解可再生能源引起的功率波动，将会贯穿于氢能发展的整个过程。可再生能源互补系统电解水制氢的技术将会不断成熟，制氢成本也将逐渐下降，制氢来源倾向于电解水制氢，氢气主要来源趋势预测图如图3所示。电解水制氢将逐步满足商业需求，实现分布式制氢，不仅可以实现制氢过程集中化，供氢过程区域化，还可以设计建造小型的电解水制氢装备，达成氢能源的智慧互联。

图3 氢气主要来源趋势预测图Fig.3 Prediction chart of major hydrogen source trends

3 多能互补制氢系统关键技术分析

可再生能源多能互补制氢系统的能源形式包括太阳能、水能、风能、潮汐能、生物质能和氢能等[38]，近年来，我国风电并网、水电装机、光伏产业及生物质能等可再生能源利用方面发展迅猛，已经走在世界的前列，但是由于可再生能源本身的间歇、随机、波动等特性，使得电网抗波动能力不足，无法保证系统安全运行，再加上地域限制、消纳能力等因素导致弃风、弃水、弃光问题明显[39-40]。

为了提升能源系统利用效率及地方消纳能力，综合考虑系统经济性、电网安全性、用户舒适性，我国提出了实施多能互补系统集成优化工程，在能量供给端将各种可再生能源进行整合，在能量输出端将冷、热、电、气等系统进行耦合优化，推动能量供给方式转向低碳高效、就地利用、便捷用户，加快推进能源结构的转变[41-43]。当前可再生能源多能互补制氢技术发展尚不成熟，在能源互补及制氢技术等各个环节中都存在很多问题，需要重点发展并亟待解决的关键技术包括多能源的协调控制策略、储能及容量配置、能量管理、电解水制氢技术等。

3.1 多能互补系统协调控制策略

多能互补系统中能源形式多样，电源及储能装置的耦合对系统的平稳运行条件提高了要求，因此多能互补协调控制策略的研究成为重中之重，不仅要考虑可再生能源、电网、储能、负荷等相结合的方式，还要依靠协调控制策略使能源互补系统实现安全可靠、清洁高效、经济便民等指标[44]。多能互补系统控制策略不仅需要考虑对可再生能源发电量及负荷消耗等的预测结果，同时，还要考虑本地区的电价、气价等相关情况，优化调度可再生能源系统，实现多种能量的互补调度[45]。

随着分布式可再生能源不断规模化接入电网，电网的频率控制越发困难，国内外学者将预测控制、自适应控制、深度学习等各种算法应用到能源互补发电系统中[46-50]。针对目前多能互补发电技术及其相关评价指标缺乏对经济性的考虑，依据灰色预测模型及Weibull 分布模型进行功率预测，提出了一种综合多指标的多能互补策略[51]。针对可再生能源存在的随机性、波动性给电网带来的强扰动问题，提出了基于比例优先级的采样机制的深度强化学习算法，提高了控制性能及收敛速度，对区域化能源进行最优协调控制，并实现了多能互补系统安全运行[52]。针对环境效益、经济效益的考虑，对多能互补系统进行优化，通过建立多能互补综合系统混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming, MILP）模型，提出了最优混合潮流算法，研究了综合能源系统规划方法、调度策略、消纳能力等[53-55]。为了确保多能互补系统达到计划指标，以互补系数为桥梁联合子系统和综合发电系统，建立了全面客观的日内时间尺度综合能源互补系统评价体系[56]。

现阶段，多能互补系统控制技术包括能源接入影响及其控制策略、多能互补优化运行技术、多能互补分层控制技术等方面。而在多能互补优化运行的过程中需要充分考虑能源出力的不确定性、能源的功率调节约束性以及储能等设备的时间转移特性，兼顾可再生能源与柔性负荷两类可控资源。目前针对可再生能源多能互补系统协同控制策略的研究还处于起步阶段，虽然研究人员在此方面已经进行了一些研究，但是随着各种可再生能源发电技术的不断进步，多能互补系统协调控制的研究难度将不断增加，因此针对多能互补系统不同能源之间存在时间、空间上的差异，综合考虑安全、经济、高效等指标的协同控制策略的研究是必然的。

