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RSS2023年 第10卷 第3期
2023, 10(3): 1-10.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.001
摘要:
目的 为促进我国实现碳达峰、碳中和目标，深入推进生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，发展氢能产业有着重要意义。加速发展加氢站是实现氢能源全链条的关键，是实现氢能产业健康、迅速发展的重要保障。由于长三角地区石化和化工企业氢能消费规模大，氢燃料电池汽车等发展迅速，促进加氢站发展及网络建设是氢能推广的重中之重。 方法 通过文献研究法、个案研究法、调查研究法、经济性测算等研究方法分析长三角地区加氢站建站审批流程、政策环境等现状，识别制约长三角地区加氢站建设发展的障碍。 结果 由于氢的能源属性缺乏法律支撑，建设标准缺乏指导性，多部门协作机制不健全等因素制约了加氢站的建设，阻碍了氢能产业的发展。 结论 应健全氢能有关法律法规，明确氢能“危化品”与“能源”的边界条件，完善加氢站建设标准及审批流程，集中力量攻关核心技术，增加财政补贴扶持力度，加速推广燃料电池汽车，促进氢能产业发展。
2023, 10(3): 11-22.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.002
摘要:
目的 我国的“双碳”战略为氢能的发展确定了方向。文章以上海为例，研究区域中心城市在碳中和目标下，通过能源替代实现城市减排进程及能源消费结构预测。绿色氢能与天然气、电力等低碳能源存在相互补充的关系，测算氢能的规模对城市氢能规划有着重要的意义，并以此对氢能发展提出前瞻性的预测和顶层设计建议。 方法 通过建立城市碳中和预测模型，对城市碳排放总量模拟分析，基于碳排放现状预测至2060年碳排放总量。根据能源替代减排公式，碳减排约束条件下的能源消费模型，预测氢能、电力、天然气等能源需求。通过氢能应用场景和供应来源调研，分析城市氢能的需求结构与供应构成。 结果 研究表明：上海预计2028年碳达峰，直接排放量峰值为2.09亿t，而后进入总量减排进程；2040年减排量达到峰值直至2060年实现碳中和。绿色氢能作为零碳能源，2030年逐步进入能源消费结构，2040年氢能需求总量约为300万t，约占总能源消费的11%；到2060年氢能需求总量约为835万t，达到总能源消费的21%。 结论 可由此构建合理的氢能供应与消费结构，建设氢能高速公路，通过氢能战略顶层设计，建设完善的安全结构、金融结构、生产结构、知识结构，掌握氢能定价权的区域氢能中心。
2023, 10(3): 23-31.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.003
摘要:
目的 数据中心能源系统科学规划能够节能减碳，进而有序实现能耗“双控”和社会“双碳”。然而，现有的规划研究主要针对纯电化学储能，没有考虑氢电耦合的新型存储方式；同时，也少有研究以纯绿色供能为指导，整合源储双侧资源进行规划建模。 方法 基于绿色供用能和氢电耦合的理念，分析电、热、冷多能源流的存储、转换与平衡，从降低成本费用和减少外部能源依赖两个维度，构建出计及光伏发电、氢储能和电化学储能的数据中心能源系统优化配置模型，并辅以算例分析。 结果 算例结果表明：相较于纯电化学储能形式，基于氢电耦合的新型储能形式的规划方案具有更低的经济成本和外部能源依赖，所提模型具有良好的现实匹配度。 结论 文章研究成果可以为数据中心能源系统规划建设提供量化指导，也可助力数据中心实现节能减碳，促进其绿色可持续发展。
2023, 10(3): 32-46.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.004
摘要:
