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近年來，可再生能源綜合系統(tǒng)的迅猛發(fā)展以及電動汽車產(chǎn)業(yè)的興起提高了市場對于氫能技術(shù)的預(yù)期，國家對于氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分重視。

2016年，我國發(fā)布《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動路線圖》，提出“實(shí)現(xiàn)大規(guī)模，低成本制取、存儲、運(yùn)輸、應(yīng)用氫氣”。同年，印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，重點(diǎn)發(fā)展氫能等能夠引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。

2019年，“氫能”首次寫入國家政府報(bào)告，國家能源局發(fā)布了《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄》，積極鼓勵發(fā)展氫能，同時浙江、山西等地提出地方氫能發(fā)展政策，政府加大支持補(bǔ)貼力度。目前，中國已經(jīng)形成七個氫能產(chǎn)業(yè)集群，并制定三大發(fā)展階段支撐氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

國內(nèi)對制氫技術(shù)的高度重視及政策支持使我國的制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好。

2016年，大連“十二五”863項(xiàng)目示范工程建成了我國首個風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫站，將制氫技術(shù)、超高壓存儲技術(shù)以及加注技術(shù)融合為一體。2018年，國家能源局在廣州開發(fā)了能源綜合利用示范區(qū)，實(shí)現(xiàn)超前布局氫能產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，發(fā)揮聚集效應(yīng)，積極打造“中國氫谷”。

2019年，全球最大的風(fēng)電制氫項(xiàng)目——沽源風(fēng)電制氫綜合利用項(xiàng)目的工程進(jìn)入收尾階段，全部完成之后，每年的產(chǎn)氫能力將會達(dá)到1752萬m3（標(biāo)準(zhǔn)），與燃料電池等資源整合，解決當(dāng)?shù)氐臈夛L(fēng)、棄光問題。國電大渡河流域水電開發(fā)公司積極打造“川西氫能天路”，充分利用當(dāng)?shù)氐乃娰Y源，建設(shè)完成一座加氫站和氫能公交示范運(yùn)行。

山東省以濟(jì)南為核心，建設(shè)集氫能源科技園、氫能源產(chǎn)業(yè)園、氫能源會展商務(wù)區(qū)三位一體氫能源經(jīng)濟(jì)圈。以兗礦集團(tuán)為代表的龍頭企業(yè)擁有一流制氫技術(shù)，形成供應(yīng)端產(chǎn)氫、儲氫和運(yùn)氫的完整產(chǎn)業(yè)體系，推動氫能源分別以集中式供給和分布式供給兩種方式發(fā)展的示范應(yīng)用。

我國風(fēng)電制氫技術(shù)研發(fā)起步較晚，進(jìn)展較為緩慢。目前尚無成熟的商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)電制氫儲能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，大規(guī)?？稍偕茉粗茪涫痉豆こ淘O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)、效率提升和經(jīng)濟(jì)性方面未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

國內(nèi)的制氫技術(shù)研究起步相對較晚，對可再生能源制氫技術(shù)的研究較少，主要從經(jīng)濟(jì)性和控制策略角度對制氫技術(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化。

2014年，張佩蘭等對制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，分析了現(xiàn)有的幾種工業(yè)化制氫技術(shù)，發(fā)現(xiàn)制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與制氫裝置成本及位置、規(guī)模密切相關(guān)。金雪等從目前制氫的成本、壽命及效率考慮，針對西部地區(qū)可再生能源難以消納的問題，提出利用制氫技術(shù)解決棄風(fēng)、棄光問題，分析了制氫、儲氫技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，給出了燃料電池氫儲能及氫混天然氣兩種發(fā)展思路。

經(jīng)濟(jì)性問題是制約制氫技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一，而制氫技術(shù)的不斷成熟將會成為解決電解水制氫成本問題的最佳選擇。在制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能基礎(chǔ)上，對制氫技術(shù)本身也進(jìn)行了創(chuàng)新研究。

蔡國偉等建立了基于直流母線結(jié)構(gòu)的綜合能源制氫系統(tǒng)，運(yùn)用光伏最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）算法對能源進(jìn)行預(yù)測，針對混合系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，提高了制氫系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。

王代等探討了可再生能源與電網(wǎng)之間的相互作用，通過控制制氫系統(tǒng)，不僅可以緩解可再生能源的間歇性，還可以整合多個能源部門，更好地將可再生能源整合到電力系統(tǒng)中。

2019年，李文磊等建立了分布式能源制氫的模型，分析了有儲能和無儲能系統(tǒng)及風(fēng)速與光照強(qiáng)度變化對制氫效率的影響，有儲能系統(tǒng)的條件下，明顯提高了制氫效率，能夠平抑可再生能源造成的功率波動。依靠我國優(yōu)越的自然資源條件，加上制氫技術(shù)的不斷發(fā)展，可再生能源制氫是長期必然趨勢。

通過研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)光等可再生能源協(xié)同制氫是可行的。然而可再生能源受環(huán)境影響，導(dǎo)致輸出功率波動較大、間歇性強(qiáng)，很難大規(guī)模單獨(dú)應(yīng)用，我國水資源儲備豐富，水庫蓄水可以抑制能源波動，同時對風(fēng)光能源進(jìn)行調(diào)節(jié)。

能源互補(bǔ)協(xié)同發(fā)電，可以提高能源利用率，推動工業(yè)及生活向更加低碳清潔的方向發(fā)展。電解水制氫過程同樣可以有效地緩解可再生能源引起的功率波動，將會貫穿于氫能發(fā)展的整個過程。

可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)電解水制氫的技術(shù)將會不斷成熟，制氫成本也將逐漸下降，制氫來源傾向于電解水制氫，氫氣主要來源趨勢預(yù)測圖如圖1所示。電解水制氫將逐步滿足商業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)分布式制氫，不僅可以實(shí)現(xiàn)制氫過程集中化，供氫過程區(qū)域化，還可以設(shè)計(jì)建造小型的電解水制氫裝備，達(dá)成氫能源的智慧互聯(lián)。

圖1 氫氣主要來源趨勢預(yù)測圖

目前風(fēng)電及太陽能發(fā)電制氫產(chǎn)業(yè)起步較早，技術(shù)已達(dá)到國際一流水平，在新能源制氫產(chǎn)業(yè)能夠先行一步，成為目前發(fā)展的主流。混合可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)使得能源的利用率得以提高，產(chǎn)生的氫氣作為一種清潔的新能源在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

總體來說，國內(nèi)關(guān)于混合可再生能源制氫技術(shù)發(fā)展相對緩慢，制氫技術(shù)仍然面臨諸多問題，當(dāng)前能夠產(chǎn)業(yè)化的太陽能發(fā)電制氫、風(fēng)電制氫和生物質(zhì)氣化制氫經(jīng)濟(jì)性不甚理想，與化石能源制氫相比競爭力較差。我國可再生能源產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化需要加快研發(fā)和應(yīng)用制氫、儲氫、氫燃料電池技術(shù)。因此，可再生能源多能互補(bǔ)制氫技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。

本文摘編自2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“可再生能源多能互補(bǔ)制-儲-運(yùn)氫關(guān)鍵技術(shù)綜述”，作者為李爭、張蕊 等。