氢能分布式能源系统的发展前景浅述

当我们谈及分布式能源这个概念时大家可能会觉得有些陌生，但是如果说到工厂的动力部门和暖气，大家可能会觉得很熟悉。在中国，很早就有以分布式形式存在的能源供应，但是由于其一般供应对象和形式较为单一，且主要面向工厂及厂区住宅而不是所有人，大家可能会觉得陌生。但是近年来，随着能源技术的发展，供能形式的增多，分布式能源逐渐渗透进我们的生活。不论是在居民家中使用的燃气地暖，还是许多住宅屋顶安装的光伏发电板，都是新兴形式的分布式能源。将分布式的供能规模增大一些，面向多户家庭或者一整个社区，那么就可以建一个小型的分布式电站。电站在发电的过程中一般还会产生热量，因此这种供能又可以是热电联用的。但是目前分布式能源中，主要是利用市政管道中的天然气作为燃料来源，以火力的形式发电，并且主要目的是供热。

对分布式能源的需求已经出现

2020年底，极端寒潮席卷中国大地，全国多地采取限电措施，而各大工厂对柴油发电机的“疯抢”成为一时浪潮。虽然国家发改委点出了三大原因，即工业生产快速恢复拉动用电增长、极寒天气致用电负荷增加、外受电能力有限和机组故障增加了电力保供困难，但是更为深层次的原因在于我国供能方式较为单一，且多为集中式供能。当集中供电达到能力上限，或者出现单一发电燃料的短缺，各区域很难根据本地需求迅速响应，并通过其他燃料供应电力。集中式能源弊端的暴露，意味着我们对分布式能源的需求比我们想象的要紧迫。

分布式能源有着多种优势

在谈及分布式能源的优势之前，我们需要思考这样一个问题：什么决定了电力的根本结构? 决定电力结构的因素有许多，但是其中最为重要的是用电需求在空间与时间的不均匀分布，决定了电力系统的根本结构。对于中国来说，在较为发达的地区，会配有发电量较大的集中式电站。随着该地区的人口数量的增加，发电站的数量与规模会不断地增加。就意味着将来我们的电力需求会越来越多，电网需要覆盖的面积和规模也不断扩大。这些变化将会对能源的供应成本和质量都产生巨大的影响。简单来说，当电网规模增大到某种程度时，集中式能源供应的线路损耗、灾难容纳和需求波动等电网安全问题则日益凸显。

分布式能源的存在，刚好可以弥补集中式能源的诸多不足。首先它接近需求端，线路损耗非常小。其次，由于其装机规模一般是满足从一个家庭到一个社区或者几个社区的大小。当能源需求产生波动时，这种较小的装机容量可以快速且较好的响应这种波动。最后是出现灾难或者意外事故时，一方面分布式能源可以各自为孤岛进行供能，互不影响；另一方面单个分布式能源的波及范围较小，保证了整体电网的安全。

氢能发电系统是分布式能源的优势选项之一

燃料电池就其技术特征而言本身是一个不经过燃烧而通过电化学反应将氢能转换为电能的装置，氢电转换效率可达约60%。整个转换过程中没有运动部件，因此不会产生噪声。且其工作温度一般在80~90℃，对热管理系统要求也不会很高。如果充分利用生成热，也可满足居民日常供暖或用热水的需求。在燃料来源方面，类似于电能，氢气也是一种非天然存在的能量载体，其来源除了众所周知的电解水制氢，还可以来源于化石燃料重整制氢、工业副产氢等。即使是电解水制氢，用以电解的电能也可以是清洁的风能、光能或水能等。因此氢气来源可以摆脱对煤炭或者汽油、柴油等化石燃料的依赖，并且受地域资源禀赋的限制较小。

就目前的技术条件而言，燃料电池与电解槽就像一对孪生兄弟。既可以利用燃料电池将氢能转化为电能，又可以利用电解槽将电能转化为氢能。如果将燃料电池与电解槽组成一个系统，则可以使得该系统既可以发电，又可以储能。那么这将是一个完备的、规模可根据设计而定的发电与储能系统。