目的 实现“双碳”目标需要充分挖掘企业节能减排的路径和发挥绿色低碳政策工具的作用。绿氢作为清洁能源以其全链路零碳排放的优势成为社会低碳转型的关键，而碳排放权交易市场是利用市场化机制控制和减少碳排放的重要政策工具。建设碳交易中心氢能产业板块交易机制，实现碳交易与氢能的耦合对落实“双碳”目标具有极大的推动作用。 方法 基于此，文章将构建“绿氢市场-全国碳交易市场-电力市场”耦合机制。进一步利用系统动力学方法对“绿氢市场-全国碳交易市场-电力市场”进行建模仿真，研究多个市场的交互关系。 结果 研究发现：首先，绿氢市场、碳交易市场与电力市场之间可以通过绿氢认证和碳配额交易实现3个市场的耦合，通过模拟仿真发现耦合模型具有可行性。其次，通过基础情景模拟仿真发现多重市场耦合可以促进刺激碳价的升高，且可以控制火力发电量和绿氢生产量的上升。最后，提升绿氢认证比例、落后机组淘汰机制和碳配额拍卖机制有助于碳定价机制的形成，促进绿氢项目规模的扩大和控制火力发电量。 结论 本研究既丰富绿氢交易模型，促进绿氢通过参与碳交易获取部分收益，减缓氢能成本压力，又通过多市场联动，发挥碳价的倒逼作用，促进传统化石制氢和火力发电比例的降低。
2023, 10(3): 47-54.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.005
摘要:
目的 氨作为零碳燃料容易实现安全、低成本运输，被认为是与氢能具备相同发展潜力的理想能源。了解氨能源产业链各环节核心技术的发展现状，有助于把握氨能源产业发展前景和方向。 方法 通过调研氨能源产业链中制备、储运、利用等各关键环节涉及的核心技术与应用场景，分析产业发展面临的问题，提出相应的发展建议。 结果 传统的哈伯法合成氨技术已非常成熟，通过绿氢原料替代或者采用光催化、电催化、生物酶催化、等离子驱动等新型技术合成氨可实现氨生产的绿色转型。绿氨的储运可以依托传统的合成氨储运基础设施以及供应链，并加强氨燃料加注站等配套设施的建设。氨燃烧、氨燃料电池、氨储能等氨能利用技术需要持续研发攻关，探索开展应用示范。 结论 发展氨能源产业技术符合我国构建清洁低碳、安全高效绿色能源体系的要求，对保障我国能源安全也有积极意义。但是氨能源产业化推广仍然面临诸多挑战，需要合理规划布局，从政策、金融、创新平台、标准体系建设等多方面予以保障。
2023, 10(3): 55-62.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.006
摘要:
目的 氢能具有来源广、热值高、可储存、无污染、零碳排放等优势，已成为一种极具发展潜力的零碳清洁能源。目前，成熟的制氢技术工艺多基于规模化制氢，难以满足部分重要场合对紧凑型便携制氢设备的需求。 方法 为了满足该需求，文章首先对已有规模化制氢工艺的特点、优劣之处及发展趋势进行分析和总结，同时考虑到氨气具有容易液化储存、氢含量高，是氢气的优良载体等优势，进一步提出了采用微小型绝热火焰温度多孔介质燃烧器的氨重整制氢技术思路，并分别从技术可行性、研究方法及研究内容进行了系统分析。 结果 具体基于已有多孔介质燃烧器研究成果，分析了采用多孔介质燃烧器进行氨重整制氢的可行性，在此基础上，对多孔介质燃烧器氨重整制氢的研究方法、研究内容及技术路线进行了总结和展望。 结论 得出针对多孔介质燃烧器的整体结构、微通道、反应载体结构等的优化设计，并开发性能良好、成本低的非贵金属催化剂材料，将是未来氨重整制氢多孔介质燃烧器的主要研究方向。本研究可以为多孔介质燃烧器氨重整制氢技术的发展提供一定理论及技术支撑。
2023, 10(3): 63-73.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.007
摘要:
目的 氢能储运困难的问题限制了其大规模开发利用，亟需寻求能够实现其低成本、长距离、大规模储运的解决方案。 方法 氨和甲醇在工业领域已得到广泛应用，两者制备原料均涉及氢气且可通过裂解反应生产氢气，因此可作为氢的化学储运介质。 结果 氨和甲醇的生产和利用技术较为成熟，且绿氨和甲醇均可以通过绿氢制备获取，但国内相关落地工程项目较少，迫切需要推动技术的进一步开发和工程项目示范。 结论 随着“碳达峰、碳中和”工作的深入，氢能作为一种具有工业原料和燃料双重属性的技术将在节能减碳中起到极为重要的作用。氨和甲醇作为产业链成熟、储运方便的两种技术路线有望成为促进氢能储运的重要路径，因此开发基于绿氢的氨和甲醇技术有望促进氢能产业发展，助力我国实现“双碳”目标。
