新型电力系统中氢能研究现状

李晶 周浩 杨志博 周德 刘永超 马志宝

摘要：在当今新型电力体系的构建中，氢能凭借其清洁和高效的特性，正逐步成为全球能源转型的重要支柱之一。在“双碳”目标的背景下，传统能源对全球气候变化的影响愈发严重，可再生能源的需求同步增长。氢能的开发和应用得到前所未有的重视与关注。文章综述了当前新型电力体系下氢能的研究现状，主要包含有制氢技术、储氢及运输技术、电氢耦合、氢能储能和调峰方面的优势以及氢能在电力行业的挑战与展望。通过分析表明，氢能在储能和调峰方面具有显著的优势，未来的研究应聚焦于提高生产效率、降低储运成本以及推广燃料电池等核心技术。随着技术的不断进步和政策的支持，氢能有潜力在未来的能源市场中占据重要地位，为实现能源转型和构建低碳社会提供强有力的支撑。

关键词：氢能；制氢技术；储氢技术；可再生能源；新型电力系统

中图分类号： TK 91  文献标志码：  A

0 引言

氢能作为一种清洁、高效、绿色的可再生的能源，具有非常重要的战略意义［1-2］。氢气燃烧产物仅为水，无污染、零排放，在减缓全球气候变化和改善空气质量方面具有显著作用。氢气的能量密度远超传统化石燃料（120～140 MJ/kg），同等条件下可以提供更高的能量［3-4］。

可再生性和循环性是氢能的突出优势之一，氢气可以通过电解水、生物质转化等多种方式制得。就储运方式，可采取多种方式满足不同的需求场景。通过高压储存、液化氢储存、金属氢化物储存、吸附储存等方式进行储存；运输方式主要有高压气态运输、液态运输、有机载体运输以及固态储氢运输等［5-6］。这些灵活的储运方式，保障了氢能在电力系统中的稳定性和适应性。

在电力系统中，氢能可以作为一种高效的能量储存介质，通过电解水产生的氢气储存过剩电能，保障电力调度和负荷平衡。氢气可以将化学能高效地转换为电能，为电网提供稳定的基荷或调峰电力。氢能可作为快速响应的调峰资源，弥补风电、光伏发电等可再生能源的间歇性和不确定性，增强电网的稳定性和可靠性［7］。氢能在分布式能源系统中同样可以促进能源互联互通，提高能源的整体利用效率和系统的可持续性。因此，氢能的战略价值不仅体现在其清洁、高效性上，还在多个方面具有优越的应用潜力，氢能为实现能源转型和构建低碳社会提供了强有力的支撑。随着产业的降本增效和高质量发展，氢能有望在全球能源结构中占据更加重要的地位。但是，氢能的发展也面临技术瓶颈、降低成本、完善基础设施和政策等诸多挑战［8］。

目前，氢能的研究方向主要包括：绿色制氢技术、储氢与催化加氢技术、燃料电池技术等。（1）绿色制氢技术是研究从可再生能源中有效、高效地制氢，涉及高性能制氢与加氢催化剂材料的设计与开发、海水碱性电解制氢、光电制氢等方法的优化。（2）储氢与运氢技术研究高效、安全的储运。（3）燃料电池技术是探索提高燃料电池的性能和降低成本，使其成为实际应用中的可靠的能源转换设备。氢能研究的最终目标是构建氢能产业体系，推动多元应用，支撑双碳目标，推动能源消费转型和高耗能、高排放行业的绿色发展，减少温室气体排放。在这个过程中，存在的问题有如何降本增效，提升竞争力以及技术的安全性与可靠性。

本文分析了当前电力系统下氢能的研究现状，主要包含制氢技术的发展、储氢及运输技术的革新、氢燃料电池技术的演变以及氢能在电力行业所处的环境状况及未来的发展方向，为氢能在电力系统中的深入研究和广泛应用提供参考，同时也展望了氢能的未来发展方向和战略布局。

1 氢能及氢的制备技术

氢能是一种通过氢气和氧气进行化学反应释放出的化学能。作为一种二次清洁能源，其工作原理主要基于电解水或燃料电池这两个过程。其应用主要是通过燃料电池来实现的，其核心在于电解水的逆反应［9］。在这个过程中，氢气和氧气分别被供给到燃料电池的阴极和阳极。在阴极，氢气与电解质发生反应，释放电子，这些电子通过外部电路流向阳极，产生电流。电子到达阳极后与氧气结合生成水，这是电能的直接来源［10］。燃料电池是氢能转化为电能的高效装置，它以其清洁环保、高效能、模块化等优势，被视为未来替代矿物能源的最佳选择。

1.1 水电解技术

水电解技术通过将水分解为氢气和氧气来生产氢气。水的电解是一个化学过程，在直流电的作用下，将H2O分解成H2和O2。水电解技术不仅用于生产氢气，还可以与可再生能源耦合，存储风能和太阳能等间歇性能源。通过此途径，可以在产能过剩时制氢，在需求高峰时释放氢能，从而实现能源的平衡供需。虽然目前，全球只有不到4%的H2是水电解产生的，但随着氢能的发展，水电解制氢比例预计将显著增加。据国际氢能委员会预计，到2050年氢能将占全球能源消耗总量的18%。水电解技术将在未来电力系统中扮演举足轻重的角色［11］。

