新型电力系统背景下的电制氢技术分析与展望

作为一种与电能互补的二次能源载体,氢能有望在未来低碳能源系统中发挥关键作用。为探究新型电力系统背景下的氢经济,文中聚焦耦合电力与其他能源领域的关键环节——电制氢技术,对其进行技术经济分析与应用前景展望。首先,从技术发展水平、能源系统中的应用两个角度综述国内外电制氢技术研究现状;然后,建立电制氢经济模型,基于新型电力系统技术特征开展新型电力系统背景下的电制氢技术经济分析;最后,从各地氢能发展政策、终端氢需求潜力及对新型电力系统的支撑作用3个方面对电制氢技术进行应用前景展望。     

电氢耦合系统定碳排运行域分析方法

精准刻画电氢耦合系统的低碳运行空间，有助于量化并充分挖掘氢能系统灵活运行特性对提高新能源消纳、电力系统安全经济运行水平的积极作用。针对目前缺少基于“域”的碳分析方法等问题，提出电氢耦合系统定碳排运行域(CCEOR-EHS)的概念。探索电氢耦合系统的运行机制，提出CCEOR-EHS建模方法；剖析CCEOR-EHS几何特征，构建电氢耦合系统的低碳评估指标体系，全面评估CCEOR-EHS形状特征与低碳运行水平间的关联关系；提出基于逐点仿真法的CCEOR-EHS边界高效求解方法，可视化电氢耦合系统低碳运行空间。采用IEEE标准系统进行仿真分析，验证所提方法的有效性。结果表明CCEOR-EHS可有效反映系统的低碳运行水平、电氢耦合运行关系等，并能为电力系统的低碳运行提供科学的理论支撑与决策依据。     

新型电力系统下吉林省电-氢协同发展分析及构想

针对吉林省新能源发展潜力巨大，但目前整体开发程度偏低，新能源开发与利用矛盾突出，在构建新型电力系统中存在较多问题。通过对吉林省新能源及氢能开发现状的分析，论证全省新能源发展面临的主要问题为新能源消纳能力不足、开发力度不强，新能源资源与调峰资源匹配度不高。研究氢能多样化应用对促进全省电-氢协同发展的构想，并结合氢能发展存在的主要困难，提出推动电-氢协同发展的构想。     

考虑氢能绿证的电-氢综合能源系统机会约束优化调度

随着“双碳”目标的提出，氢能产业迎来重要的发展阶段，氢能生产、运输、存储的关键技术不断突破，电力网络和输氢网络之间有望呈现深度耦合。基于输氢网络的详细模型，提出了一种电力系统和输氢系统联合优化调度模型。考虑电制氢的绿证效益，构建计及绿证交易的电-氢综合能源系统日前调度模型；在确定性模型的基础上，采用机会约束处理风电波动带来的不确定性，构建电-氢综合能源系统的机会约束优化调度模型；通过算例测试验证所提模型的有效性，研究绿证价格和机会约束对调度结果的影响，并分析电制氢机组参与平抑波动的情况。     

考虑子系统特性的分布式电氢耦合系统多时间尺度优化

为了促进新能源的消纳，研究分布式电氢耦合系统的多时间尺度运行优化非常有必要。首先，从不确定性与响应特性2个维度分析了电能、氢能、热能系统的特性；然后构建了日前-日内-实时的多时间尺度运行优化模型；接着采用深度强化学习对优化模型进行求解；最后，以某一区域的分布式电氢耦合系统为例进行算例分析，算例结果不仅验证了深度强化学习的有效性，同时验证了电氢耦合系统在新能源消纳方面的效果。     

