随着当下以化石燃料为主的能源体系资源消耗和环境污染问题日益严重,能源结构转型已经成为世界能源体系发展的重要趋势.能源互联网是以信息传递为基础,以可再生能源和核能为主要一次能源供体,以电能为核心,以储能技术为媒介的新型能源体系,具有智能化、清洁化、操作灵活化等优点,是未来能源结构发展的理想形式。氢能具有热值高、无污染、可再生、长周期储存和远距离运输等优点,能够实现“可再生能源→电能氢能”的多样化转换,可作为能量储存、传递和转换媒介在能源互联网构建中发挥重要作用。该文从能源互联网的概念出发,阐述了氢能在能源互联网中的重要地位,并结合清华大学核能与新能源技术研究院(以下简称核研院)在核能制氢方面的研究成果,综述了氢能和氢储能技术在能源互联网体系下的关键技术的发展现状,并对氢储能技术的未来发展做出展望。

能源是维持人类生存、推动社会进步的基础。 化石燃料的大规模应用推动人类社会进入快速发展阶段。然而,同时也带来了严重的环境污染问题. 此外,化石能源日益消耗也使得能源危机严重威胁人类社会的可持续发展.近些年,随着包括可再生 能源和核能在内的清洁能源的发展和分布式能源概 念的兴起,能源行业朝着零碳排放的变革越来越受到人们关注.美国著名学者里夫金在?第三次工 业革命?一书中提出的能源互联网的概念被认为是 未来能源体系发展的重要方向. 氢能是一种清洁无碳、能量密度高、转化形式 多样的二次能源,是推动世界未来能源体系清洁化转型的重要媒介,在里夫金提出的能源互联网概念中充当重要角色.本文从能源互联网的发展历程 出发,对氢能在能源互联网中的重要地位做出了详 尽分析,并综述了能源互联网体系下,氢气的制 备、储运和应用技术的发展情况.

１、能源互联网

能源互联网的概念出现时间较早,但起初并未受到过多关注.近些年,随着化石能源日益枯竭。

清洁能源体系快速兴起,能源互联网的概念日益受到重视,并被赋予了新的内涵和特征。

1.1 能源互联网的发展历程

能源互联网的发展历程如图１所示，可分为概念孕育、研究起步、功能和结构系统化研究、关键 技术突破与示范项目快速发展４个阶段。国外能源互联网的发展起步较早,其初步构想的提出可追溯到20世纪70年代,巴克敏斯特福乐在世界游戏 模拟大会上提出“全球能源互联网战略”是能源的最高优选。2008年，美 国、德 国、日本分别提出 Freedm、EＧEnergy和数字电网项目,对能源互联网的应用进行了系统化研究,Freedm 项目对分布 式发电和分布式储能随时随地并网与即插即用做出了探索；EＧEnergy项目在能源生产者和能量消费者的双向互动等方面做出了系统示范;数字电网项目以信息互联网为基础,对电网的灵活配置和智能调峰做出了实践。

2011年,美国学者里夫金在 ?第三次工业革命?一书中指出能源互联网是第三次工业革命的重要标志,并初步构建了能源互联网的架构体系和基本特征,引发了能源互联网在全球的 研究热潮。特别是近几年利用清洁能源的大量技术突破推动了能源互联网进一步发展。

2018年,全球能源互联网发展合作组织成立,并召开了“2018全球能源互联网大会”，会上首次发布了?全球能源互联网骨干网架研究?等12项创新成果,实现了能 源互联网从“规划图”到“施工图”、从“新理念”到 “可操作”的重要突破。

2019年,全球能源互联网 发展合作组织发布了欧洲能源互联网规划研究报告,提出了欧洲能源互联网的发展规划方案、重点互联互通工程,并进行了效益评估;澳大利亚可再生能源署发布了新的可再生能源资助计划,把电网消纳、氢能和减少工业碳排放作为可再生能源优先发展领域。

