氢储能系统未来可满足清洁能源可持续供给的需求

本文介绍了利用利用大规模被弃掉的新能源来制氢，通过实验验证氢储能系统运行稳定，验证了氢气储能系统可以在0～100%额定功率范围内自适应风电功率的随机、间歇和波动等特性。

前提一

目前新能源电能存在随机性、波动性和间歇性等问题，严重威胁着电网的安全稳定运行，发展过程中也遇到了并网消纳的瓶颈，并且解决这个问题的大规模储能手段还存在成本、安全性和可靠性等的挑战。在当前技术条件下，这些特性给行业造成了很大的困扰。用数据来说，2017年前全国风电装机容量达1.64亿kW，光伏装机容量达1.3亿kW，而弃电量达到了近500亿kW·h，浪费非常严重。

前提二

因煤炭等化石资源储量丰富，以化石能源消耗为主的能源及能源产品占据了主导地位，且预计较长时间内难以完全摆脱对化石能源及其附属产品的依赖。

创新思路

针对以上问题，大连理工大学教授、博导，中国电机工程学会电力电容器专委会委员袁铁江团队提出了一个创新的思路——利用大规模被弃掉的新能源来制氢，以氢作为桥梁，构建高效、可靠和清洁的风—煤能源系统，来满足我国对能源清洁可持续供给的重大战略需求。

创新思路的基本框架

看图说话，新能源的一部分用来电解制氢，制氢可以通过两个路径：一是利用燃料电池发电，以电能的形式进行消纳;二是把它交给化工产业，通过解决氢的问题来减少污染和降低能耗。该风-煤能源系统中间的制氢环节是个电化学的过程，如果分成不同系统的话，会发现制氢、储氢及后段的用氢各系统对能量流的具体形态以及速度等这些性质需求各异，因此不同能源系统工作特性协调和耦合机制是创新策略需要解决的关键问题。

比如在制氢的环节中，需要高适应性、大容量和高效的电解水设备。电解水设备对风机的不稳定性功率输出具有很强的适应性，可以用于解决风电过剩问题。在储氢环节，由于氢的密度较低，若想在有限的体积中储存更多能量，那么会牵扯大量的能量损耗。因此需要解决的关键技术就是低损耗、高密度和易释放的储氢技术。在输氢环节，需要解决的关键问题是低成本、长距离和高效的输氢技术。在用氢过程中，需要解决的关键问题是多形态、高效可靠的用氢技术。

针对前面提到的创新策略，目前有啥进展？

1 针对整个系统架构的设计，研制了“风/光—氢(储能)—煤多能耦合系统规划软件平台”，此平台具备了基础数据库录入与管理模块功能，同时兼备系统部分关键设备参数的选型、经济效益评估以及生产线模拟等功能。但是这里存在一个技术难点就是环节多，耦合能流形态和特性差别较大，使用设计函数建模非常困难。所以针对此点的创新策略就是各环节能流基于能量进行归一化，然后建立系统等效设计函数。

2 针对一次系统构建风/光—氢(储能)—煤多能耦合一次系统EMR模型，它的技术难点在于多物理量、高阶、强非线性系统和数学建模难，所以针对此点采取的创新策略是利用EMR模型，模块化、图形化建模，忽略掉一个系统到另一系统间过渡的能流变化，简化了建模过程。

一次系统建模建模效果图

由图可知：在电解槽压力和温度等环境参数保持恒定的情况下，电解槽制氢的速率与输入电解槽的富裕风电变化速率的变化趋势相同，这与实际的电解槽制氢速率受电解槽输入功率控制的结论是一致的，验证了所提出的氢储能系统电解槽模型的正确性，也进一步验证了氢气储能系统可以在0～100%额定功率范围内自适应风电功率的随机、间歇和波动等特性，并在一定意义上表明了此次提出创新策略的基本思路是合理的。

3 在系统控制层面，提出氢储能系统荷电状态表征方法。系统储能介质为氢气，以气体的形式进行存储，和传统电池的存储状态不一样，因为影响状态表征因素也很多，比如温度、压力等，所以这是一个技术难点。所以针对此点我们的创新策略就是利用氢储能系统的压力，考虑到外界的因素来等效表征整个系统SOC的状态。

接着看图：针对此系统进行仿真运行，风电场出力及负荷的变化曲线。

由此可以证明：利用这个创新策略可使ESOC变化正常，氢储能系统运行稳定，系统控制策略效果理想，因此实现了风能的高效利用。