3.2 储能及容量配置

我国对可再生能源的研究略晚于西方国家，因此在基础设施及核心技术上存在差距，特别是随着可再生能源多能互补系统的兴起，因能源利用率不高，导致经济效益、环境效益等方面相较于西方发达国家的差异更加明显，而多能互补系统的初衷就在于能源协调互补、节约能源，这也就使得储能技术及其容量配置成为多能互补系统的核心基础，加速了可再生能源的大规模应用[57]。针对可再生能源的储能技术，改善了风能、太阳能等能源的波动性、间歇性对系统安全稳定的影响，对多能互补系统的发展起到了重要作用。

目前，按照储能形式将应用在可再生能源中的储能装置分为：机械储能（抽水蓄能等）、电化学储能（锂离子电池等）、电磁储能（超级电容器等）、储热、储氢等[58]。电-氢转换技术能够实现电能与氢能之间的相互转换，相较于其他的储能方式，制氢技术提高了可再生能源的利用率，为能源消纳提供了新的途径[59]，减少了化石燃料的消耗；作为清洁的化工原料，氢气还可以制成燃料电池，转换为电能[60]，储氢技术完成了能量储存及后续的清洁利用，是未来储能方式的重要研究方向[61]。储氢技术优势巨大，前景广阔，但是由于是近几年的新兴技术，在储氢材料、机理等方面仍存在许多的不足，例如，相同压力的氢气体积是汽油的 30倍，而如果继续压缩，则会造成成本昂贵，且安全隐患较大。国内外研究人员为此进行了大量的研究，着重对固态储氢的材料进行总结归纳，并对材料的机理、优缺点进行了比较，提出两种竞争力较强的材料——类碳结构材料和金属及合金材料。通过对石墨材料的进一步研究，得到新的具有特殊功能的碳基结构，分别是富勒烯和纳米管结构。通过将氢气存储在金属中得到金属氢化物，这种方式被广泛地应用到了许多小型便携式装置领域[62]。此外，其他的氢储能技术也在飞速发展，如多孔材料、液态氢载体、复合氢化物、金属间氢化物等材料和能量的电化学存储、热能存储等技术，越来越多具有储氢潜力的材料和技术将会被发现，促进能源的可持续性发展[63]。

储能系统的功能强大，但是不合理操作可能会导致系统内元件损耗，严重情况下会发生火灾。为了保障系统的安全运行，降低运行成本，需要合理配置各种能源的产能、储存及消纳过程。对多能互补系统的储能容量、功率分配进行合理规划，提高整个系统的经济效益是研究重点之一[64]。

储能系统的运行方式主要有孤岛运行和并网运行两种[65]。文献[66-70]建立了风能、太阳能、电能及氢能等能量互补的多能互补系统，针对孤岛模式下的风电功率模型、光电功率模型、储能系统功率模型等模型，以预测功率、预测负荷、降低运营成本为目标，利用弱鲁棒、多目标求解等优化方法，提出了孤岛运行模式下的多能互补系统容量配置策略，实现了孤岛运行利用最大化及容量最佳配置。文献[71]依据菲律宾岛屿对可再生能源互补系统的容量配置方案进行研究，考虑了成本、占地面积等因素，采用熵权重和“与理想解决方案相似的顺序偏好技术”（Technique for Order Preference by Similiarity to Ideal Solution, TOPSIS）方法来评估最佳容量配置，并将其思想应用到了其他离网系统中。文献[72]以多能协调优化、最佳运行效益为出发点，在简化的多能互补系统模型中，采用多目标粒子群优化算法，对储能系统的容量配置及经济效益进行了深入研究，并结合相应的示范工程，对其配置方案进行了验证。文献[73]提出了一种配电网中考虑经济性和高效性的双层优化配置方法，并且在此基础上实现了短期运行优化布点，使得优化配置方法更符合实际运行情况。文献[74]使用遗传算法针对气候、经济等多目标进行优化，考虑了初始成本、生命周期成本和电源概率损失等因素，实现了可再生能源系统的最优化容量配置。