目前，水的电解技术主要包含碱性电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）和固体氧化物电解（SOEC）等。ALK是在碱性溶液中进行的水电解过程。它使用廉价的电极材料，如镍合金等，这些材料不需要贵金属。在电解过程中，电流通过水溶液，水分子在阴极接受电子形成氢气，而在阳极释放电子产生氧气；PEM使用一种酸性聚合物膜作为电解质，这种膜只允许正离子通过。在电解过程中，水分子在阳极侧分解为氧气和质子，质子通过膜到达阴极侧，在那里它们与电子结合生成氢气；SOEC使用固态陶瓷氧化物作为电解质。在高温下，氧离子通过电解质从阳极迁移到阴极，反应生成氢气和氧气［12-16］，具体如表1所示。

1.2 生物质转化技术

生物质转化制氢是将生物质资源转换为氢气的技术，具有环境友好和可持续的特点，主要分为热化学法制氢和生物法制氢两大类［17-18］。

热化学法制氢是通过高温化学反应将生物质转化为氢气，通常包含有：（1）热解或气化：将生物质加热到高温，在缺氧环境下分解。（2）水蒸气重整：生物质产生的气体与水蒸气反应，进一步提高氢气的产量。（3）气体清洁和分离：为了获得纯净的氢气，需要从产生的气体混合物中清除杂质，并通过膜分离或压力摆动吸附等技术分离出氢气［19］。

生物法制氢是利用微生物代谢过程来生产氢气，具有节能、可再生和不消耗矿物资源的特点。其主要依赖于微生物中的关键酶，如氢化酶和固氮酶，通过酶的催化活性将生物质中的水分子与有机底物转化为氢气［20］，如图1所示。

生物质转化制氢技术不仅可以为氢能经济的发展提供支持，还能有效处理农业和生活废弃物，这对于实现能源转型和减少环境污染具有重要意义。生物质热化学制氢的过程，如图1所示。

1.3 化石燃料转化技术

化石燃料转化制氢主要涉及煤气化法、甲烷蒸汽转化法、重油部分氧化法、甲醇蒸汽转化法等。这些方法的选择取决于原料的可用性、成本效益以及所需的氢气纯度等因素。目前，化石燃料转化制氢是当前全球氢气生产的主要方式，但随着对可再生能源和环境友好型技术的不断追求，未来可能会有更多的研发工作投入到提高这些工艺的效率和可持续性上［21-22］。

煤气化法是指煤炭在高温下与水蒸气反应生成合成气（主要是氢气和一氧化碳的混合物），然后通过变换反应将一氧化碳和水蒸气转化为氢气和二氧化碳，最后通过脱除酸性气体和氢气提纯等工艺环节，得到不同纯度的氢气。

甲烷蒸汽转化法是指以天然气、可燃冰等主要成分为甲烷的化石燃料为原料，通过甲烷与水蒸气的反应产生氢气［23］。

整体来看，制氢技术的成本、能效和环境影响因技术而异，每种方法都有各自的优势和局限性。就目前而言，化石燃料制氢在能效上表现较好，随着碳捕捉和储存技术的发展，环境影响和成本正在改善。电解水制氢的成本随着可再生能源价格下降而变得更具竞争力，且环境影响较小。生物质能目前尚未达到工业规模，但它们在长远来看可能是更可持续的选择。

2 氢的储存和运输

2.1 氢的储存

氢的存储技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢和固态储氢［24］。目前应用最广泛的储氢方式是高压气态储氢，该方法是通过将氢气压缩在储氢容器中来提高其容量，具有成本低、能耗低、充放速度快的优点，但储氢密度较低，安全性较差，因此主要适用于小规模、短距离的运输场景。

低温液态储氢是将氢气冷却至极低温度使其液化，从而提高存储密度。该方法在单位质量和单位体积上的储氢密度具有优势，储存成本较高。在液化过程耗能大，且对储氢容器的绝热性能要求极高。

有机液态储氢是利用有机液体（如环己烷、甲基环己烷等）与氢气进行可逆加氢和脱氢反应，实现常温常压下的氢气储运。该方法具有较高的能量密度，但目前在成本和技术层面仍面临挑战。

固态储氢使用金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体，通过化学吸附和物理吸附的方式实现储氢。固态储氢具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优势，目前主要处于研究阶段［25］。

2.2 氢的运输

氢气的运输是氢能供应链中的关键环节，不同的运输方式有其特定的适用场景和优缺点。随着氢能技术的发展和应用范围的扩大，氢的运输方式也在不断优化和创新，以满足不同需求和提高整体效率。氢作为一种能源载体，其运输方式的选择取决于多种因素，包括运输距离、氢气需求量以及成本效益等。氢的运输方式主要包括高压气体运输、液态氢气运输和管道运输。高压气体运输是目前应用最广泛的运输方式，这种方式灵活且适用于小规模的运输需求。由于液态氢气的体积能量密度高，因此液氢槽罐车具有较高的存储容量，适用于中等距离的运输。然而，液氢的储存和运输对容器的绝热性能要求很高，以确保氢气保持低温液态。管道运输可以分为气态管道运输和液态管道运输两类。管道运输适合于大规模的氢气输送，可以实现从生产地到消费地的连续运输，但建设成本较高［26］。

