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編者按：新能源電能存在隨機性、波動性和間歇性等問題，嚴重威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，發(fā)展過程中也遇到了并網(wǎng)消納的瓶頸。利用大規(guī)模被棄掉的新能源來制氫，通過實驗驗證氫儲能系統(tǒng)運行穩(wěn)定，驗證了氫氣儲能系統(tǒng)可以在0～100%額定功率范圍內(nèi)自適應風電功率的隨機、間歇和波動等特性。

前提一

目前新能源電能存在隨機性、波動性和間歇性等問題，嚴重威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，發(fā)展過程中也遇到了并網(wǎng)消納的瓶頸，并且解決這個問題的大規(guī)模儲能手段還存在成本、安全性和可靠性等的挑戰(zhàn)。在當前技術條件下，這些特性給行業(yè)造成了很大的困擾。用數(shù)據(jù)來說，2017年前全國風電裝機容量達1.64億kW，光伏裝機容量達1.3億kW，而棄電量達到了近500億kW·h，浪費非常嚴重。

前提二

因煤炭等化石資源儲量豐富，以化石能源消耗為主的能源及能源產(chǎn)品占據(jù)了主導地位，且預計較長時間內(nèi)難以完全擺脫對化石能源及其附屬產(chǎn)品的依賴。

創(chuàng)新思路

針對以上問題，大連理工大學教授、博導，中國電機工程學會電力電容器專委會委員袁鐵江團隊提出了一個創(chuàng)新的思路——利用大規(guī)模被棄掉的新能源來制氫，以氫作為橋梁，構建高效、可靠和清潔的風—煤能源系統(tǒng)，來滿足我國對能源清潔可持續(xù)供給的重大戰(zhàn)略需求。


看圖說話，新能源的一部分用來電解制氫，制氫可以通過兩個路徑：一是利用燃料電池發(fā)電，以電能的形式進行消納;二是把它交給化工產(chǎn)業(yè)，通過解決氫的問題來減少污染和降低能耗。該風-煤能源系統(tǒng)中間的制氫環(huán)節(jié)是個電化學的過程，如果分成不同系統(tǒng)的話，會發(fā)現(xiàn)制氫、儲氫及后段的用氫各系統(tǒng)對能量流的具體形態(tài)以及速度等這些性質需求各異，因此不同能源系統(tǒng)工作特性協(xié)調和耦合機制是創(chuàng)新策略需要解決的關鍵問題。

比如在制氫的環(huán)節(jié)中，需要高適應性、大容量和高效的電解水設備。電解水設備對風機的不穩(wěn)定性功率輸出具有很強的適應性，可以用于解決風電過剩問題。在儲氫環(huán)節(jié)，由于氫的密度較低，若想在有限的體積中儲存更多能量，那么會牽扯大量的能量損耗。因此需要解決的關鍵技術就是低損耗、高密度和易釋放的儲氫技術。在輸氫環(huán)節(jié)，需要解決的關鍵問題是低成本、長距離和高效的輸氫技術。在用氫過程中，需要解決的關鍵問題是多形態(tài)、高效可靠的用氫技術。

針對前面提到的創(chuàng)新策略，目前有啥進展？

1

針對整個系統(tǒng)架構的設計，研制了“風/光—氫(儲能)—煤多能耦合系統(tǒng)規(guī)劃軟件平臺”，此平臺具備了基礎數(shù)據(jù)庫錄入與管理模塊功能，同時兼?zhèn)湎到y(tǒng)部分關鍵設備參數(shù)的選型、經(jīng)濟效益評估以及生產(chǎn)線模擬等功能。但是這里存在一個技術難點就是環(huán)節(jié)多，耦合能流形態(tài)和特性差別較大，使用設計函數(shù)建模非常困難。所以針對此點的創(chuàng)新策略就是各環(huán)節(jié)能流基于能量進行歸一化，然后建立系統(tǒng)等效設計函數(shù)。

2

針對一次系統(tǒng)構建風/光—氫(儲能)—煤多能耦合一次系統(tǒng)EMR模型，它的技術難點在于多物理量、高階、強非線性系統(tǒng)和數(shù)學建模難，所以針對此點采取的創(chuàng)新策略是利用EMR模型，模塊化、圖形化建模，忽略掉一個系統(tǒng)到另一系統(tǒng)間過渡的能流變化，簡化了建模過程。


由圖可知：在電解槽壓力和溫度等環(huán)境參數(shù)保持恒定的情況下，電解槽制氫的速率與輸入電解槽的富裕風電變化速率的變化趨勢相同，這與實際的電解槽制氫速率受電解槽輸入功率控制的結論是一致的，驗證了所提出的氫儲能系統(tǒng)電解槽模型的正確性，也進一步驗證了氫氣儲能系統(tǒng)可以在0～100%額定功率范圍內(nèi)自適應風電功率的隨機、間歇和波動等特性，并在一定意義上表明了此次提出創(chuàng)新策略的基本思路是合理的。

3

在系統(tǒng)控制層面，提出氫儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)表征方法。系統(tǒng)儲能介質為氫氣，以氣體的形式進行存儲，和傳統(tǒng)電池的存儲狀態(tài)不一樣，因為影響狀態(tài)表征因素也很多，比如溫度、壓力等，所以這是一個技術難點。所以針對此點我們的創(chuàng)新策略就是利用氫儲能系統(tǒng)的壓力，考慮到外界的因素來等效表征整個系統(tǒng)SOC的狀態(tài)。

接著看圖：針對此系統(tǒng)進行仿真運行，風電場出力及負荷的變化曲線。


由此可以證明：利用這個創(chuàng)新策略可使ESOC變化正常，氫儲能系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)控制策略效果理想，因此實現(xiàn)了風能的高效利用。

原標題：氫儲能系統(tǒng)未來可滿足清潔能源可持續(xù)供給的需求