大规模电氢耦合系统:中欧大型能源企业的技术视角分析与展望EI北大核心CSCD

可再生氢作为一种低碳清洁的二次能源,在实现碳达峰、碳中和的能源转型进程中扮演重要角色。在回顾总结中欧可再生氢能行业发展近期政策导向的基础上,剖析中欧大型能源企业的氢能战略和技术布局异同,以及现阶段欧盟在电氢耦合领域的研究热点,为我国科学合理地构建大规模电氢耦合系统,稳步形成可再生氢能的高效多元应用生态提供科技创新思路。     

面向新能源规模化消纳的绿氢化工技术研究现状与关键支撑技术展望EI北大核心CSCD

可再生能源电解水制取“绿氢”并进一步合成氨、醇等化工产品,是促进新能源消纳,实现电力、化工行业深度脱碳的重要技术方向。绿氢化工技术涉及电力、化工等多学科深度交叉,但当前绿氢相关研究综述以制氢技术自身为主,尚缺乏绿氢规模化利用、绿氢与下游化工产业耦合接入电力系统等方面的梳理。为填补上述空缺,支撑绿氢化工技术发展,推动可再生能源消纳及绿氢规模化利用,首先概述绿氢化工系统各工段原理及技术特性;然后分别从绿氢化工系统自身及接入电力系统的视角梳理研究现状,分析现有研究不足;最后,展望支撑绿氢化工发展的制氢系统规模化设计与灵活调控、柔性化工合成仿真模拟、面向电力平衡调控的多工段协调控制技术,提出接入电力系统及运行的支撑系统开发需求。     

绿色氢能与绿色电力的有机互联

在"双碳"目标下,氢能正逐步成为能源转型和构建以新能源为主体的新型电力系统过程中的必不可少的一环。化电为氢,一方面为风光等可再生能源提供了大规模的转换、储存和利用渠道;另一方面将加快推动工业和交通等部门的脱碳进程。目前,氢能产业链在全球范围内备受瞩目,但仍处于早期发展阶段,相关技术的发展、应用和商业应用模式都存在很大的不确定性。如何有效利用电氢耦合所带来的各种优势和机遇,使其同时为氢能的高速发展和电力系统的稳步转型提供负担得起的、可靠的和可持续的注入将成为重要的研究课题和任务。     

面向高比例新能源接入的电氢耦合系统设想及分析

高比例新能源接入电力系统,其高随机性与波动性将造成系统“源-荷”结构失衡,且高比例电力电子化将导致传统电力系统以同步发电机和机电动态特性为基础的技术特性发生深刻变化。为此,提出了一种采用“送端绿电离网外送-受端离网制氢-氢燃气并网发电”模式的电氢耦合系统,即在送端将新能源电力汇集接入至与交流电网无电气联系的直流输电网络中,在受端满足电解水制氢直流负荷并通过氢燃气发电方式支撑交流电网,从而将大量新能源消纳和新增“西电东送”需求与送端/受端交流电网解耦。所提电氢耦合系统不仅能改善系统电力电量平衡,促进高比例新能源消纳,还能够保障电力系统的安全可靠运行,可为我国高比例新能源电力系统的演进方向提供参考。     

电力系统氢储能关键应用技术现状、挑战及展望EI北大核心CSCD

深入挖掘氢储能在电力系统中的应用潜力,进而推进其在电力系统中的规模化应用是电力行业能源结构转型与深度脱碳的重要技术路径之一。为加速构建新型电力系统,该文首先归纳分析构建氢储能与电力系统耦合结构,并从电解水制氢、氢气储输、氢气发电和电解槽/燃料电池模型构建4个方面阐述氢储能关键技术发展现状;其次,以氢储能在电力系统“源–网–荷”各环节应用场景为主线,梳理回顾目前国内外电–氢耦合技术取得的进展;最后,对氢储能支撑新型电力系统构建中存在的技术挑战与未来重点技术发展方向展开探讨,旨在为电力系统中氢储能应用技术的研究提供借鉴与参考。     