3 电氢耦合

电氢耦合技术（Electro-hydrogen coupling）是将电力系统与氢能系统相互连接的技术，实现电能与氢能之间的转换与协同。可再生能源制氢，即利用风能、太阳能等可再生能源通过电解水来生产氢气。这种方法可以提高电解水制氢的转化效率，改善电解槽电堆、电极等的设计和制造工艺。这有助于解决可再生能源如弃风、弃水、弃光的消纳问题，同时也是实现“双碳”目标的重要途径。通过这种方式，过剩的电能可以用于制造氢气，而当电力需求增加时，储存的氢气又可以通过燃料电池等方式转换回电能。这种电氢耦合的方式可以实现能源转换与协同，有助于提高能源系统的灵活性、稳定性和可持续性，对能源转型和减缓气候变化具有重要意义。因此，电氢耦合不仅可以促进可再生能源的利用，还可以为电力系统提供必要的灵活性，以适应不断变化的能源需求和供应条件。在新型电力系统中，氢能可以作为连接气、电、热等不同能源形式的桥梁。它可以作为大容量载体、灵活调节器和稳定保障资源，帮助吸纳新能源的波动性，并在化工、冶金和交通领域广泛应用［27］。

4 氢能在储能和调峰方面的优势

氢能在储能和调峰方面具有显著的优势，不仅体现在技术层面，还包括经济性、环保性以及政策支持等方面［28］。

在储能方面，就储能时间与规模而言，氢能提供了在时间（从小时到季度）和容量规模（百吉瓦级别）上的优势，这使得它在新能源消纳方面表现出色。随着储能时间的增加，氢储能系统的边际价值并不会显著下降，这意味着在规模化储能方面，氢能具有较好的经济性。此外，通过电氢耦合技术，氢能可以有效提高可再生能源的消纳能力，减少弃风弃光现象，优化能源结构。氢储能技术适用于多种场景，包括电网削峰填谷、用户冷热电气联供、微电网等，这增加了其应用的灵活性和广泛性［29］。

在调峰方面，电解制氢系统具备快速响应及启停的能力，可以在用电高峰时用于调峰调频辅助服务，而大容量燃料电池发电系统则可在电网超负荷运行时用作调峰机组。氢能也具有电网削峰填谷的作用，通过在电力需求低时生产氢气，而在需求高峰时释放能量，从而实现需求侧响应。另外，氢能能够实现跨季节和跨地域的储能，对于平衡不同地区和季节之间的能源供需差异具有重要意义［30］。

5 挑战与展望

尽管氢能被认为在新型电力系统中具有巨大的应用潜力，但目前仍面临一些技术挑战。在氢气的生产、储存和运输方面，需要进一步优化以降低成本并提高效率。氢与电力系统之间的耦合技术也需要深入研究，以实现更高效的能量转换和管理。

随着可再生能源的快速发展，电网面临诸多挑战，而氢能的发展为电力系统带来了机遇，尤其是在储能和调峰方面。目前，氢能在新型电力系统中的研究主要集中在技术创新和系统集成两个方面。在技术创新方面，研究人员正在探索更高效的电解水制氢技术、固态储氢技术和燃料电池技术等。在系统集成方面，研究人员致力于构建包含氢能的新型电力系统模型，并开发相应的控制策略和优化算法。

氢能在新型电力系统中的研究现状表明，未来的研究应聚焦于提高生产效率、降低储运成本以及推广燃料电池等核心技术，共同推动氢能走向更加可持续和高效的未来。随着技术的不断进步和政策的支持，氢能有潜力在未来的能源市场中占据重要地位，并对构建清洁低碳、安全高效的现代电力系统产生深远影响。

6 结语

氢能在其清洁、高效性基础上，同时具有优越的应用潜力，能够为实现能源转型和构建低碳社会提供强有力的支撑。在电力系统中，氢能可以作为一种高效的能量储存介质，可以将化学能高效地转换为电能，也可作为快速响应的调峰资源，增强电网的稳定性和可靠性。但是，氢能的发展也面临解决技术瓶颈、降低成本、完善基础设施和政策等诸多挑战。制氢技术的成本、能效和环境影响因技术而异，每种方法都有各自的优势和局限性。化石燃料制氢在能效上表现较好，电解水制氢环境影响较小，生物质能转化制氢在长远来看可能是更可持续的选择。氢气的储运是氢能供应链中的关键环节，需要不断优化和创新，以满足不同需求和提高整体效率。电氢耦合技术是未来重要的技术方向，应聚焦于提高生产效率、降低储运成本以及推广燃料电池等核心技术。氢能在储能和调峰方面具有显著的优势。随着产业的降本增效和高质量发展，氢能有望在全球能源结构中占据更加重要的地位。

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（编辑 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