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 能源是維持人類生存、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。 化石燃料的大規(guī)模應(yīng)用推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入快速發(fā)展階段。然而,同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題. 此外,化石能源日益消耗也使得能源危機(jī)嚴(yán)重威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展.近些年,隨著包括可再生 能源和核能在內(nèi)的清潔能源的發(fā)展和分布式能源概 念的興起,能源行業(yè)朝著零碳排放的變革越來(lái)越受到人們關(guān)注.美國(guó)著名學(xué)者里夫金在«第三次工 業(yè)革命»一書中提出的能源互聯(lián)網(wǎng)的概念被認(rèn)為是 未來(lái)能源體系發(fā)展的重要方向. 氫能是一種清潔無(wú)碳、能量密度高、轉(zhuǎn)化形式 多樣的二次能源,是推動(dòng)世界未來(lái)能源體系清潔化轉(zhuǎn)型的重要媒介,在里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)概念中充當(dāng)重要角色.本文從能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程 出發(fā),對(duì)氫能在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要地位做出了詳 盡分析,并綜述了能源互聯(lián)網(wǎng)體系下,氫氣的制 備、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展情況.

１、能源互聯(lián)網(wǎng)

能源互聯(lián)網(wǎng)的概念出現(xiàn)時(shí)間較早,但起初并未受到過(guò)多關(guān)注.近些年,隨著化石能源日益枯竭。


清潔能源體系快速興起,能源互聯(lián)網(wǎng)的概念日益受到重視,并被賦予了新的內(nèi)涵和特征。

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程

能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程如圖１所示，可分為概念孕育、研究起步、功能和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化研究、關(guān)鍵 技術(shù)突破與示范項(xiàng)目快速發(fā)展４個(gè)階段。國(guó)外能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起步較早,其初步構(gòu)想的提出可追溯到20世紀(jì)70年代,巴克敏斯特福樂(lè)在世界游戲 模擬大會(huì)上提出“全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略”是能源的最高優(yōu)選。2008年，美 國(guó)、德 國(guó)、日本分別提出 Freedm、EＧEnergy和數(shù)字電網(wǎng)項(xiàng)目,對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)化研究,Freedm 項(xiàng)目對(duì)分布 式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能隨時(shí)隨地并網(wǎng)與即插即用做出了探索；EＧEnergy項(xiàng)目在能源生產(chǎn)者和能量消費(fèi)者的雙向互動(dòng)等方面做出了系統(tǒng)示范;數(shù)字電網(wǎng)項(xiàng)目以信息互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),對(duì)電網(wǎng)的靈活配置和智能調(diào)峰做出了實(shí)踐。

2011年,美國(guó)學(xué)者里夫金在 «第三次工業(yè)革命»一書中指出能源互聯(lián)網(wǎng)是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志,并初步構(gòu)建了能源互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系和基本特征,引發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)在全球的 研究熱潮。特別是近幾年利用清潔能源的大量技術(shù)突破推動(dòng)了能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展。

2018年,全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織成立,并召開(kāi)了“2018全球能源互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)”，會(huì)上首次發(fā)布了«全球能源互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)架研究»等12項(xiàng)創(chuàng)新成果,實(shí)現(xiàn)了能 源互聯(lián)網(wǎng)從“規(guī)劃圖”到“施工圖”、從“新理念”到 “可操作”的重要突破。

2019年,全球能源互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)展合作組織發(fā)布了歐洲能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃研究報(bào)告,提出了歐洲能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃方案、重點(diǎn)互聯(lián)互通工程,并進(jìn)行了效益評(píng)估;澳大利亞可再生能源署發(fā)布了新的可再生能源資助計(jì)劃,把電網(wǎng)消納、氫能和減少工業(yè)碳排放作為可再生能源優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起步較晚,但近５年來(lái)發(fā)展速度十分迅猛。

2014年,國(guó)家能源局(以下簡(jiǎn)稱 能源局)局長(zhǎng)劉振亞提出能源互聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)上就是“特 高壓電網(wǎng)＋智能電網(wǎng)＋清潔能源”,并強(qiáng)調(diào)要大力 發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)。

2015年３月,在全國(guó)“兩會(huì)” 報(bào)告上,國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)提出“互聯(lián)網(wǎng)＋”發(fā)展計(jì)劃。同年９月在聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)上,國(guó)家主席習(xí)近平宣布將能源互聯(lián)網(wǎng)由戰(zhàn)略構(gòu)想上升為國(guó)家倡議。2016年３月,國(guó)家發(fā)展改革委、能源局和工業(yè)和信息化部聯(lián)合發(fā)布«關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧 能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)»,提出了未來(lái)10年中國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展藍(lán)圖,進(jìn)一步奠定了未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng) 的發(fā)展模式。

2017年,國(guó)家能源局公布了首批55個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧能源(能源互聯(lián)網(wǎng))示范項(xiàng)目, 能源互聯(lián)網(wǎng)在國(guó)內(nèi)由概念走向落地。