国内能源互联网发展起步较晚,但近５年来发展速度十分迅猛。

2014年,国家能源局(以下简称 能源局)局长刘振亚提出能源互联网实质上就是“特 高压电网＋智能电网＋清洁能源”,并强调要大力 发展能源互联网。

2015年３月,在全国“两会” 报告上,国务院总理李克强提出“互联网＋”发展计划。同年９月在联合国发展峰会上,国家主席习近平宣布将能源互联网由战略构想上升为国家倡议。2016年３月,国家发展改革委、能源局和工业和信息化部联合发布?关于推进“互联网＋”智慧 能源发展的指导意见?,提出了未来10年中国能源互联网的发展蓝图,进一步奠定了未来能源互联网 的发展模式。

2017年,国家能源局公布了首批55个“互联网＋”智慧能源(能源互联网)示范项目, 能源互联网在国内由概念走向落地。

2019年, 由清华大学等单位主办的“2019国家能源互联网大 会”在湖南株洲召开,能源领域的诸多专家就“泛在能源、智慧互联”的大会主题,共同梳理了能源互联网在我国的推进情况,为我国日后能源结构的变革趋势和转型前景提出了新的展望。2020年?北京市政府工作报告?明确提出,要依托能源互联网和第四代核电等重点领域优势,积极构建 “能源谷”。随着能源结构转型速度加快,构建能源互联网已成为我国能源体系发展的重要方向。

1.2 能源互联网的内涵

里夫金提出的能源互联网包含以下几个基本元素：

１)清洁能源为主要的一次能源；

２)以氢能 为枢纽,将一次能源与电网、气网、热网、交通网 连为一体;

３)利用互联网技术和储能技术实现超 大规模分布式能源储存和广域能源共享;

４)燃油 车将被氢燃料电池车替代,实现交通电气化的转 变;

５)人既是能源生产者,也是能源消费者,传统 的大型电力公司不复存在.上述能源互联网的基本 内涵主要是基于哲学和经济学层面的思考,并没有 从科学和技术的层面提出具体实施模式。

随着多年的不断深入研究,大量学者对能源互联网从不同角度进行了深入剖析和探讨,逐渐提出并完善能源互联网的含义和发展方向。由于能源互联网是涉及多学科交叉的、具有高 度兼容性和复杂性的新型能源体系,很难进行全面而精准的定义,且不同领域的学者对其理解和认识 的侧重点各不相同,短期内很难达成共识,因此, 对已有的能源互联网的定义做出了如表１的归纳. 尽管表１定义的侧重点不尽相同，但从中也可以归纳出能源互联网的特点:

１)泛在互联；能源 互联网能够实现能源网络、交通网络、信息网络之 间的耦合互联；

２)对等开放；能源互联网构成各层 级、多维度的开放平台.各种清洁能源,特别是可再生清洁能源,可无歧视接入能源互联网;能源互 联网用户无歧视接入获取所需要的能源及服务;能源生产者也可以是能源使用者,用户的参与度大大提升;可在任何时间、任何地点支持各种能源服务,支持需求响应、辅助服务、电能购销服务,降低能源互联网峰谷差,提高其运营效益；

