中國科學院院士、西安交通大學教授管曉宏

一、減少電力系統碳排放對實現雙碳目標意義重大

人類社會主要依賴化石能源的能耗模式已經難以維系，習近平主席2020年在聯合國大會上的講話，提出的2030碳達峰、2060碳中和已經成為國家的戰略目標，是必須實現的戰略目標。

根據國際能源署數據統計，2019年全球碳排放結構中，電力、熱力占比達到42%，中國達到53%，所以減少電力系統的碳排放對實現碳達峰、碳中和意義重大，能源供應的清潔化和綠色化勢在必行。

傳統能源電力結構從140年前出現，到形成當今發輸配用的電力結構，一次能源基本轉換為電能接入電網。到目前為止，人類還沒有找到直接、大規模的經濟儲存電能技術，所以全世界的電力系統都是一個瞬時功率平衡系統，每一個瞬時都要做到能量守恒，這樣就對可再生能源利用造成根本性的挑戰。

二、傳統電力系統難以完全消納可再生能源

2020年，四川省組織了“兩院院士四川行”活動，四川省省委省政府領導在會上透露，其省內棄水非常嚴重，折射出我國整體棄風、棄光、棄水問題仍然嚴峻。可再生能源是難以完全消納的，這是由于目前電力系統的根本性結構造成的，所以儲能是可再生能源利用的關鍵，針對各種各樣的儲能方式，現在的主流趨勢是間接儲能，比如抽蓄電站、電池、氫能等，其中氫能特別值得關注。

在傳統能源電力結構下，水火風光電源加上抽水蓄能、蓄電池等傳統的儲能設備，以發輸配用的傳統電力系統結構為基礎，再加上多能終端的供需協調優化，這就是我們現在進行的工作。

在非傳統能源電力結構設想中，傳統的電源+分布式可再生能源+氫能燃料電池，多能源的儲能、儲熱+儲氫，分布式+集中式的供需協調優化，氫能供應鏈的優化，這就是非傳統的模式，特別值得我們關注。

在傳統電力結構下應該怎么做？水火風光互補、源荷互補抵消不確定性是目前的主要方法，水電、抽蓄、風電和太陽能的互補是重點。特別是西北地區水火風光資源充足，黃河中上游的階梯水電與河西走廊、酒泉風電基地的可再生能源互補。

這個問題看似簡單，實際上非常復雜，而數學問題看似不復雜，但關鍵在于系統安全：電網系統有幾千條線路，乘以一周的調度，以及數十萬、上百萬個決策約束，幾萬個決策變量，在此情況下要保證每條線路上的電網安全，是任何一個軟件、系統都計算不了的。

前面提到的酒泉風電基地和黃河上游的水電基地，二者配合等于存儲了不確定的風能，但可能受到巨量系統安全約束和未知安全瓶頸的限制。

因此大部分系統都有設計冗余，那么能否不求解就知道存在哪些約束冗余？根據我們的計算，以判定安全約束冗余的解析充分條件為前提，不求解就能解析判定系統安全性，發現很多含數千傳輸線的實際系統，只有幾十條線路的安全約束可能張緊，大大簡化、優化問題，解決了公認難題，并很容易發現安全瓶頸，對能源電力系統運行調度和規劃意義重大。

以西北電網為例，酒泉到金昌段750千伏顯然是一個安全瓶頸。當酒泉的風電和黃河中上游的水電相配合時，電網是不支撐的，所以國家在七、八年前開始修建哈密-酒泉的第二輸電通道。當時的疑問是第二輸電通道建立以后安全瓶頸能否消除，我們把第二輸電通道加上以后，事先計算得出酒泉段的安全瓶頸成功消除。酒泉風電和黃河水電打包配合時，750千伏輸電線路不再張緊，所以第二輸電通道是絕對有必要的，目前國家已經開始計劃修建第三輸電通道。

