电解槽

随着国家“双碳”目标的推进，电解水制氢将迎来爆发式增长，其中电源的拓扑及控制对提升制氢系统效率具有重要意义。对DC/DC隔离型制氢电源的拓扑进行梳理及分析，针对不同的应用场景，分别从单级型、两级型、并联型和多端口型DC/DC隔离型制氢电源的结构及其优缺点进行分析，结果表明，全桥谐振变换器及考虑电解槽温度、压力及氢/氧交叉渗透反馈的控制方案，将成为适应宽范围、强波动的大功率规模化制氢电源发展趋势，且隔离型三端口DC/DC变换电源将成为分布式集成化电-氢耦合未来发展模式，为电解水制氢电源进一步研究提供参考。

储能技术与风电相结合实现电能的时空平移是解决系统运行稳定性问题的有效手段。氢储能具有储存容量大、可实现电热联产联供的优点，具有很大的发展潜能。然而由于风电存在不确定性，氢储能系统在频繁切换工作模式时面临着不确定的热能需求。因此，文中综合考虑氢储能在间歇模式下的热能需求，首先，介绍了氢储能系统接入的电-热综合能源系统基本结构，将风电场与氢储能相结合构成风-氢混合系统；然后，提出考虑风-氢混合系统热平衡需求不确定性的电-热综合能源系统鲁棒区间优化调度模型；最后，基于对偶理论，对所提出的模型转化求解，通过算例对比分析各类情况优化结果，验证了氢储能在促进风电消纳、提高系统能源综合利用率方面的有效性，并证明了考虑电解槽和燃料电池工作温度能提高系统的工作效率并提高风电场并网功率。

采用风光发电全直流离网制氢总体技术方案，将风光发电通过中压直流技术输送至化工园区。通过碱性电解槽和质子交换膜电解槽混合配置进行制氢，作为负载消纳可再生能源。通过储能、电解槽阵列优化运行策略和能量管理系统，使负荷与波动性风光出力匹配，实现整个系统稳定、经济运行。

2020年，全球约9,000万吨的氢能需求主要由化石燃料制氢满足，低碳强度氢能市场或清洁氢能市场远未达到实现2050年全球脱碳目标所需的水平。1为在2050年实现温室气体净零排放，清洁氢能市场需要在同年达到6亿吨氢当量，约目前全球氢能供应的6倍。德勤分析显示，如果条件成熟，这个目标完全可以实现。2其中最重要的条件是通过有吸引力的商业场景、清晰的工业标准和认证流程、多样化的供应链及坚定的政策支持为市场发展奠定基础，并保持长期韧性。氢能企业在市场发展的初期阶段面对多样风险，包括身处于有利政策条件地区的企业。这皆因一个直观的现实——即便我们都知晓如何生产清洁氢，但相对于其他替代性能源，它的价格还是让人望而却步。虽然生产成本应能随着氢能行业扩张而下降，但价值链上的市场参与者依然不确定从何入手产业链，拖慢了全球氢能经济的蓬勃发展。4许多潜在的氢能供应商担心需求不足，而潜在的氢能买家对具成本竞争力之供应的不确定性则表示担忧。再者，潜在投资者投资于可赋能产业及能催化氢能未来增长的基础设施也需直接面对眼前的不确定性。许多人均认为这是氢能产业的“鸡和蛋”问题：是应先有需求，供应还是赋能产业的基础设施？但这也似乎低估了我们所面临问题的复杂程度。另一种更为恰当的表达是称之为清洁氢能的“系统性先行者困局”：产业各方都担心如抢先一步，可能会就地受困；但如慢人一步，又会落后于人。德勤近期与普林斯顿大学的安德林格中心（AndlingerCenter）就此开展调研。3我们走访了氢能各价值链上的参与者，发现在氢能开发、生产和储运过程中，至少有十多个节点存在先行者困境问题。这包括，一方在投入资源之前，在观望另一方的行动，且这还不仅局限在清洁氢能供应商和承购商的这类直接的关系范畴；私人资金和政府资助应如何相辅相成为产业提供资金支持？电解槽制氢是否能在清晰供应链显现之前就开始扩大生产规模？储运设施是否能在强有力需求迹象未出现且价格持续波动的情形下先于发展？诸如此类。

