【学术研究】电解水制氢储能技术现状与展望

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·综述·电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７）丛琳（１９８０），女，高级工程师，博士，主要从事电力系统安全管理、大规模储能、综合能源技术研究。王楠（１９７７），男，教授级高级工程师，博士，主要从事电力系统规划、大规模储能、综合能源技术研究。李志远（１９８０），男，高级工程师，博士，主要从事氢能与燃料电池、储能、综合能源技术研究。 ∗基金项目国家电网有限公司总部管理科技项目资助（５２１２０５２０００１１）电解水制氢储能技术现状与展望∗ 丛琳，王楠，李志远，李娜，周喜超（国网综合能源服务集团有限公司，北京１０００５２）摘要太阳能、风能等可再生能源的规模化开发利用推动全球范围内能源互联网的发展，储能是可再生能源高占比能源系统中的关键支撑技术之一。氢能具有能源储存时间跨度长、运输距离远、消纳利用渠道多等特点，以氢作为储能载体的电解水制氢技术可望促进大规模可再生能源的整合与消纳，是未来储能产业的重要发展方向。首先比较了包括氢储能在内的各种储能技术特点，其次重点阐述了各种电解水制氢技术的原理、特性与应用现状，概述了氢能储运与利用等产业链相关技术的发展现状。在此基础上，对电解水制氢、氢能储运及利用技术的发展趋势进行了展望。关键词储能；可再生能源；电解水；制氢；发展趋势中图分类号ＴＭ７３４文献标志码Ａ文章编号２０９５⁃８１８８（２０２１）０７⁃０００１⁃０７ＤＯＩ１０．１６６２８／ｊ．ｃｎｋｉ．２０９５⁃８１８８．２０２１．０７．００１ＣｕｒｒｅｎｔＳｔａｔｕｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｙＨｙｄｒｏｇｅｎＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＷａｔｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＣＯＮＧＬｉｎ，ＷＡＮＧＮａｎ，ＬＩＺｈｉｙｕａｎ，ＬＩＮａ，ＺＨＯＵＸｉｃｈａｏ（ＳｔａｔｅＧｒｉｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＥｎｅｒｇｙＳｅｒｖｉｃｅＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００５２，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｏｌａｒａｎｄｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｎｅｒｇｙＩｎｔｅｒｎｅｔａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈａｈｉｇｈｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ，ｌｏｎｇｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄａｂｕｎｄａｎｔｗａｙｓｏｆｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｈｙｄｒｏｇｅｎ⁃ｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｙｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｗｉｌｌｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｌａｙａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｉｎｔｈｉｓｗｏｒｋ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｕｒｒｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒｅｌａｔｅｄｈｙｄｒｏｇｅｎｓｔｏｒａｇｅ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｈｙｄｒｏｇｅｎｓｔｏｒａｇｅ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ；ｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ；ｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄ０引言以可再生能源为主要一次能源的能源互联网概念逐步兴起，代表了当前及未来世界能源的发展趋势［１⁃２］。然而，随着地理上分散、生产不连续、随机性、波动性和不可控等特点的可再生能源的占比增大，对电网的稳定性造成重要的影响，导致弃风、弃光问题，在一定程度上阻碍了能源互联网的发展［３］。利用储能技术可将波动性强的可再生能源发电以其他能源形式储存并转化为多种能源形式满足负荷侧需求，因此储能技术是实现可再生能源平滑波动、调峰调频、大规模接入电网１电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） ·综述· 的重要手段［４⁃８］，逐步成为能源互联网中的关键技术。此外，储能技术在需求侧管理、削峰填谷、辅助服务等多个场景均有广阔的应用前景［９］。本文将介绍包括氢储能在内的各种储能技术，重点分析电解水制氢技术在储能领域的应用研究进展，同时简要概括氢储运及利用等产业链相关技术的现状，指出未来的氢储能技术及相关产业的发展趋势，并结合现状和趋势提出发展建议。１各种储能技术的特点目前，国内外开展了多种储能技术的研究与探索［１０⁃２４］。按存储介质进行分类，电能的储能技术主要分为物理储能、热储能、电化学储能、电气储能以及化学储能等［２３］。在物理储能中，抽水蓄能与压缩空气储能的储能规模大、技术相对成熟，但二者占地空间大，均对选址有一定的要求。前者受水文、地质条件限制，后者则需要利用现有的矿井、洞穴。飞轮储能具有响应速度快、寿命长等特点，但是其能量密度低、自放电率高、投资成本高。储冷、储热等热储能技术由于热（冷）能不易长时间存储、不易长距离运输等限制，多用于用户侧储能，以便就近消纳。电化学储能技术是应用最为广泛的储能技术，具有容量大、成本低、模块化等特点［２５］，其中以锂离子电池为主，但是安全性、废旧电池回收利用等问题是制约其发展的重要因素。超级电容、超导等电气储能则由于技术、容量等因素的限制，占比有限。相比于以上储能技术，基于电解水制氢的氢储能技术，把电转化为氢进行能量储存，具有占地空间小（ＭＷ级制氢设备占地＜１００ｍ２）、储存能量高（可达上百ＧＷｈ）等特点。作为储能载体的氢，具有清洁低碳、存储时间长、运输距离远、消纳利用渠道多元化等优势。因此，基于电解水制氢的氢储能技术具有广阔的应用前景，受到很多专家学者的关注［１９⁃２２］。将各种储能技术的技术特点与主要应用场景进行总结［１６⁃１８］，不同储能技术的比较如表１所示。表１不同储能技术的比较储能类型效率／％容量／ＭＷ成本／（元· ｋＷｈ－１）时间尺度运行特点应用场景抽水蓄能７０～８０１００～５０００３００～５００压缩空气７０～８９５～３００２０～５０氢储能６０～９２０～５０３００００热储能０～３００小时级以上能量储存容量大可再生能源消纳、并网，削峰填谷电池储能７０～９５０～０．２５１５００～２０００（磷酸铁锂电池）分钟～小时级充放电转换频繁，效率高可再生能源消纳、并网，应急电源，调频超级电容８４～９５＜０．３＞１００００超导储能９５～９８０．１～１０６０００～６００００飞轮储能９０～９５０～０．２５２０００～５０００分钟级以下毫秒级响应速度，大功率充放电改善电能质量；微网暂态支撑注“ ”表示相应的技术数据不完善。２氢储能技术的应用现状氢储能技术是通过电解水制氢，将电能转化为氢能储存起来的储能方式，包括电解水制氢、储氢两个环节。其中电解水制氢实现电氢的转换，是氢储能的基础。氢作为储能介质，不仅可以通过燃料电池等技术实现电－氢－电的转换，还可运输至交通、化工、冶金、建筑等终端用能部门转换为其他形式的能源进而得到应用，因此氢运输及其利用技术在一定程度上也会影响基于电解水制氢的氢储能技术应用［２５］。