通过研究发现，采用多种可再生能源互补的方式制氢是可行的。传统的储能技术存在寿命短，容量小的缺点，而多种可再生能源制氢储能方式具有运输方便、容量高等优点。储氢方式、储氢材料及容量配置的优化使得可再生能源大范围存储率提高。多种可再生能源互补制氢的存储方式为能量的存储提供了新的解决途径。

针对能源种类不同的多能互补系统，其容量优化方案也存在差异。目前的容量配置方案大多结合以往较为传统的储能系统，或者单一能源下的风电制氢储能[75]、光电制氢储能[76]等，大规模的可再生能源互补系统制氢储能的研究甚少，氢的存储仍然是个挑战，将氢灵活地制成可存储产品能够提高可再生能源制氢的使用效率。因此，氢能作为未来发展前景广阔的储能方式，制氢储能与多能互补系统的深度耦合利用等技术将是未来的主要研究方向。

3.3 能量管理

能量管理系统涵盖电网、可再生能源、负荷、储能等能量流，并通过信息流对其进行规划调控，是可再生能源多能互补系统中的重要组成，有利于保障多能互补系统的安全稳定运行[77]。目前传统电力行业的能量管理系统经过几十年的发展已趋于成熟，由于多能互补系统中包含多种可再生能源，能源自身存在随机性、波动性[78]，各种能源多能耦合时又存在时间、空间上差异，传统的能源管理系统作用不大，为了实现能源的高效利用、能源之间的协同出力及负荷的合理分配，对其进行检测和控制十分必要，因此，亟需在多能互补系统能量管理方面进行深入研究[79]。

可再生能源多能互补系统能量管理方面的研究才刚刚起步，建立系统的理论基础及管理系统还需要研究人员的共同努力。詹国敏等基于风/光/柴/储能源系统，在考虑各式能源设备的运行约束条件下，提出了一种在并/离网状态下均能稳定运行的能量管理控制策略，在并网下削峰填谷、峰谷套利，在离网下限制功率、自动吸收，对于系统长期稳定运行，延长设备寿命，降低运行成本等方面意义重大[80]。赵川等基于目前兴起的大数据，搭建了完整的多能互补能量管理系统，完成了多能互补能量管理系统的 LINUX 操作系统、NOSOL 数据库及控制器等软硬件设计，构建的能量管理系统，效率比之前提高25%，证明了设计的多能互补能量管理系统具备极高的有效性，同时还指出系统存在的不足，下一步的研究还在进行当中[81]。

同时，分层次分阶段的多互连多能互补系统协同自主优化也是目前广受关注的研究方法之一，文献[82]基于主动控制的双层两阶段框架，实现能源之间的最优能源供应，一方面授权每个独立的能源系统进行优化，以独立地满足本地需求，并相互协作，获得了能源互联的优点，提出的“两阶段TC框架”保证了协作以分布式和可扩展的方式进行，并且收敛速度很快。文献[83]提出了一种两阶段最优协调策略，以提取预测结果作为上层模型，以实际结果作为下层模型，并通过混沌算法改进粒子群算法，实现了多种能量形式的最优协同供应，并使得多能互补系统的经济效益实现了最大化。

目前的多能耦合能量管理系统发展前景广阔，未来的研究重点将集中在多能互补能量管理系统结合目前大数据和智能自主优化设计。在未来，多能互补制氢系统需要更加细化，考虑更多的运行约束条件，考虑多能互补系统从并网到独立运行之间的平稳过渡，同时，精确预测负荷变化才能给能量管理提供可靠依据，保证系统经济性和安全性。