３)低碳高效；能源互联网的一次能源供体为以可再生能源为主的清洁能源,电能和氢能是能量传送的主要二次 能源载体,碳排放大大降低；

４)多源协同；既包括 大型能源生产基地规划运行方面的协同,也包括能源传输和终端能源利用方面的协同。

２ 能源互联网中的氢能

氢能是一种二次能源载体,具有可再生、可储可输、利用形式多样等特点,将在能源互联网构建中发挥重要作用。 国际能源署(InternationalEnergy Agency, IEA)对当下以化石燃料为主的能源体系和构想中 的未来的能源互联网体系做了对比分析。如图２所 示，IEA 将所有能源划分为简单的热网、电网、油气网３种形式，在当下的能源体系中,除了热电产之外,不存在其他方式实现３种能源形式之间的互相耦合转化。而在未来能源互联网的构想中, 热网、电网、油气网可以实现深度耦合转换,实现这一目标的关键媒介就是氢能.氢能的制备途径多样,在未来以清洁能源为主要一次能源供体的能源结构下,电解水制氢可提供清洁且充足的氢源;氢气可发电、可发热、也可用于交通燃料,因此可以打破传统的热网、电网、油气网三者之间无法实现互相耦合转化的壁垒,提高能源互联网的操作灵活性,真正实现不同能源形式之间的彼此联通、深度耦合。此外,受自然条件的影响,可再生能源具有很强的波动性和间歇性,且受地形等因素限制颇多。因此，可再生能源发电在时间尺度上具有随机性和不稳定性,在空间尺度上具有明显的区域差异性, 这些问题造成了严重的弃风、弃水、弃光(三弃)等资源浪费问题。2018年,我国“三弃”造成的电能损失近1100亿kW??h,经济损失约487亿元.为了降低能量波动对电网的冲击,实现能源的稳定持续供应和广域能源共享,发展高效的储能技术必不 可少。氢电之间可以高效转化,且氢气可以实现长时间储备和远距离运输。利用电气转化技术(powertogas)可以在时间尺度上实现电力过剩时以氢储电，电力不足时以氢供电的高效转化,空间尺度上实现能源的广域共享。

核能是世界第二大低碳能源,作为重要的新型 能源供给形式,其发展受到广泛关注.清华大学核研院从20世纪70年代开始研发具有第四代核能系 统特征的核反应堆———高温气冷堆(hightemperaＧ turegascooledreactor,HTGR),至今已取得重要 进展。10MW 、的测试反应堆已实现全功率运行，200万吨级的示范工程正在投入建设。HTGR的出口温度可高达1000℃，对出口热能的充分利用可以有效提高 HTGR的能量效率,实现核能的高效开发应用.碘硫(IＧS)循环制氢和高温蒸汽电解制氢(hightemperaturesteam electrolysis, HTSE)是２种利用 HTGR出口高温热能制氢的方式.通过将高温热能以热化学或电化学的方式转化为高品位化学能(氢能)可以最大程度提高核能利用效率,丰富核能的应用场景.核研院在大力发展先进核反应堆的同时,也在２种核能制氢形式方面投入了大量研究，为未来核能的系统性、多样化发展奠定了基础。核研院在碘硫循环制氢关键技术方面已取得诸多突破：成功搭建了碘硫循环制氢台架,并进行了制氢连续运行实验,连续运行,86h,制氢运行60h, 制氢规模达60L/h,是除日本原子能研究开发机构 (JapanAtomicEnergyAgency,JAEA)之外,唯一实现碘硫循环制氢连续运行的单位;建立和开发了 具有自主知识产权的碘硫循环全过程模拟模型和计 算软件INETＧIS,奠定了我国碘硫循环制氢在国际 上的领先地位。在高温电解制氢方面,核研院高温电解制氢团 队完成了一系列核心技术和关键组件的研发,在高 性能电极材料制备、材料表界面精准修饰与表征、高通量电极结构设计等方面取得了一系列 进展;在先进电堆制备方面,结合材料筛选、结构设计、运行工艺摸索,解决了固体氧化物电解池(solid oxideelectrolysiscell,SOEC)系统水蒸气稳定供应、 精准控制和在线监测等难题,成功制备了千瓦级 SOEC制氢系统，为我国高温电解制氢从实验室 阶段走向规模化示范阶段奠定了重要基础. 氢气作为用途多样、可储可输的二次能源载体, 无论在可再生能源的调峰储能,还是在新一代核能的 高效多样化利用方面均可发挥重要作用.氢储能系统 被认为是未来可行的能量储存和转化的方法之一。

2.1 氢储能系统

以可再生能源和核能为主的清洁能源是未来能源互联网体系下的主要一次能源供体，2050年可再生能源的发电量将占发电总量的约67％。考虑到可再生能源波动性、间歇性等特点,多能互补和能量储存与转换技术将成为能源互联网发展的重 点之一。如图３所示,氢储能系统可通过以氢储电的形式实现不同能源形式的转换,并以氢能 的形式实现能量储存、运输和再利用，作为构建能源互联网的关键媒介,氢能相关技术发展受到 世界各国的广泛关注. 美国、日本、法国等发达国家根据国情制定了相应的氢能发展规划,推 动本国氢能发展。