本节重点介绍氢储能核心技术电解水制氢技术的现状，并简要介绍氢储存、运输及利用技术的现状。２．１电解水制氢技术的类型与现状以可再生能源为主的能源转型已初具规模，但是由于以风、光为主的可再生能源自身稳定性差，其大规模利用面临巨大挑战。利用可再生能源电解水制氢可将间歇性大、波动性强的电能转化为稳定的氢气化学能形式储存，被认为是储能技术发展的重要方向［２３］。２ ·综述·电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７）２．１．１技术类型目前，主流的电解槽主要有３类碱性、固体聚合物和固体氧化物电解槽［１９］。不同电解水制氢技术示意图［２６］如图１所示。图１不同电解水制氢技术示意图碱性电解水技术原理如图１（ａ），以ＫＯＨ、ＮａＯＨ水溶液为电解质，在直流电的作用下将水电解，生成氢气和氧气。碱性水电解制氢的关键设备是碱性电解槽，由镀镍的铁电极或镍系金属电极、石棉或聚酯系材料等多孔质隔膜构成。在电解槽的阳极和阴极分别发生电化学反应２ＯＨ－＝Ｈ２Ｏ＋１２Ｏ２＋２ｅ－（阳极反应）（１）２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－＝Ｈ２＋２ＯＨ－（阴极反应）（２）与碱性水电解不同，固体聚合物电解技术原理如图１（ｂ），采用致密、无孔的固体聚合物（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ，ＰＥＭ）作为电解质和阴、阳极隔膜，在电解槽的阳极和阴极分别发生电化学反应Ｈ２Ｏ＝２Ｈ＋＋１２Ｏ２＋２ｅ－（阳极反应）（３）２Ｈ＋＋２ｅ－＝Ｈ２（阴极反应）（４）固体氧化物电解水制氢的原理如图１（ｃ），高温水蒸汽进入固体氧化物电解槽后，在阴极处被分解为Ｈ＋和Ｏ２－，Ｈ＋得到电子生成Ｈ２，Ｏ２－通过传导氧离子的固体氧化物电解质到达阳极，生成Ｏ２。在电解槽的阳极和阴极分别发生电化学反应Ｏ２－＝１２Ｏ２＋２ｅ－（阳极反应）（５）Ｈ２Ｏ＋２ｅ－＝Ｈ２＋Ｏ２－（阴极反应）（６）在以上３类电解水技术中，碱性电解水技术是发展时间最长、技术最为成熟的电解水制氢技术，具有操作简单、成本低的优点，在２０世纪中期已实现工业化，运行寿命可达１５ａ。缺点是电解效率低，频繁启停或功率变化对设备寿命影响大，同时碱液存在一定的腐蚀性。此外，为防止氢气、氧气穿过多孔的石棉膜混合而引起爆炸，电解槽的阳极和阴极两侧上的压力必须均衡，因此电解槽关闭或者启动速度慢，制氢速度难以快速调节，导致碱性电解槽难以与具有快速波动特性的可再生能源直接配合使用。与采用多孔、非固体电解质隔膜的碱性水电解相比，固体聚合物电解的效率更高、工作模式更加灵活、设备结构更紧凑、耐压差强度更高，可以结合可再生能源发电，其正在迅速兴起并用于商业用途，但是电极材料通常用贵重的Ｐｔ合金，设备造价高，近年来虽投资成本已大幅下降，但仍高于碱性电解装置。固体氧化物电解装置技术有望进一步提高电解水制氢效率，但是技术成熟度较差、投资成本高，目前仅在实验室和通过小型示范规模发展。各种电解水制氢技术比较如表２所示。表２各种电解水制氢技术的比较指标电解水制氢技术碱性固体聚合物固体氧化物电流密度／（Ａ· ｃｍ－２）１～２１～１００．２～０．４工作电压／Ｖ１．８～２．４１．８～２．２０．９～１．３效率／％６０～８０６５～８５８１～９２运行温度／ ℃ ６０～８０５０～８０９００～１０００冷启动时间分钟级秒级波动适应性差较好差单机规模／（Ｎｍ３Ｈ２· ｈ－１）１０００５００投资成本／（元· Ｎｍ－３）６０００～８０００碱性的２～４倍产业化程度成熟商业化推广实验室阶段２．１．２应用现状随着可再生能源技术的大规模应用，基于电解水制氢的氢储能技术在电力行业的重要性日益凸显，在多个场景下均有广泛的应用前景［２７］。电解水制氢可以与集中式光伏／风电等电站配合使用，减弱可再生能源波动性对电网的冲击，有利于可再生能源的消纳［２８⁃３０］。氢储能与分布式发电的结合，有利于解决分布式能源接入配电网的消纳问题。