2019年, 由清華大學(xué)等單位主辦的“2019國(guó)家能源互聯(lián)網(wǎng)大 會(huì)”在湖南株洲召開(kāi),能源領(lǐng)域的諸多專家就“泛在能源、智慧互聯(lián)”的大會(huì)主題,共同梳理了能源互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)的推進(jìn)情況,為我國(guó)日后能源結(jié)構(gòu)的變革趨勢(shì)和轉(zhuǎn)型前景提出了新的展望。2020年«北京市政府工作報(bào)告»明確提出,要依托能源互聯(lián)網(wǎng)和第四代核電等重點(diǎn)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì),積極構(gòu)建 “能源谷”。隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型速度加快,構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)已成為我國(guó)能源體系發(fā)展的重要方向。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵

里夫金提出的能源互聯(lián)網(wǎng)包含以下幾個(gè)基本元素：

１)清潔能源為主要的一次能源；

２)以氫能 為樞紐,將一次能源與電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、交通網(wǎng) 連為一體;

３)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)超 大規(guī)模分布式能源儲(chǔ)存和廣域能源共享;

４)燃油 車將被氫燃料電池車替代,實(shí)現(xiàn)交通電氣化的轉(zhuǎn) 變;

５)人既是能源生產(chǎn)者,也是能源消費(fèi)者,傳統(tǒng) 的大型電力公司不復(fù)存在.上述能源互聯(lián)網(wǎng)的基本 內(nèi)涵主要是基于哲學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)層面的思考,并沒(méi)有 從科學(xué)和技術(shù)的層面提出具體實(shí)施模式。

隨著多年的不斷深入研究,大量學(xué)者對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)從不同角度進(jìn)行了深入剖析和探討,逐漸提出并完善能源互聯(lián)網(wǎng)的含義和發(fā)展方向。由于能源互聯(lián)網(wǎng)是涉及多學(xué)科交叉的、具有高 度兼容性和復(fù)雜性的新型能源體系,很難進(jìn)行全面而精準(zhǔn)的定義,且不同領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)其理解和認(rèn)識(shí) 的側(cè)重點(diǎn)各不相同,短期內(nèi)很難達(dá)成共識(shí),因此, 對(duì)已有的能源互聯(lián)網(wǎng)的定義做出了如表１的歸納. 盡管表１定義的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，但從中也可以歸納出能源互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn):

１)泛在互聯(lián)；能源 互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)之 間的耦合互聯(lián)；

２)對(duì)等開(kāi)放；能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成各層 級(jí)、多維度的開(kāi)放平臺(tái).各種清潔能源,特別是可再生清潔能源,可無(wú)歧視接入能源互聯(lián)網(wǎng);能源互 聯(lián)網(wǎng)用戶無(wú)歧視接入獲取所需要的能源及服務(wù);能源生產(chǎn)者也可以是能源使用者,用戶的參與度大大提升;可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)支持各種能源服務(wù),支持需求響應(yīng)、輔助服務(wù)、電能購(gòu)銷服務(wù),降低能源互聯(lián)網(wǎng)峰谷差,提高其運(yùn)營(yíng)效益；

３)低碳高效；能源互聯(lián)網(wǎng)的一次能源供體為以可再生能源為主的清潔能源,電能和氫能是能量傳送的主要二次 能源載體,碳排放大大降低；

４)多源協(xié)同；既包括 大型能源生產(chǎn)基地規(guī)劃運(yùn)行方面的協(xié)同,也包括能源傳輸和終端能源利用方面的協(xié)同。

２、能源互聯(lián)網(wǎng)中的氫能

氫能是一種二次能源載體,具有可再生、可儲(chǔ)可輸、利用形式多樣等特點(diǎn),將在能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。 國(guó)際能源署(InternationalEnergy Agency, IEA)對(duì)當(dāng)下以化石燃料為主的能源體系和構(gòu)想中 的未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)體系做了對(duì)比分析。如圖２所 示，IEA 將所有能源劃分為簡(jiǎn)單的熱網(wǎng)、電網(wǎng)、油氣網(wǎng)３種形式，在當(dāng)下的能源體系中,除了熱電產(chǎn)之外,不存在其他方式實(shí)現(xiàn)３種能源形式之間的互相耦合轉(zhuǎn)化。而在未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中, 熱網(wǎng)、電網(wǎng)、油氣網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)深度耦合轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵媒介就是氫能.氫能的制備途徑多樣,在未來(lái)以清潔能源為主要一次能源供體的能源結(jié)構(gòu)下,電解水制氫可提供清潔且充足的氫源;氫氣可發(fā)電、可發(fā)熱、也可用于交通燃料,因此可以打破傳統(tǒng)的熱網(wǎng)、電網(wǎng)、油氣網(wǎng)三者之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互相耦合轉(zhuǎn)化的壁壘,提高能源互聯(lián)網(wǎng)的操作靈活性,真正實(shí)現(xiàn)不同能源形式之間的彼此聯(lián)通、深度耦合。此外,受自然條件的影響,可再生能源具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性,且受地形等因素限制頗多。因此，可再生能源發(fā)電在時(shí)間尺度上具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性,在空間尺度上具有明顯的區(qū)域差異性, 這些問(wèn)題造成了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄水、棄光(三棄)等資源浪費(fèi)問(wèn)題。2018年,我國(guó)“三棄”造成的電能損失近1100億kW