2001年,美国提出?综合能源系统发展计划?,指出大力发展微电网和智能电网,以增加清洁能源利用比例。2016年,日本制定了?2050年能源与环境创新战略计划?,提出智慧社区建设构想,推动氢能网络的全社会覆盖。2019年,法国制定的?氢能计划?中指出,要推进可再生能源制氢和氢电转化技术的发展，构建能源网络。 随着国内能源转型和产业升级需求的不断加快，国内氢能产业也进入发展快车道。

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2016年，国务院发布的?“十三五”国家科技创新规划?中强调要开发氢能、燃料电池等新一代能源技术。2017 年,国家能源局发布的?关于促进储能技术与产业发展的指导意见?指出,储能是智能电网、可再生 能源高占比能源系统、能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术,支持在可再生能源消纳问题突出的地区开展可再生能源储电、储热、制氢等多种形 式能源存储与输出利用。2019年,氢能源首次写入政府工作报告,氢能发展受到越来越多国家层面的关注。随着可再生能源在能源体系中的占比不断增 高,氢能和氢储能技术将会在能源互联网构建中发挥越来越重要的作用,提高能源互联网能量储存与转化的灵活性和操作弹性.能源系统的新型能源互联网结构转型将会推动氢储能系统中氢气制备、储运和转化与利用等技术的快速发展。

2.1.1氢气制备

氢气制备途径多样,电解水制氢是理想的利用可再生能源和核能制氢的方式.主要的电解装置包括碱性电解池(alkalineelectrolysiscell,AEC)、质子交换膜电解池和固体氧化物电解池(SOEC)。表２比较了３种电解装置的基本电解参数，AEC是发展最为成熟的电解装置,目前已有1000Nm３/h的商业化装置，但是能量转换效率低,波动响应性慢,在与可再生能源耦合方面受到限制.PEMEC技术发展相对成熟,目前处于商业化早期阶段,能量转化效率高于AEC,波动响应性快,在与可再生能源耦合制氢储能方面具备优势.其贵金属催化剂、双极板和其他关键部件国产化率低,目前 PEMEC的成本较高,国内还需不断加大在关键材料和关键技术方面的研发,降低成本,推动其国产化率提升.SOEC是电解效率和能量转化效率最高的电解装置,并且整个装置不需要贵金属成分,原材料成本低,应用形式多样,可用于小型分布式储能和大型集中式储能等多种场景, 高温工作的特点可以实现核热的充分利用,被认为是十分有前景的电解装置.目前SOEC的技术成熟度还较低,需要在关键材料、关键部件、关键工艺方面加深研究,推动其发展。

2.1.2 氢气储运

氢气可储可输的特点是以氢能为纽带构建能源互联网的重要条件.提高储运效率,降低储运成本是氢气储运技术的发展重点.按照储运形式的不同,氢气储运可分为高压气态储运、液态储运和固态储运.表２ ３种电解装置的基本参数比较电解方法电解电压/V 电解效率/％ 总效率/％ AEC １．８~２．０ ５３．６~６２ ~３０ PEMEC １．５~１．６ ７７．６~８２ ~３５ SOEC １．２~１．３ ＞９０ ５２~５９ 气态储氢是氢气储运的主流方式,高压气态储氢容器是气态储氢的关键装置.目前,国外已开发出全复合轻质纤维缠绕储罐IV 型瓶,最高储氢压 力为 ７０MPa。中国大规模应用的储氢容器为３５MPa铝内胆碳纤维缠绕III型瓶,７０MPaIII型瓶刚开始小规模应用,７０MPaIV 型瓶尚处于研发 阶段,与国外先进水平差距较大. 长管拖车高压气态输运是目前氢气的主要运输方式,技术较为成熟。中国的长管拖车运氢压力 为２０MPa,单车运氢量约为300kg,正在积极发展35MPa气态运输技术;国外采用45MPa纤维全缠绕高压氢瓶长管拖车运氢,单车运氢可提至700kg。气态管道输运是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式,具有输氢量大、能耗小和成本低等优势,是大规模氢气输运的重要发展方向. 液态储运适用于长距离、运输量大的情况,日本已经开展了液氢驳船运输项目,验证液氢大规模、远距离运输的可行性。中国在航天领域已成 功应用,尚无民用的液氢储运案例.固态输运的优 点在于储氢密度高、安全性更好、可实现氢的快速 充放.然而,目前看来,固态储氢的缺点在于目前 的固体储氢材料室温下储氢量过低,且吸附材料的 制备昂贵,商业化程度较低。