文献［３１］提出了耦合分布式光伏发电与气电混合的区域多能互补配电系统，系统主要由分布式光伏发电系统、３电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） ·综述· 气电混合装置、氢储能装置、配电网、燃气网和控制系统等部分组成。此外，在偏远地区或海岛，风能、太阳能较为充足，可通过电解水制氢技术制取氢气并存储。当可再生能源发电不足时，通过氢燃料电池发电为负载供电，形成一套微电网系统，实现独立供电［３２］。在全球范围内，日本、欧洲的电解水制氢技术储备充足，装备制造能力强，成功将电解水制氢技术应用于储能发电领域，已建成或规划多个配合新能源接入的氢储能示范项目。日本新能源产业技术综合开发机构、东芝能源系统公司等单位，在福岛县浪江町建设了１０ＭＷ可再生能源制氢示范项目，于２０２０年２月底竣工并投入运行，旨在通过电解水制氢技术调整电力系统的供需平衡。此外，法国、荷兰、英国等欧洲国家也分别建设了与光伏电站、风电站等可再生能源配套的电解水制氢储能系统。与日本、法国、荷兰、英国相比，可再生能源电解水制氢技术在我国的商业化推广启动较晚，产业化进程较发达国家和地区还存在较大差距。近年来，随着可再生能源弃置问题日益严重，我国已规划／正在规划多个可再生能源电解水制氢示范项目，如沽源风电制氢综合利用示范项目等，以期推动电解水制氢储能技术在我国的工业化应用。２．２氢能储运及利用技术的现状氢能储存、运输与利用等氢能产业链的其他环节技术的发展，在一定程度上也会影响到电解水制氢的技术发展与推广应用。因此，本节将对目前的氢能储存、运输及利用技术进行简要介绍。储氢技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢以及固态储氢等类型，不同储氢技术的比较如表３所示。目前，高压气态储氢技术是最常用的储氢技术，其成本低、充放氢速度快，但其体积功率密度仅为２５ｇ／Ｌ，远低于美国能源部设定的目标体积储氢密度７０ｇ／Ｌ。低温液态储氢技术体积功率密度可达７０ｇ／Ｌ，但在液化过程中能耗过大，且对容器绝热性、抗冻性等安全性能要求苛刻，目前主要应用于航空航天、军事等特殊领域。有机液态储氢利用有机液体氢化物对氢气进行可逆存储，储氢密度较高，且可多次循环使用，但其脱氢反应条表３不同储氢技术的比较指标高压气态储氢低温液态储氢有机液态储氢固态储氢质量储氢密度／％１．０～５．７５．７～１０５．０～７．２１．０～４．５体积储氢密度／（ｇ· Ｌ－１）～２５～７０４０～５０～１７０优点技术成熟、成本低、充放氢速度快体积储氢密度高、液化氢纯度高储氢密度高、可循环多次使用体积储氢密度高、无需高压容器缺点储氢密度低液化过程能耗大成本高、操作条件苛刻成本高、吸放氢有温度要求件较为苛刻，且仍存在一些技术难题。金属固态储氢具有体积储氢密度高、安全方便等优点，但仍处于材料研发的实验室阶段。在氢气运输方面，高压气态储运是当前氢输运的主要方式，包括长管拖车和管道运输两种方式。此外，液氢槽车、液氢船运输也在大规模氢气运输中有一定的应用。目前氢能大多数用于传统工业领域，如炼油（３３％）、合成氨（２７％）、生产甲醇（１１％）等方面。在新兴领域方面，燃料电池是氢能利用的主要途径，燃料电池通过电化学反应把氢能转换为电能，具有无需燃烧、功率密度高、无运动部件、噪声低等特点，近几年来受到越来越多的关注。日本、美国、欧洲一些国家和地区已实现了燃料电池在交通、固定式发电、便携电源领域的商业化应用。特别是以氢气为燃料的固体聚合物燃料电池汽车发展较快，目前世界范围内已经具有一定的市场规模。２．３氢储能技术应用中的问题基于电解水制氢的氢储能技术，在推广应用过程中仍存在一些问题需要解决，主要表现在以下方面（１）电解水制氢的能耗高，高效的制氢技术有待开发；（２）电解水制氢的单台套规模小，大型化问题有待解决；（３）电解水制氢的电源功率波动适应能力较差，功率波动适应性有待提升；（４）氢储运的成本高，低成本、规模化的氢储运技术有待发展；（５）氢利用的新兴应用场景少，燃料电池的４ ·综述·电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７）成本高，多元化的氢利用途径有待拓展，高效、低成本的燃料电池技术有待发展。３氢储能技术的发展趋势３．