2023, 10(3): 74-88.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.008
摘要:
目的 当前，多能互补是降低可再生能源弃电现象的重要手段之一。随着电转气（Power to Gas, P2G）技术的进步，电和气的转换也成为保障综合能源系统供应的有效途径。然而，当前P2G环节中电转氢气（Power to Hydrogen, P2H）受成本的制约难以具备经济性，只有利用弃风、弃光等资源才能实现可持续发展。此外，碳捕集技术也为电转气环节提供了原料供应，从而降低了系统的购气成本。尽管对于P2G的研究很多，但是鲜有研究针对P2G整个过程不同环节的综合效益展开评价。 方法 文章试图构建一个以可再生能源发电为主，燃气发电辅助的微电网系统，针对P2G过程中P2H以及氢气甲烷化两个环节进行精细化测算。 结果 在考虑碳市场、氢市场和甲烷市场的情况下，运用综合评价方法，对比在以电力需求为主的不同场景下P2H以及电转甲烷（Power to Methane, P2M）的经济-环境-能源效益，从而为推广P2G在不同场景下的应用提供合理建议。 结论 结果表明，当可再生能源发电占比很高时，含P2H的微电网系统要比含P2M的微电网系统具有更高的能源和经济价值，尽管在环境效益方面略逊一筹但是差别不大；含P2M的微电网系统在可再生能源发电和燃气轮机发电达到最佳比例时表现最优；当可再生能源发电占比低于65%时，增设P2G的效益不佳。
2023, 10(3): 89-96.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.009
摘要:
目的 新能源的高比例接入对电力系统的安全稳定运行和电力可靠供应提出了更高的要求。氢能与电能在终端应用场景上有较好的互补特性，以新能源制氢为主体的“绿氢”将成为新型能源体系中重要组成部分，助力新型电力系统建设。目前，国内外绿氢示范项目方兴未艾，但项目模式与未来发展趋势尚不明晰。文章旨在厘清现有绿氢项目的模式，并提出破解绿氢项目规模化推广及电-氢协同效应充分发挥的瓶颈性问题。 方法 首先，系统梳理国内外现有绿氢示范项目，并针对各类项目特征进行全面剖析；在此基础之上，研判未来绿氢示范项目的发展趋势。之后，分析当前发展所面临的关键问题与挑战，并提出重点举措。 结果 研究结果表明：当前示范项目主要有配用电侧/微网侧电氢耦合项目、新能源基地规模化制氢与综合利用项目以及氢能灵活调节项目三大类，其规模化推广的关键问题在于：缺乏针对电、氢系统的协同规划与统筹、绿氢经济竞争力较低以及部分核心技术、设备、材料依赖进口。 结论 应以加强协同规划与顶层设计、研究制定配套政策体系、健全相关市场机制、加快标准制定、部署重点项目为关键着力点构建重点举措体系，推动绿氢项目推广与电-氢协同发展。
2023, 10(3): 97-103.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.010
摘要:
目的 氢能具备来源广泛、储运便利、利用高效等特征，在构建新型能源体系中发挥重要作用。文章通过系统性分析美国与欧盟的氢能产业发展战略，结合我国产业发展实际，给出我国氢能产业发展的具体政策建议。 方法 通过梳理和分析美欧两大经济体发展氢能的相关政策、战略规划和典型做法，总结其氢能产业发展的成功经验。 结论 基于我国氢能产业发展现状，围绕当前我国氢能产业发展存在的问题与挑战，针对性提出加强顶层设计，进一步完善氢能产业发展政策体系；强化科技创新引领，重视氢能关键环节核心技术创新突破；拓展氢能多元化应用，打造协同大生态；重视国际合作，积极参与国际规则和标准制定等多项政策建议。 结论 文章提及的相关政策建议可为相关部门和行业人员提供一定的参考，以期进一步提升我国氢能产业发展质量和速度。
2023, 10(3): 104-111.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.011
摘要:
