电转氢技术融入分布式智慧能源的应用模式研讨

宋天琦 刘惠萍

1.上海航天工业(集团)有限公司

2.上海市交通工程学会

0 概述

电转氢技术，作为电转气技术最基础与关键的环节，一直是互联网+“智慧能源”（即能源互联网）发展关注的重点。随着国家对氢气作为能源的相关产业愈发重视以及产业自身的不断发展迭代，电转氢技术为能源互联网带来了诸多前所未有的新机遇和新挑战。

一方面，专业化、规模化氢气制、储、运体系的不断建设与完善，使分布式可再生能源电解水制氢等技术蓬勃发展。作为电转氢技术中最具潜力的路径之一，分布式可再生能源电解水制氢在完善氢气供应保障的同时，缓解了可再生能源消纳与储存等相关问题。气电融合得以进一步推进，在电力能源和气态能源之间架起更多调节调度的桥梁，十分契合氢产业“环境创新、构建生态、多源互补”和能源互联网“技术创新、模式突破”的发展方向。

另一方面，国内外专家不断探索向现有天然气管网基础设施注氢的可行性与技术和机制限制，上海2020 年11 月13 日发布的《上海市燃料电池汽车产业创新发展实施计划》中提出，“鼓励宝山、金山等氢气气源充足地区建立局域供氢管网，实现区域内高效快速供氢，建立重点氢气生产企业供给监控平台，实现氢气资源智能化调配与利用”，也传递出氢气注入管网的另一种可能。在因地制宜的前提下，无论是建立局域供氢管网还是向现有区域天然气管网注氢，都将为能源系统提供更加创新多元的弹性和高性价比的储存调节能力。

1 电转氢技术应用路径与案例模式梳理分析

电转氢技术，以电解槽为核心，通过电解水来制取氢气及副产品氧气。其融入分布式智慧能源系统促进电能向气态能源转化的应用路径主要有两种（见图1）：一是直接利用，以氢气为连接因子，融入分布式智慧能源系统；二是结合适宜碳源，进一步进行甲烷化，将达到注入天然气管网品质的甲烷作为连接因子。

图1 电制氢促进电能向气态能源转化应用路径图

融入了电转氢技术的分布式智慧能源系统存在于诸多场景中。针对不同应用场景与服务对象，其应用模式也多种多样。选取国外较成熟的典型案例进行了梳理汇总，案例服务对象主要在于工业、农业及社区建筑三大领域。工业类用户包含褐煤火力发电厂、热电联产厂、纸浆厂、污泥废水处理厂、石油公司、钢铁生产厂、废水处理厂、炼油厂等；农业类用户包含生物质（泥炭和森林残留物）热电联产厂、葡萄园等；社区建筑类则应用于罗马、柏林、哥本哈根等城市。

对案例进行多角度归纳：从电力来源、最终气态能源产品等关键融合点入手，形成应用模式关键融合点汇总表（见表1）；从碳源、副产品与服务对象产业融合利用等扩展融合点入手梳理汇总，形成应用模式扩展融合点汇总表（见表2）。

2 电转氢技术在分布式智慧能源中应用模式分析

可再生能源是电力来源的主力。多数案例全部或部分采用可再生能源所发电力进行电解，常见的主要有风电、光伏发电以及水电。同时，核电和处理废弃生物质进行热电联产所发电力，常具有较好的价格优势，也可用作电源。此外，也有未满负荷供电的并网电厂，利用其富余容量发电参与电解制氢的案例。

最终产物利用方面，当为天然气时，注入管网是主要选择。同时，也可就地单独或与氢气混合作为燃料利用。当为氢气时，多作为供热燃料和交通工具燃料。同时有案例将其作为工业原料利用。此外，也有案例注入允许一定比例氢气掺混的天然气管网中。

碳源获取方面，环境友好且易捕捉收集是优先考虑来源的主要因素。主要选择有发动机、锅炉等废气中的CO2和其他碳密集型产业中的CO2，如液化石油气中捕获酰胺基CO2、硫酸盐纸浆厂的木基CO2等。

应用模式具有与场景精准匹配的特点。依据应用场景个性化的属性或工艺流程，充分利用电转氢的副产品及电转氢后续流程甲烷化的潜在功能，可找到有效提升整体能源效率和经济性的路径。例如，纸浆厂电转气系统的副产品氧气，可用于现场的木质素脱除和漂白环节；炼油厂电转气系统目前已有1MW 规模案例，如加拿大安大略省的炼油厂，其副产品氧气就地用于工艺中的富氧环节（如流体催化裂化、硫磺回收、炉加热、废水处理），等等。

表1 应用模式关键融合点汇总表

表2 应用模式扩展融合点汇总表

3 国内相应产品技术发展趋势

针对电转氢技术应用场景多元化、个性化的特点，采用一体化、模块式产品将是应对其产品技术适应性和成本进行优化的思路。目前国内电解制氢产品较多，但同时兼顾第二段氢气甲烷化的联合应用产品几乎空白。

航天智慧能源研究院开发的围绕PEM 技术和化学甲烷化技术展开的三段式分系统样机——模块式电解制氢装置、模块式甲烷化反应装置以及燃气注入质量控制装置，是国内该技术在实践应用领域的探索先锋。经过联动设计，其模块化产品可轻松实现电解制氢及二段制甲烷系统的构建，并提升了整个系统的智能化水平，正尝试应用于我国相应场景中，参见图2。

4 思考与建议

高性价比的电源将是产业发展的重要保证应是共识。欧盟多国的氢能战略规划数据，均将之作为聚焦点之一。日本作为氢产业发展历程较长，相关经验积累较丰富的国家，对氢气情有独钟，其早期战略思想便来源于大力发展核电可以产生低成本且大量的电力，用于电解法制氢气[1]。

在能源互联网飞速发展变革的大背景下，伴随着2030 年碳达峰和2060 年碳中和的推进实现，结合《上海市燃料电池汽车产业创新发展实施计划》倡导的目标，充分挖掘和发挥电转氢技术的应用能级，建议可从技术、机制以及产业服务等方面找到着力点以实现更大作为。

图2 电制氢相应技术与产品发展趋势与应用

技术上，电转氢技术的应用涉及多领域、跨行业。充分互补、资源互享才能更好与应用场景结合，最大化服务对象乃至整个社会的经济性，发挥技术潜力和影响力。一是促进气电碳耦合，运用资本手段使电网公司、燃气企业乃至碳产业和生物质相关企业的相互耦合，促进融合发展。二是基于深度低碳的技术解决方案，研发一体化、模块化、经济性高的产品。三是结合崇明生态岛的低碳诉求和美丽乡村建设、临港新片区能源系统的绿色韧性需求等开展示范项目实践，形成可复制、可推广的技术方案和示范项目。

机制上，绕不开行业内一致认为亟待解决的问题：如何将制氢环节从“化工区”里安全稳妥地“放”出来，允许其在创新场景中落地生根。新技术的创新应用，需要经历变革与磨合。一是在政府的指导下、行业标准的支持下，通过试点项目或课题研究联动政产学研机构，充分研究论证。二是参考科研示范项目经验，大胆突破改革现有机制体制。

产业服务模式上，加强协同联动。一是行业协会及学会的相关专业委员会，可结合各应用场景相关产业联盟，一起开展工作，发挥平台型、开放型、枢纽型组织的作用。二是汇聚各方资源和力量，打造“产业群”“企业圈”。基于氢安全，从氢来源到氢应用场景，从氢技术到氢产品标准，从氢服务到氢商业模式，齐心协力共促氢能产业健康有序高质量发展！