１电解水制氢技术的发展趋势目前，电解水制氢技术的发展以能耗、稳定性等性能的提升为主要目标，以便提高与可再生能源的匹配性，降低氢气成本，为电解水制氢的推广应用奠定坚实的技术基础。碱性电解制氢技术采用非贵金属催化剂，电解槽以及配套设备材质要求低、制造成本低，因此已在制氢与储能领域实现了工业应用。但其电能消耗大，每标立Ｈ２能耗可达４．５～５．６ｋＷｈ［３３⁃３４］，通过催化材料的改进等方法，提升电流密度，降低制氢能耗，减小装备体积与重量，成为碱性电解制氢的主要发展方向。对于固体聚合物电解技术，其核心部件是膜电极组件，电极催化剂一般必须使用贵金属，阴极多采用高比表面积碳基体负载Ｐｔ及其合金纳米粒子作为催化剂，阳极多采用ＲｕＯ２、ＩｒＯ２及其合金作为催化剂，以提高工作电流密度。但贵金属催化剂的引入显著提高了制造成本，因此减少电极催化剂中贵金属用量、提升产氢的压力等级（高压差）等成为固体聚合物电解技术的重要发展方向。固体氧化物电解制氢由于在高温下工作，在热力学与动力学上相比于以上两种技术都有明显优势。从热力学角度，高温电解的理论分解电压低；从动力学角度，高温电解可提升电解速率，降低对贵金属催化剂的需求与电解能耗［３５］。此外，固体氧化物电解中高温操作使其具备Ｈ２Ｏ／ＣＯ２共电解能力［３６］，从而可生成不同组分的合成气，为电解储能提供新型转化途径。但相比于低温电解技术，固体氧化物电解的高温操作使系统热管理更为复杂，且核心陶瓷材料在频繁热循环下易失效，需着重解决热循环中材料组件的热匹配性与电堆结构设计问题［３７］。总体而言，提高系统长期运行的稳定性、提升单套装备的规模、降低投资成本等是固体氧化物电解制氢技术的主要发展方向。目前，电解水制得的氢气成本较高，在一定程度上阻碍了氢储能技术的发展应用。当电价为０．２元／ｋＷｈ时，电解水制氢成本约为１８元／ｋｇ（包括设备折旧、水费、人工费等），其中电价成本占比最高，甚至可达６０％以上。随着可再生能源发电成本下降至０．１元／ｋＷｈ时，制氢成本有望降至约１０元／ｋｇ的水平（对应煤制氢的煤炭价格约为７００元／ｔ），与当前煤制氢价格相当，具备大规模推广应用的条件。综上所述，发展电解水制氢技术，重点在于突破材料性能、设备结构、系统集成等技术，解决宽功率波动适应性、低成本、大型化等难题，从而实现电氢两种能量载体之间的高效转化。３．２氢能储运及利用技术的发展趋势在储氢方面，技术成熟度高、成本低的高压气态储氢在短期内仍将是主流方式，提升压力等级、提高储氢体积功率密度、保证可靠性和安全性是其发展趋势。随着电制氢技术的发展以及产业规模的扩大，适用于大规模储氢的低温液态储氢技术日益受到重视，降低氢液化的能耗、提升储存容器的绝热性等方面是技术发展的方向。固态储氢材料研发是未来储氢技术发展的重点，开发轻质、高效的储氢材料是实现高密度、高安全固态储氢的前提条件。此外，低温高压储氢等新型储氢方式也在受到关注。在运输方面，氢气长管拖车仍是短期内的主要方式，液氢槽车是未来大规模、长距离氢气运输的重要途径，氢气掺入天然气管道等方式，充分利用现有基础设施，也是实现氢规模化运输的途径之一。整体而言，随着可再生能源电解水制氢规模的日益壮大，亟需提升储氢密度、降低氢储运成本，规模化、低成本、高效、安全是氢储运技术的发展目标。在氢能的利用方面，除了作为原料气体在传统化工领域的应用外，氢作为清洁、高效的二次能源，在能源、交通、工业、建筑等领域均有广泛应用前景［２２］。氢气可通过燃料电池或燃气轮机技术应用于分布式发电领域，如离网供电以及热电联供等场合；同时氢燃料电池在续航里程长的交通应用领域优势明显，如长途火车、客运车等。其中，燃料电池技术是未来氢能利用中的核心技术，低温固态聚合物燃料电池在交通、家用热电联供领域已实现初步商业化，在未来有望具备更大的市场规模，目前仍需继续突破减少贵金属使用量、提高使用寿命等技术问题；高温固体氧化物燃料５电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） ·综述· 电池在固定式发电、分布式供能系统领域应用前景广阔，需重点突破电极材料催化性能、电堆集成与延寿策略、系统设计及匹配优化等技术问题。此外，降低燃料电池制造成本、增加基础设施投入（如加氢站等）成为燃料电池技术推广和发展的关注热点。近几年，氢在冶金、建筑等行业应用技术的关注度逐步提升。