该系统既可以建立在厂区、孤岛等对电力需求较大的区域，辅以风力或者光伏发电。则可以在白天或者风力较强时，很好的将多余的电能储存起来，等到出现需求缺口的时候通过燃料电池发电来满足供电的需求。也可以建在居民社区，在夜间用电波谷的低电价时期将电网的电转化为氢气储存。在白天用电高峰时又发电来弥补需求，同时产生的热还可以为社区供暖。

另一方面，随着燃料电池汽车的发展，使得氢能作为广泛的分布式能源方式变得越来越有可能。燃料电池汽车本身就是一个完整的可以稳定且独立运行的氢能发电系统。日本也已率先提出利用燃料电池车为一所住宅提供电力的概念。一般而言，一辆全功率的燃料电池车发电功率超过100 kW，这对于满足中国大多数普通家庭的日常用电需求已经绰绰有余。又由于汽车本身的机动性，能量以氢气为载体储存在汽车的高压储气瓶里，可以使能量的利用在时间与空间上有更为自由的空间。既可以快速的响应即时的能量需求，又可以稳定的保证自身发电性能的稳定。

氢能行业的最新动态暗含氢能分布式能源系统的发展机会

根据研究机构调查，现在已经颁布国家氢能战略的国家超过9个，制定中的11个，支持示范的14个，讨论中的17个。在这些国家中，对于分布式能源目前的市场，其年负荷增长率达到了33%；而对于2030年及2050年整个市场规模的预计，在20G瓦到将近100G瓦左右，目前短期内的增长是20倍到40倍。欧洲2021年的目标，计划在2021年安装超过25000个，2040年250万个，即花20年时间，平均每年安装了达到25万套，用氢气替代天然气；2030年，建筑的天然气用量将有7%被氢气取代，分别解决250万或1100万的供热需求。氢气作为能源而非化工制品的前景已较为清晰，氢能分布式能源系统的发展机会将要到来。

2020年9月，财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委和国家能源局五部门联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，明确指出要用4年时间逐步实现燃料电池汽车关键核心技术突破，聚焦技术创新，找准应用场景，构建完整的燃料电池汽车产业链，进一步推进燃料电池汽车规模化产业化发展。目前，示范城市群结果已出，北京、上海、广州、郑州和张家口作为示范城市群的牵头城市，将引领燃料电池车产业的快速发展。

总结

纵览时代背景、政策现状、行业动态和技术特征，一方面是分布式能源，尤其是氢能分布式能源系统在全球范围内稳步发展。另一方面，国内的政策、行业、技术多方面因素在推进燃料电池车的规模化和产业化。笔者认为，在接下来的十年内，氢能分布式能源系统与燃料电池车终将发生一定程度的重叠与融合。分布式能源的形式比我们想象的要灵活，而我们对燃料电池车的认识也将不再仅仅是将其作为一种交通工具。在经历多年发展以后，我们或许会生活在由集中式和分布式的氢能与电能共同保障能源供应的世界中（如下图所示）。

补充资料

分布式能源系统是指按用户的需求就地生产并供应能量，直接面向用户，具有多种功能，可独立运行，也可并网运行，能够满足多重目标的中小型能源转换利用系统。作为新一代功能方式，主要有四个特征：（1）直接面向用户需求，布置在用户附近，减少能量输送成本。（2）相对于传统的集中式供能系统，均为中、小容量，灵活节约。（3）多功能趋势，既包含多种能源输入，又可同时满足用户的多种能量需求。（4）可供选择技术也日益增多，如与燃料电池的结合，经过系统优化和整合，实现多个功能目标。分布式能源系统的核心及重要组成部分是分布式冷热电联供系统，其种类繁多，可与风能、太阳能、生物质能相结合。按热机类型分类，主要有燃气轮机、内燃机、汽轮机、斯特林发动机，以及燃料电池等分布式冷热电联供。其中，氢氧燃料电池热电联供发电系统，如果算上产热，系统效率可以达到70~80%，且反应产物只有水，是目前最洁净的分布式能源系统之一。