三、氫能的制備和利用受到極大關注

非傳統的分布式能源電力結構更值得我們關注，雖然目前仍然處于研究和試驗階段，規模有限，但是氫能的制備和利用受到國際學術界和產業界的極大關注。

1.氫元素資源豐富，獲取方式簡便

宇宙中、地球上的氫元素非常豐富，主要存在于水中，但水分子化學鍵非常穩固，必須要用能量才能打開，所以要采用電解水和光催化的方式制氫。

因為氫能具有清潔、可再生、能量密度高等優點，被廣泛視為21世紀終極常規清潔能源，它可以成為和電能并重且互補的二次能源，服務于社會生活的方方面面。

2.氫能的制備和儲運技術正處于技術革命的前沿

氫能的制備和儲運技術正處于技術革命的前沿。有三方面值得關注：

一是光催化制氫，太陽能聚光系統利用高效的光催化反應器、光解水制氫催化劑，直接將太陽能和水通過光化學、光生物分解制成氫，進行收集。

利用電解水或者光催化，就可以通過水制取氫，制取方式簡便。近中期工業化路徑有：直接太陽能驅動熱化學分解水和生物質制氫。中遠期工業化路徑有：直接太陽能光化學與光生物分解水制氫。

二是常溫常壓下的儲氫技術，利用現有的石化燃料基礎設施，實現富氫溶液的運輸、存儲、銷售、添加，另外還涉及市場化機制建設。

常溫常壓儲氫是正在突破的技術之一，其中有機液態的化學溶液，特別值得關注。氫和有機溶液發生化學反應，其溶液本身是不自燃的，常溫常壓下就可以儲存，通過現有的石油化工基礎設施，如油罐車、管道就可以運輸，然后利用氫能燃料電池可以在發電的同時放出熱能，這個過程是個零污染、零碳排放的可再生綠色循環。

三是電堆，即氫燃料電池，高轉化效率、長循環壽命、低制造成本的新一代燃料電池堆，是全世界方興未艾的研究領域。

這些技術革命實現以后，氫能就可以逐步形成和電能并重的能源供應系統。通過傳統的發輸配用結構，電解水、光催化制取氫以后，可以將富氫溶液運輸到燃料電池，通過逆變發電，既可以接入電網并網運行也可以離網運行。

3、基于氫能的分布式能源系統是全綠色的結構變革

在基于氫能的分布式能源系統中，氫能驅動冷熱電聯動，氫燃料電池供電可以實現多能協同轉化、近零碳排放。另外，以水為載體可以直接實現冷熱存儲，避免了電能的中間轉換，提高了用能效率。

氫能供應鏈需要進一步市場化，初始階段無論是制氫、運氫，都需要市場化的運行和管理。氫能的存儲，電網、可再生能源交互，可以實現系統的并網或者離網運行，是一個全綠色的結構性變革，能夠解決儲能、可再生能源消納、能源電力市場化等重大的挑戰。

目前主要面臨的科學問題有氫電二次能源的轉換、安全運行、多能互補、智能設計等；另外，市場的設計和博弈分析同樣重要，合理的市場設計與建設，這些將為含氫能的新結構能源供需系統帶來革命性的變化。

為了構建含氫能的新結構能源供需系統，世界上很多國家已經開始研究制氫、儲氫，我們的研究主要集中在高效運行的分布式、集中式+分布式的供需協調、氫能+電網的供應鏈優化等方面。

基于以上原理，2020年8月底，我們在西安交通大學創新港校區建成了首個氫能零碳智慧能源系統實驗室，利用儲氫、氫能燃料電池、冷-熱水儲罐，以多能互補運行方式，在實驗室環境中實現了完全離網供能運行，全負荷運行4.5小時，常規負荷下可以維持7-8小時。目前正在陜西榆林市科創新城建設首個氫能零碳智慧園區，為2022年陜西省運動會的10萬平米運動員村公寓和酒店零碳供能，預計2022年春季投入實際使用。

四、能源電力系統綠色轉型勢在必行

氫能的產業鏈延伸事關氫能的社會綠色能源開發、高效的轉化利用，實現能源、經濟、生態一體化高效發展。

綜合而言，能源電力系統綠色化并實現供需整體優化控制與決策勢在必行。氫能制備和儲運的新技術，為實現全綠色的結構變革，構建全自治或獨立的分布式能源系統奠定了基礎。基于氫能大規模利用的分布式零碳智慧能源系統，將可能深度改變能源構成，以綠色、分布、市場為標志的能源革命即將到來。

（內容根據第十七屆中國分布式能源國際論壇發言整理，整理人：張磊）

來源|中國能源網