总的来说，燃料电池等新兴氢能利用技术的发展可望拓宽氢能的应用领域，进一步促进上游电解水制氢产业的发展。综上所述，高效率、低成本的氢储运、利用技术，有助于带动产业链上游电解水制氢技术的研发与推广应用，从而推动可再生能源制氢在储能领域发挥重要的积极作用。４氢储能技术及其应用路线总结氢储能技术涉及电解水制氢与储存两个环节，氢运输与利用也会影响氢储能技术的发展。基于不同电解水技术与应用场景，氢储能技术及其应用路线如图２所示。目前主流的氢储能及其应用路线是通过不同的电解水技术制取氢气，氢作为储能载体通过燃料电池等装置进行发电、供热／冷，或者送至加氢站／并入气网，抑或用于直接还原、化工合成等工业领域。图２氢储能技术及其应用路线在电解水制氢方面，低温碱性电解与固态聚合物电解技术发展较为成熟，实现或接近商业化推广，固体氧化物电解仍处于实验室发展阶段，开发新型材料、优化系统集成等方面是降低电解能耗、提升稳定性以及实现大型化的重要途径。在储存和运输方面，高压气态、低温液态技术已得到应用，有机液态、固态金属技术距商业化推广存在一定的距离。在终端利用方面，氢气可用于燃料电池或燃机进行发电或供热，也可送至加氢站提供交通燃料，此技术路线为日本、美国主要发展的技术路线。受限于氢气储运的安全性与经济性问题，利用氢合成甲烷等产品，基于天然气管网或化工产品运输网络实现能源的广义运输与存储，该技术路线受到了以德国为首的欧洲国家的大力推广［３８］。总体来说，氢储能技术利用可再生能源电解水制取氢气，相较于输出单一能源形式的储能方式，在终端可以输出电能、热能、冷能、化学能等多种形式的能源，具有能量转化、消纳利用渠道多样化的优势，有利于促进大规模可再生能源的消纳，并实现电网－气网－热网等能源网络的交互连接。５结语对于可再生能源而言，存储时间长、运输距离远、消纳利用渠道多的氢气是一种极好的能量存储介质。可再生能源电解水制氢技术可实现电能向氢气化学能的转换，发挥氢作为储能介质的优势，是未来储能领域中的重要发展方向。从产业链上下游协同发展的角度看，氢储能技术的发展还需突破氢能的运输、综合高效利用等产业链其他环节技术，实现能源网络化大规模存储，促进高效率、低成本的储能技术规模化应用，为构建配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源互联网提供技术支撑。【参考文献】［１］刘振亚．全球能源互联网［Ｍ］．北京中国电力出版社，２０１４．［２］刘振亚．全球能源互联网跨国跨洲互联研究及展望［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１６，３６（１９）５１０３⁃５１１０．［３］李建林，孟高军，葛乐，等．全球能源互联网中的储６ 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ＬＡＢＥＡ，ｅｔａｌ．ＥｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｆｏｒｍｉｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｓｏｕｒｃｅｓＡｎｕｐｄａｔｅｄｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２０１０，１４（４）３０２⁃３１４．［１８］ＣＨＯＵＤＨＵＲＹＡ，ＣＨＡＮＤＲＡＨ，ＡＲＯＲＡＡ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｏｌｉｄｏｘｉｄｅｆｕｅｌｃｅｌｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ－Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｖｉｅｗｓ，２０１３，２０４３０⁃４４２．［１９］许世森，张瑞云，程健，等．电解制氢与高温燃料电池在电力行业的应用与发展［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１９，３９（９）２５３１⁃２５３７．［２０］蒋东方，贾跃龙，鲁强，等．氢能在综合能源系统中的应用前景［Ｊ］．