3.4 电解水制氢技术

在可再生能源互补系统中，将产生的电能利用电解水技术制成氢气和氧气，制得的气体直接供给负荷或者转换为电能并入电网，提高了互补系统能源的利用率，解决了弃电问题，还可以保障电力系统的安全稳定运行，是未来可再生能源大规模化的必由之路。对此，我国及其他一些欧美国家也进行了深入的研究，并在一些项目上加以应用，建立了示范性工程。电解水技术设备简单、技术成熟、无污染，已经在工业中得以应用，但是因为其成本高、效率低、能耗大等关键问题限制了电解水制氢技术的广泛推广。可再生能源互补系统的发展，对于电解水制氢技术的发展起到了很好的推动作用，降低电解过程的能耗，提高能源转换效率成为目前亟需解决的问题，为此研究人员进行了大量的工作。

依据电解质种类，可以分为碱性、质子交换膜、固体氧化物三种。三种典型制氢技术的对比见表3。传统的碱性电解质制氢不需要昂贵的催化剂且寿命较长，但电能损耗大，难以快速关闭或启动，制氢效率低，不能与具有快速波动特性的可再生能源配合，限制了其应用范围[84]。与碱性电解质制氢方式相比，质子交换膜避免了使用强碱性液体电解质所带来的缺点，同时，紧凑精简的体积降低了电解池的欧姆电阻，大幅提高了电解池的整体性能，运行电流密度是碱性电解槽的4倍以上，宽范围的运行电流密度更有利于配合可再生能源的波动性，具有效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低和可实现更高的产气压力等优势，而且，是制氢领域极具发展前景的电解制氢技术之一。质子交换膜大多采用成本较高的贵金属，而且在使用过程中会降解损耗，主要通过降低催化剂载量、开发合金催化剂等途径降低成本。现阶段催化剂、电解池材料的成本较高，主要解决途径是提高电解池的效率，即，提高膜材料、催化剂与扩散层材料的技术水平。文献[85]针对目前聚合物质子交换膜催化剂有限和厚度问题，制造了一种具有三种先进界面特性的不同微孔层的材料，由经济性较高的钛粉制成，改善了交换膜的界面性能和表面粗糙度，使得催化剂利用率提高了 3倍。固体氧化物电解水采用固体氧化物作为电解质材料，工作温度在400～1 000℃，可以利用热量进行电氢转换，具有能量转换效率高且不需要使用贵金属催化剂等优点，因而效率可以达到100%。还可与光热发电厂协调配合，使所有输入能源完全为可再生能源。现阶段，固体氧化物电解水技术处于实验阶段，在电解模式下存在较大的损耗，需要研发新材料来降低损失，提高其在高温下的耐用性。为了提高在中等温度（600～800℃）下固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyzer, SOEC）中镍基阴极的性能，制备了镍铁双金属阴极，获得了在相同电池电动势下更高的电流及良好的稳定性[86]。为了提高离子电导率，降低电解过程的能耗，获得最大的电压稳定性，使用合成的聚合物电解质制备了双电层电容器，减少了主体聚合物中的结晶，减小了损耗[87]。

表3 三种典型制氢技术对比Tab.3 Comparison of three typical hydrogen production technologies

对于电解水制氢技术来说，碱性电解水价格低廉，但是能效低；质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解水成本高、耐久性差、无法大规模使用[88]；固体电解水要求工作在较高温度下，目前还在实验室阶段。在未来，碱性电解水和PEM水电解的成本降幅有限，但仍有投资成本优势，初期经济性更为明显，所以，未来碱性电解水与PEM水电解的研究重点在于成本、效率和灵活性之间的平衡。此外，发展新的低成本、高效率的电解体系也是有效途径。在碱性条件下，由于可以使用低成本的非贵金属催化剂，结合固体电解质与碱性体系的特点，采用碱性固体电解质代替质子交换膜，将传统碱性电解质制氢与 PEM 水电解的优点结合起来，碱性固体阴离子交换膜水电解技术将是未来的主要研究方向。对电解水技术进行更深入的研究，有利于推动多能互补系统的广泛应用。