2.1.3 氢气应用

氢气的用途多样,应用领域广泛.氢气可作为 一种高能燃料,用于航天飞机、火箭等航天行业和 公共汽车等领域;氢气在电子工业中可用作保护气 体,如在集成电路、电子管和显像管等电子制品的 制备过程中都需要氢气作为保护气体;在食品和化 学工业中,氢气是重要的合成原料之一.除此之 外,随着燃料电池技术的不断发展,氢能被逐渐应 用在燃料电池汽车等交通工具、家用电站和微型燃 料电池等日常用品、以及其他正在不断开拓的应用 领域中.在未来能源体系中,电网电力不足时,氢能还可作为储备能源为电网提供电力。

如图４所示,日本对不同阶段氢能在不同领 域的应用进行了分析,显示了氢能在当下能源系 统中的重要位置以及未来能源互联网系统中的具体应用前景.目前,日本比较成熟的氢能应用包括石油精炼、光纤制造等工业制造领域和被当作高能燃料使用的航空航天领域;目前处于实用化阶段的应用主要包括燃料电池汽车和家用燃料电池电站;随着氢能相关技术的不断进步, 未来还会进一步被用于业务产业用燃料电池发电、家用或特殊用途的燃料电池、不同类型的燃料电池交通工具(包括业务用车、公共汽车、列车、船、飞机)等 各种备用电源,以及更多的工业应用等。

2.2 氢储能与其他储能方式的比较

目前,主要的储能方式可分为３类:

１)化 学储能,包括液流电池、铅酸电池、锂离子电池等;

２)机械储能,包括蓄水储能、压缩空气储能、飞轮 储能等;

３)电磁储能,包括超导体储能和超级电容 器储能.氢储能的基本原理是电解水产生氢气和氧气,可以将其看作是化学储能的延伸。表３归纳了不同储能方式的能量密度、成 本、储能期限和技术成熟度。对比可知,氢储能相比于其他储能方式有诸多优点.氢储能的能量 密度显著高于其他储能方式,储能期限较长,满 足长时间储能的需求,可实现可再生能源的跨季 储能和跨区域能量传递.此外,电解水制氢可以提高可再生能源利用率,减少化石燃料的使用, 提高能源体系清洁化。氢储能成本低于电化学储能、电磁储能和飞轮储能,尽管略高于发展时间较久的压缩空气储能和蓄水储能,但随着氢气制备和储运技术的进一步发展,市场规模的进一步扩大,成本将会进一步降低.氢储能是前景广阔的可再生能源储能方式,可在能源互联网的构建方面发挥重要作用。

３ 总结与展望

能源互联网是未来能源体系发展的理想状态，能够为人类提供更智能、更环保、更高效、更安全的能量供应结构和生产生活环境。储能周期 长、效率高、能量转换形式多 样的氢储能系统可作为重要能源转换和传递媒介在能源互联网构建中扮演重要角色。随着氢能相关技术的不断发展, 氢能有望与电能一同成为能源互联网中的“两架马车”，以氢 电相互转化提高可再生能源和核能利用率和操作弹性，构建出转换灵活、传递高效的能量流.。目前，氢能相关技术还不够成熟，有诸多问题需要解决，如氢气制氢方面,清洁一次能源与电解水装置的耦合技术、制氢装置的关键材料研发等;氢气储运方面,轻量化高压气态储氢容器、液态储运民用化发展、高效固态储氢材料等。上述关键技 术瓶颈的深入研发和突破,将对提高一次能源利用率、推动我国能源体系清洁化和智能化转型具有重要意义。