中国电力，２０２０，５３（５）１３５⁃１４２．［２１］ＭＡＲＯＣＣＯＰ，ＦＥＲＲＥＲＯＤ，ＧＡＮＤＩＧＬＩＯＭ，ｅｔａｌ．Ａｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏ⁃ｅｃｏｎｏｍｉｃｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆＨ２－ｂａｓｅｄｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｉｎｒｅｍｏｔｅａｒｅａｓ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０２０，２１１１１２７６８．［２２］刘金朋，侯焘．氢储能技术及其电力行业应用研究综述及展望［Ｊ］．电力与能源，２０２０，４１（２）２３０⁃２３３．［２３］饶宇飞，司学振，谷青发，等．储能技术发展趋势及技术现状分析［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０２０（１０）７⁃１５．［２４］邵云峰，刘永强，马中静，等．基于蓄电池储能系统的电网合环技术研究［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０２０（１０）２７⁃３５．［２５］杨昌海，万志，刘正英，等．氢综合利用经济性分析［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０１９（２１）８３⁃８８．［２６］ＫＵＭＡＲＳＳ，ＨＩＭＡＢＩＮＤＵＶ．ＨｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙＰＥＭｗａｔｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ－Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅｆｏｒＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２０１９，２４４２⁃４５４．［２７］ＧＡＨＬＥＩＴＮＥＲＧ．ＨｙｄｒｏｇｅｎｆｒｏｍｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＡｎｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｒｅｖｉｅｗｏｆｐｏｗｅｒ⁃ｔｏ⁃ｇａｓｐｉｌｏｔｐｌａｎｔｓｆｏｒｓｔａｔｉｏｎａｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙ，２０１３，３８（５）２０３９⁃２０６１．［２８］赵波，赵鹏程，胡娟，等．用于波动性新能源大规模接入的氢储能技术研究综述［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０１８（１６）１⁃７．［２９］陈军，李思儒，彭生江，等．光伏分散入网条件下复合储能经济性分析［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０１９（２４）５８⁃６３．［３０］黄涛，许志鹏，葛乐．考虑风电出力随机特性的氢储能综合能源系统优化调度［Ｊ］．电器与能效管理技术，２０２０（５）７２⁃７７．（下转第２８页）７电器与能效管理技术（２０２１Ｎｏ．７） 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􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 􀤕 （上接第７页）［３１］马溪原，郭晓斌，雷金勇．面向多能互补的分布式光伏与气电混合容量规划方法［Ｊ］．电力系统自动化，２０１７，４１（２）２３０⁃２３３．［３２］ＭＡＫＯＴＯＨ，ＹＵＳＵＫＥＩ，ＨＯＮＡＭＩＫ，ｅｔａｌ．Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｐｐｒｏａｃｈｔｏｅｖａｌｕａｔｉｎｇｓａｆｅｔｙｄｉｓｔａｎｃｅｓｆ