目的 提出了一种光伏耦合电解水制氢系统建模的方式，特别是单独搭建了电解槽模块，目的是为了解决电解槽仿真模块与其他系统仿真模块模拟信号不统一和无法联动的问题。电解槽是光伏耦合电解水制氢系统中的关键设备，以往对于电解槽的模型仿真多是基于电化学理论基础，利用信号模型方式建立，这使电解槽与其他电力组件连接时产生了信号传递方式不统一、建模复杂等问题。 方法 为了解决这一问题，提出了利用等效电阻模拟电解槽电气外特性的方法。通过对已知电解槽的工作特性曲线拟合，得到了电解槽工作电流与阻抗的关系式。电解槽等效电阻的信息继承自拟合曲线，并作为负载接入到系统当中。当系统电源产生波动时，电解槽仿真模块可根据系统工况调节负载大小，做到与系统电源联动。 结果 仿真结果表明：所搭建的光伏耦合电解水制氢系统可以根据输入光照信息，准确预测产氢量，并可随光伏电源波动调整负载大小，拟合结果残差值≤±0.2。 结论 此方法简化了光伏耦合电解水制氢仿真系统，统一了仿真信号，并且形成了模块化的仿真组件，方便系统的扩展。仿真输出结果符合电解槽运行实际，达到了预期目标，证明了本仿真方法的可行性。
2023, 10(3): 112-119.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.012
摘要:
目的 随着风光耦合制氢项目规模的增大和数量的增多，为了满足可再生能源制氢系统设计、主设备选型和经济方案比选需要，文章结合多个风光氢储一体化项目设计经验，提炼出风光耦合制氢系统典型设计方案，给出设计选型的依据。 方法 文章从风光氢储装机容量配置方案、电解制氢设备性能、整流电源选型、氢氧分离和纯化设计，以及经济性和绿氢市场等方面介绍风光耦合制氢设计方案。 结果 装机容量配置可通过约束条件采用开发的设计软件匹配优化；制氢设备选型现阶段仍以碱性电解装备为主，质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）电解装备可做小规模工程示范；晶闸管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）整流电源各有优点，IGBT整流逐渐有工程应用；氢氧分离和纯化可根据项目规模特点作相应配置优化，节约投资；风光制绿氢市场规模巨大，随着化石能源价格高企和风光制氢系统造价降低，加之产品的绿色属性，绿氢已初具经济性。 结论 风光耦合制氢项目仍处于起步示范阶段，需要装备技术进步、设计方案优化和一定的政府政策支持，共同促进绿氢产业发展。
2023, 10(3): 120-127.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.013
摘要:
目的 为了改善传统比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制器对电解水制氢温度控制中过度依赖被控对象数学模型的问题，对模糊内模控制在电解水制氢温度控制中的应用进行了研究，并给出了模糊内模控制器的设计过程。 方法 首先分析了温度在电解水制氢过程中的重要性，列举了部分电解水制氢中常用的温度控制策略及优缺点；随后介绍了内模控制理论和模糊理论，并结合两种理论给出了模糊内模温度控制器的设计方法，用于实现电解水制氢温度的精确控制；最后进行了仿真验证实验。 结果 结果表明：采用的模糊内模控制方法相较于PID控制方法，在响应速度、抗干扰性和鲁棒性都有更好的控制品质，解决了传统PID控制器算法过度依赖被控对象数学模型的问题。 结论 文章所采用的控制算法正确并有效，可实际应用到电解水制氢的温度控制中。
2023, 10(3): 128-134.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.014
摘要:
目的 为了进一步提升水中装备的续航作战能力，高比能量电能源系统是解决问题的关键，通过对比不同燃料种类对系统比能量的影响，探究燃料电池在水下应用的可行性。 方法 通过对目前广泛研究的质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的特点进行对比分析，依据指标要求对比不同储氢和储氧的方式，确定燃料系统阴极侧采用液氧方式供给可以满足设计要求，不同燃料电池类型其阳极侧可采用的供给方式不同，液氢、有机液体、甲醇重整、直接甲醇和直接丙烷具有应用潜力。 结果 结合不同燃料电池的特点，分析尾气处理装置参数，综合比较水下应用燃料电池能源系统的可行方案，以液氧、液化丙烷或有机液体为燃料的固体氧化物燃料电池能源系统和以液氧、有机液体为燃料的质子交换膜燃料电池可以满足设计需求。 结论 燃料电池能源系统可以显著提升能源系统的比能量，燃料的供给形式是影响电能源系统比能量的主要因素。
2023, 10(3): 135-142.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.015
摘要:
目的 随着“双碳”目标的进展，利用光伏和风电制取绿氢成为一个热门和前沿的方向。氢气利用产业中的燃气轮机掺氢燃烧，是氢转化成电能的最后一个环节。而调压站介于管网和燃气轮机前置模块之间，主要功能是将燃气轮机燃料调整到满足燃气轮机所要求的温度和压力。随着燃气轮机采用天然气掺烧氢气作为燃料，有必要研究调压站在新的边界条件的系统配置，为后续燃气轮机掺氢燃烧提供工程用可实施解决方案。 方法 通过GT Pro软件的模拟计算，给出F级燃气轮机在燃用掺氢天然气条件下燃料需求量，结合F级燃气轮机前置模块对燃料的压力和温度的要求，给出混合器的推荐位置，混合后管道的材质选择和流速选择，及相关阀门选型时需关注的问题。 结果 文章给出了燃气轮机掺氢燃烧时，调压站的混合器设计位置、管道材质选择、管径选择和阀门选型相关注意事项。 结论 在使用掺氢天然气作为燃气轮机的燃料时，受氢气物理特性与天然气中主要成分甲烷的物理特性存在很大差别，需要在腐蚀、防爆等因素上给予特别考虑，在调压站系统中的调节阀前设置混合器，有助于为燃气轮机前置系统提供符合压力和温度要求的燃料，而混合器后的管道、阀门在尺寸上根据混合气体的物理特性，选择相应的尺寸及材质。
2023, 10(3): 143-149.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.016
摘要:
目的 随着“双碳”进程的推进，煤化工行业的减碳降排势在必行。煤化工过程用氢量大，且目前多以化石燃料转化的灰氢为主，造成了余碳排放。如果将零碳的绿电绿氢与煤化工耦合建设，既有利于煤化工行业节能减排，同时也能为绿电与绿氢的发展提供巨大应用场景。 方法 在此背景下，以典型煤化工工艺煤制乙二醇为例，详细阐述了绿电与绿氢耦合煤制乙二醇的系统建设方案。 结果 分析表明绿氢的引入提高了煤制乙二醇的碳利用率，从传统工艺的21.1%提高到40.5%，而生产每吨成品乙二醇的碳排放强度从2.58 t CO2降到了0.93 t CO2。同时通过一体化建设可以降低二次系统建设、运维成本。 结论 绿电绿氢与煤化工耦合建设具有技术可行性，发展前景广阔，但还面临着诸多挑战。
2023, 10(3): 150-156.
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.017
摘要:
目的 加氢站是氢燃料电池车推广应用的关键基础设施。70 MPa加氢可以显著提升氢燃料电池车的续航能力和经济性。为准确分析70 MPa加氢站的能耗，降低运营成本。 方法 建立了70 MPa加氢站加氢过程动态热力学模型，基于SAE J2601加注协议研究了单次加氢过程中压力和温度的动态变化规律，分析了单次加氢的能耗组成和多次加氢的能耗变化。 结果 结果表明：单次加氢过程中165 s加满车载储氢瓶，295 s完成高压储氢瓶补氢，5 min内完成一次加氢循环。加氢能耗由压缩机、冷水机组和冷冻机组能耗组成，其中压缩机能耗超过64%，冷水机组能耗约为压缩机能耗三分之一。随着加氢次数增多，单次加氢能耗升高，第一次和第二十次加氢的比能耗分别为0.98 kWh/kg和1.24 kWh/kg。 结论 缩短单次加氢时间可以从提升压缩机流量入手。降低压缩机能耗是加氢过程节能的关键环节。三级高压储氢瓶的压力配置影响加氢能耗中的多个环节，如何对三级压力进行合理配置，值得进一步研究。