4 氢能发展趋势

氢能是全球能源技术革命的重要发展方向，也是可持续和安全的能源未来重要的组成部分。加快发展氢能产业，不仅可以应对全球环境危机，还可以保障能源供给，实现国家能源的可持续性发展。根据 IEA公布的《氢能源未来发展趋势报告》，预计到2050年，氢能源的消耗量将会是目前消耗量的10倍。世界各国都在大力发展制氢技术，占领国际氢能源的制高点。因此本节从制备—储存—运输—应用四个方面考虑，对氢能发展趋势进行了探讨。

4.1 制氢方式发展趋势

制氢技术处于氢能发展的上游，目前主流的绿色制氢技术主要有电解水制氢、生物制氢、太阳能制氢等。据中国氢能联盟，我国氢能制取的远期目标是到 2050年实现持续利用可再生能源电解水制氢，大力发展生物制氢、太阳光解水制氢。

4.1.1 电解水制氢技术

目前主流的制氢方式是煤气化制氢、天然气制氢。从成本角度看，煤气化制氢成本最低，已存在利润空间，电解水制氢仅占4%，制约电解水制氢技术发展的主要因素是成本过高、收益为负；从绿色环保角度看，电解水制氢低碳、可持续，相较于目前主流制氢技术，是可持续和低污染的，是理论上最理想的制氢技术，符合可持续发展的国家政策。未来制氢技术的发展主要受技术水平、经济效益、环境效益等因素影响。国际能源署发布最新报告显示，预计到2030年，可再生能源制取氢气成本可能下降30%[89]。可再生综合能源利用发展迅速，制氢方式也不断增加，但未来制取氢气的方式仍然为电解水制氢技术，其发展前景广阔，到2050年，可再生能源发电电解水将成为主流制氢技术。

4.1.2 生物质能制氢技术

生物制氢原料来源广且没有污染，反应环境是常温常压，生产费用低，完全颠覆了传统的能源的生产过程。作为一种环境友好型可再生能源，如果能够利用生物质能实现制氢的工业化，不仅对能源的优化利用有积极作用，而且可以减少环境污染。生物制氢技术是一种高效产氢的生物工程技术，整个过程将存储在自然界有机物（如蛋白质、植物中碳水化合物）中的能量释放出来，通过细菌的作用产生氢气。生物制氢的途径主要有光解水、光发酵、暗发酵产氢和光暗耦合发酵等[90]。几种生物制氢方法的比较见表 4。生物制氢优点众多，比传统的物理化学方法更加节能，可再生和低消耗，是未来规模化产氢的重要途径。

4.1.3 太阳能制氢技术

最近，在众多的可再生能源制氢的技术中，研究人员正在重点开发太阳能制氢这项新技术。目前太阳能制氢技术实现的主要途径有光化学制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢等[91]。几种太阳能制氢技术的方法比较见表 5。随着研究的深入，发现热化学制氢技术在光照条件下可以利用光催化剂降低对温度的要求，提出了一种热化学循环制氢方法。光催化法制氢是在光照催化剂的作用下，使水分解制得氢气。光催化分解水制氢技术目前研究工作主要是从改进催化剂性能来提高产氢效率。石墨烯具有超强的力学性能、导电性、导热性以及透光性，而且价格低廉、制氢效率高，对石墨烯进行改造给未来低成本制氢提供很大的希望[92-93]。经过研究发现，废水中的有机物可以通过自身的电子给体实现太阳能制氢和太阳能去污，其过程只需要简单地将废水处理与光催化制氢结合，所以这也是未来的发展方向之一。

表4 生物质能制氢技术对比Tab.4 Comparison of biomass energy hydrogen production technology

表5 太阳能制氢技术对比Tab.5 Comparison of solar hydrogen production technology

太阳能制氢技术还在初步的研究阶段，随着资金大量的投入，对技术的开发和进步必将越来越快，光催化剂制氢技术能进一步完善、生物制氢的效率进一步提高的希望也会更大，前景十分广阔。