碳中和背景下西部新能源传输的电氢综合能源网构想

在碳中和背景下,未来40年中国电力系统将发生更深度的低碳转型,如何构筑足以支撑高电气化社会庞大用能需求的低碳化运行模式给传统电力系统带来了巨大挑战.文中在探讨发电低碳化给电网带来的挑战和未来可能的技术应对方案的基础上,针对未来中国西部高比例新能源电源的大范围汇集、远距离送出和间歇性电能消纳问题,给出了与之相适应的电氢综合能源网的构建原则,提出了近期和远期西部电氢综合能源网初步方案及相应的关键技术需求.研究表明:基于电压源换流器的直流电网技术以及氢能与电力系统结合的电氢综合能源网有望成为中国碳中和目标下实现西部大规模新能源开发的可行技术解决方案之一.     

掺氢天然气管道气-电耦合系统风险模型研究

针对掺氢天然气管网与电网耦合过程中电-氢-电复杂能量转换风险量化问题,提出一种面向掺氢天然气管网气-电耦合风险评估方法,构建掺氢天然气管道三阶段风险评估模型,评估不同时期管道的风险;并提出计及气电耦合的物质—能量的风险传递模型,用于刻画掺氢天然气管道风险在气-电网之间传递的过程;通过构建不同掺氢比天然气管网气-电耦合风险运行算例验证了模型的有效性,为该系统接入电网提供了安全理论支持,为氢能高效利用提供了新的思路与保障。     

氢电耦合系统安全风险研究

氢电耦合系统是新型电力系统不可或缺的重要组成部分，安全性是其规模化应用的前提。以氢电耦合系统为研究对象，对其关键涉氢装备发生的事故进行了汇总与研究，进而应用故障树对氢气泄漏引起的燃烧与爆炸事故开展了氢电耦合系统安全风险评价。研究表明，储氢与压缩设备是易发生安全事故的关键涉氢装备，设计缺陷、密封问题与操作失误是氢安全事故的重要诱因。通过故障树分析可知，存在5种有效避免氢电耦合系统发生氢气泄漏导致火灾或爆炸事故发生的途径。研究获得的氢电耦合系统危险源及基本事件的重要程度可为安全防护措施的制定奠定基础。     

“新型储能安全技术”专栏特约主编寄语

<正>新型储能是支撑新型电力系统建设的重要技术和基础装备，对推动能源绿色转型与高质量发展具有重要意义。目前，以电化学储能和氢能为代表的新型储能呈现爆发式增长，储能安全运行压力和安全隐患明显增加。一方面，应该重视关于电制氢、氢发电等新型设备的极端工况、衰减特性、组件与材料的失效模式，以及受限空间内氢气的泄漏扩散、燃爆风险及监测保护技术等氢电耦合全环节安全管控技术的研究。另一方面，储能电池在过充、高温及外短路等滥用工况下工作会导致火灾等事故的发生，本质安全提升的新型电池储能技术、电池模组温度控制技术、阻燃及消防技术等也是当前的研究热点。     

基于交替方向乘子法的电-气互联系统分布式协同规划

逐渐增多的燃气机组和日益发展的电转气技术使得电力、天然气系统的耦合愈加紧密,因而对电力、天然气系统的规划也需要考虑两个系统的耦合作用。目前中国的电力系统、天然气系统分属不同的投资决策主体,两个系统通常只进行部分信息交互。针对这一特点,基于交替方向乘子法构建了电-气互联系统的分布式协同规划算法。首先考虑电力系统和天然气系统的相关运行约束,建立了以燃气机组、电转气为耦合元素的电-气互联系统的集中协同规划模型;其次,采用交替方向乘子法在电力系统源、网协同规划子问题和天然气网络规划子问题的基础上,通过耦合变量的信息传递,构建了两个子问题交替迭代求解的机制。最后以修改的IEEE 39节点电力系统和比利时20节点天然气系统所构成的电-气互联系统为例,说明了所提方法的可行性和有效性。     