利用光伏发电和风力发电电解制氢生产合成氨，以质子交换膜（PEM）为电解质，纯水为反应物，并采用零间距结构电解槽。通过合理配置储能储氢，电解制氢装置产生的氢气和深冷空分制氮装置产生的氮气混合后进入合成氨装置。经压缩机压缩、预热、氨合成反应、余热回收、冷却分离后液氨产品送至氨储存单元储存。

采用宽功率波动、快启动爬坡的固体聚合物电解质制氢技术和能瞬间反馈波动能源的电源模块，研制自洽于可再生能源宽功率范围波动特征的智能化整体控制系统，实现快速功率调节响应，解决电力波动对电解槽的冲击，实现电解系统的平稳运行。利用高密度电堆工艺设计优化制氢模块，采用变温吸附技术干燥提纯氢气，满足高质量用氢需求。

在“碳达峰”与“碳中和”背景下，为提高能源的低碳化利用，提出一种基于阶梯式碳交易机制与细化电转气和碳循环的综合能源系统（integrated energy system，IES）低碳经济运行策略。首先考虑阶梯式碳交易机制，采用碳交易市场，利用区间数与碳交易费用达到控制碳排放的目的；其次在细化电转气的基础上引入电解槽（eLectrolyzer，EL）、甲烷反应器（methane reactor，MR），并增设碳捕集装置（carbon capture system，CCS），实现碳的循环利用。最后构建以购能成本、阶梯式碳排放交易成本、弃风弃光成本、碳捕集成本最小为目标的IES优化调度模型，利用CPLEX建模优化引擎将原问题转化为混合整数线性问题对此模型进行求解，结果验证了所建模型的有效性。

储能是平抑可再生能源波动的重要手段之一。考虑内部气体跨膜传输现象，基于质子交换膜电解槽的组件结构以及电化学和热平衡原理，构建了可描述质子交换膜电解槽物质传输以及能量转换的精细化仿真模型。在此基础上，建立了包含电化学储能、氢储能的电-氢耦合系统模型。提出了一种考虑电化学储能荷电状态与氢储能氢状态的双层协调控制策略。上层功率分配考虑了系统内电负荷和氢负荷需求变化，将电化学储能荷电状态、储氢罐氢状态作为重要约束因素，确定系统各设备的工作模式。底层控制根据设备的工作特性，采用PQ控制、VQ控制等方法实现功率追踪调整。通过多种不同运行场景的算例仿真验证了所提模型与控制方法的有效性。研究成果可为风光氢储系统控制策略优化提供支撑。

电热氢系统作为一种高效的综合能源供用系统受到广泛关注。然而，氢气的燃爆特性导致了其面临着安全性挑战。为此，提出了考虑安全性风险的电热氢系统优化配置方法。首先，分析电热氢系统的安全性，对电解槽和燃料电池的工作范围和工作温度进行约束；然后，基于氢气的非理想气体压强公式对储氢罐压强进行更为准确地约束，并基于TNT当量法量化了储氢罐的安全性风险；最后，通过安全风险系数，将储氢罐的安全风险折算进目标函数中，建立了以系统投资成本、运行成本和安全性风险为优化目标的电热氢系统优化配置模型，并利用禁忌混沌量子粒子群算法进行求解。算例结果表明，在考虑安全性风险的情况下，通过合理的容量设计，可以在提高系统经济性的同时有效降低系统安全风险，进而验证了该优化设计方法的有效性。

为了提升可再生能源利用率和分布式电热氢系统的经济性和环保性，从风光发电的强波动性和多类型电解槽的差异化特征出发，建立了多类型电解槽统一模型，提出了考虑多类型电解槽差异化特征的分布式电热氢系统优化设计方法，综合利用碱性电解槽、质子交换膜电解槽以及固体氧化物电解槽在经济性、灵活性和高效性方面的差异，分别消纳不同波动特征的可再生能源。算例结果表明，该方法能够综合利用多类型电解槽的差异化特征，使多类型电解槽的运行灵活性与风光出力波动相匹配，综合提升分布式电热氢系统的经济性和环保性。