4.2 储运氢方式发展趋势

高效利用氢气的关键在于氢气的储运，同时它也是影响氢能向大规模方向发展的重要因素。因此，对氢气储运技术的研究成为重点和难点。现阶段储存氢气的途径主要有：多孔材料及金属合金等物理类固态储氢、高压气态储氢、深冷液化储氢等。储运方式已在前文进行对比，此处不再赘述。目前氢气储运主要以气态为主，主要是因其成本低、简便易行、充放气速度快，但安全隐患系数较高。低温液态储氢技术发展缓慢，该技术存在难度系数大、液化成本高、能耗大和绝热材料成本高等弊端。而固态储氢方式优势众多，操作方便，是三种方式中最具发展前景的储氢方式，也是储氢技术研究内容中前沿的方向之一。随着未来储氢合金的使用过程更加便利，成本更加低廉，其有望成为未来主要的储氢方式。

此外，随着研究的深入，出现了无机物储氢和有机物储氢[94-95]。无机物储氢是通过化学键与离子型非金属氢化物（如络合金属氢化物 NaBH4、NH3BH4等）相互作用进行氢气的存储，释放的过程和储氢合金原理相似，存储在其中的氢气以加热的方式释放。有机物储氢是指利用苯或甲苯等液体与氢反应生成环乙烷，这种储存运输氢气的方式不依靠耐高压和低温装置，释放时进行的脱氢反应需要催化剂，这也将是未来一项备受关注的储氢技术。

4.3 氢能应用发展趋势

氢气在提供清洁、安全、可靠和丰富能源方面有着巨大的发展前景，且应用领域十分广泛，作为工业原料，可用于石油炼制、合成氨、甲醇等生产领域，少量用于钢铁、玻璃、电子、航空等工业领域，此外，还可用于交通领域，正在开发的氢燃料电池汽车行业刚刚起步，截至2018年底，全球FCEV（燃料电池电动汽车）库存达11 200辆，当年销量约为4 000辆（比2017年增长80%），预计到2030年，燃料电池汽车行业将实现大幅发展，预测趋势如图4所示。

图4 2018～2030年部分国家燃料电池电动汽车目标Fig.4 Some national fuel cell electric vehicle targets for 2018-2030

目前我国氢能发展已提升到战略层面，但仍存在成本高、安全性待突破、基础设施薄弱等问题，早期应以本地消纳为主，优先发展加氢示范基础设施及氢气燃料电池等，逐步由本地化走向区域化，为我国产业发展、技术培育及基础设施建设积攒经验。随着可再生能源系统的大规模化应用，燃料电池制作成本的大幅度下降，国内燃料电池车、加氢站将有较大增幅，我国能源消费结构将会以氢能为主要组成部分，国家的“能源独立”有望完成，氢能产业会从区域发展逐步拓展到各主要市场，依托全国天然气管网的氢气与天然气混输将实现大规模运行，包括氢能输送管网和加氢站在内的全国性基础设施网络基本形成。氢气作为一种清洁能源，将在越来越多的领域得到应用。

5 结论

本文对可再生能源互补系统制氢技术的发展进行了深入分析和总结。目前风电及太阳能发电制氢产业起步较早，技术已达到国际一流水平，在新能源制氢产业能够先行一步，成为目前发展的主流。混合可再生能源互补系统使得能源的利用率得以提高，产生的氢气作为一种清洁的新能源在众多领域都有广泛的应用。总体来说，国内关于混合可再生能源制氢技术发展相对缓慢，制氢技术仍然面临诸多问题，当前能够产业化的太阳能发电制氢、风电制氢和生物质气化制氢经济性不甚理想，与化石能源制氢相比竞争力较差。我国可再生能源产业的健康发展，能源结构的不断优化需要加快研发和应用制氢、储氢、氢燃料电池技术。因此，可再生能源多能互补制氢技术的发展具有十分重要的意义。