计及辅助服务的电-气-氢综合能源系统优化调度

氢能是中国能源行业低碳化转型的重要支撑。电制氢技术可将电网难以消纳的新能源转换成绿氢注入天然气管道,实现绿氢的远距离传输与利用。文中提出一种计及绿氢注入的电-气综合能源系统优化调度模型,且计及电网辅助服务以支撑高比例新能源消纳。首先,建立了计及绿氢注入及管道管存的天然气系统准动态运行模型;然后,构建了计及调峰与灵活备用的辅助服务的综合能源系统灵活运行模型。最后,算例测试量化评估了电制氢及多能协同对于支撑新能源消纳及提高系统运行灵活性的价值,并且分析了新能源渗透率、管道掺氢比限制对于综合能源系统调度结果的影响机理。     

考虑氢能系统热回收的电氢区域综合能源系统日前优化运行

大力发展以电氢为核心的区域综合能源系统是实现能源系统绿色低碳转型的关键路径。针对现有研究因未系统考虑氢能系统热回收利用，导致能量利用效率低、经济性差等问题，提出考虑氢能系统热回收的电氢区域综合能源系统日前优化运行方法。首先，充分考虑氢能设备变效率、多工况的运行特征，研究不同类型电解水、氢燃料电池和甲烷化设备的产热特性和热回收原理，基于热力学方程和物理反应原理建立氢能系统热回收运行模型；然后，提出考虑氢能系统热回收的电-热-氢多能协同运行架构，建立区域综合能源系统日前优化运行模型；最后，通过算例分析验证了所提方法的有效性。仿真结果表明，氢能系统热回收可有效提高能源利用效率和多能协调运行能力，降低系统运行成本。     

绿色氢能综合利用技术

氢气是一种清洁的能源媒介,燃烧时不产生温室气体和有害污染物。通过可再生能源电解水制取的氢气称为绿氢,绿氢制取过程中几乎没有碳排放,是未来节能减碳、能源转型的重要途径。电力系统与氢能产业相耦合是行业发展的关键环节,利用新能源风光互补发电制氢,不仅实现了能源的长期储存和利用,还提高了可再生能源消纳效率。为了深化绿氢综合利用成效,研究新能源制氢相关技术、电氢耦合技术、含氢能源的综合能源系统规划及运行调度技术等具有重要意义。     

可再生能源制氢建模技术研究

基于电氢转化机理的氢储能技术能够实现风光消纳，平抑风光波动，可作为重要的可再生能源发电支撑形式。构建多元仿真模型是推进风-光-氢耦合系统设计与控制的重要手段，介绍了风力发电、光伏发电及电制氢的机理模型及常用简化模型，对比了不同可再生能源发电形式与制氢的耦合特征。结合国内外建模案例，阐述了仿真模型在运行控制优化、源-网-荷互动、容量配置方面的应用价值。结合技术发展现状，从多物理场、多时间尺度、多元素三个方面对技术的发展进行分析与展望。通过对可再生能源耦合制氢建模基础的综述，可促进相关平台、工程建设，加快实现向零碳供能、绿色用能的能源结构转型。     

面向含氢综合能源系统的电-碳-氢耦合交易市场研究综述

在我国“双碳”目标愿景下,电-碳-氢耦合交易市场正通过市场机制优化能源配置,加速能源转型,但含氢综合能源系统的兴盛给多能耦合交易市场的发展带来了新的挑战。介绍了含氢综合能源系统的基本结构,并在电-碳、电-氢交易市场研究的基础上分析了电-碳-氢耦合交易机制,深入探究了面向含氢综合能源系统的电-碳-氢耦合交易市场机制。分别从市场的交易标的物、交易对象、交易价格角度进行了阐述,并归纳分析了目前实现市场均衡的能源定价策略与市场出清机制。最后总结了电-碳-氢交易市场与含氢综合能源系统发展面临的挑战,并对后续的研究方向进行了展望。