管曉宏院士：綠色分布式智慧能源系統與能源革命

中國科學(xué)院院士、西安交通大學(xué)教授管曉宏

一、減少電力系統碳排放對實(shí)現雙碳目標意義重大

人類(lèi)社會(huì )主要依賴(lài)化石能源的能耗模式已經(jīng)難以維系，習近平主席2020年在聯(lián)合國大會(huì )上的講話(huà)，提出的2030碳達峰、2060碳中和已經(jīng)成為國家的戰略目標，是必須實(shí)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(shí)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(fā)輸配用的電力結構，一次能源基本轉換為電能接入電網(wǎng)。到目前為止，人類(lèi)還沒(méi)有找到直接、大規模的經(jīng)濟儲存電能技術(shù)，所以全世界的電力系統都是一個(gè)瞬時(shí)功率平衡系統，每一個(gè)瞬時(shí)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(dòng)，四川省省委省政府領(lǐng)導在會(huì )上透露，其省內棄水非常嚴重，折射出我國整體棄風(fēng)、棄光、棄水問(wèn)題仍然嚴峻?？稍偕茉词请y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?xún)δ苁强稍偕茉蠢玫年P(guān)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(guān)注。

在傳統能源電力結構下，水火風(fēng)光電源加上抽水蓄能、蓄電池等傳統的儲能設備，以發(fā)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(xié)調優(yōu)化，這就是我們現在進(jìn)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(xié)調優(yōu)化，氫能供應鏈的優(yōu)化，這就是非傳統的模式，特別值得我們關(guān)注。

在傳統電力結構下應該怎么做？水火風(fēng)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(fēng)電和太陽(yáng)能的互補是重點(diǎn)。特別是西北地區水火風(fēng)光資源充足，黃河中上游的階梯水電與河西走廊、酒泉風(fēng)電基地的可再生能源互補。

這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上非常復雜，而數學(xué)問(wèn)題看似不復雜，但關(guān)鍵在于系統安全：電網(wǎng)系統有幾千條線(xiàn)路，乘以一周的調度，以及數十萬(wàn)、上百萬(wàn)個(gè)決策約束，幾萬(wàn)個(gè)決策變量，在此情況下要保證每條線(xiàn)路上的電網(wǎng)安全，是任何一個(gè)軟件、系統都計算不了的。

前面提到的酒泉風(fēng)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(fēng)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(fā)現很多含數千傳輸線(xiàn)的實(shí)際系統，只有幾十條線(xiàn)路的安全約束可能張緊，大大簡(jiǎn)化、優(yōu)化問(wèn)題，解決了公認難題，并很容易發(fā)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(wǎng)為例，酒泉到金昌段750千伏顯然是一個(gè)安全瓶頸。當酒泉的風(fēng)電和黃河中上游的水電相配合時(shí)，電網(wǎng)是不支撐的，所以國家在七、八年前開(kāi)始修建哈密-酒泉的第二輸電通道。當時(shí)的疑問(wèn)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(fēng)電和黃河水電打包配合時(shí)，750千伏輸電線(xiàn)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(jīng)開(kāi)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(guān)注

非傳統的分布式能源電力結構更值得我們關(guān)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(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。

1.氫元素資源豐富，獲取方式簡(jiǎn)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(xué)鍵非常穩固，必須要用能量才能打開(kāi)，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(yōu)點(diǎn)，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(wù)于社會(huì )生活的方方面面。

2.氫能的制備和儲運技術(shù)正處于技術(shù)革命的前沿

氫能的制備和儲運技術(shù)正處于技術(shù)革命的前沿。有三方面值得關(guān)注：

一是光催化制氫，太陽(yáng)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(yáng)能和水通過(guò)光化學(xué)、光生物分解制成氫，進(jìn)行收集。

利用電解水或者光催化，就可以通過(guò)水制取氫，制取方式簡(jiǎn)便。近中期工業(yè)化路徑有：直接太陽(yáng)能驅動(dòng)熱化學(xué)分解水和生物質(zhì)制氫。中遠期工業(yè)化路徑有：直接太陽(yáng)能光化學(xué)與光生物分解水制氫。

二是常溫常壓下的儲氫技術(shù)，利用現有的石化燃料基礎設施，實(shí)現富氫溶液的運輸、存儲、銷(xiāo)售、添加，另外還涉及市場(chǎng)化機制建設。

常溫常壓儲氫是正在突破的技術(shù)之一，其中有機液態(tài)的化學(xué)溶液，特別值得關(guān)注。氫和有機溶液發(fā)生化學(xué)反應，其溶液本身是不自燃的，常溫常壓下就可以?xún)Υ?，通過(guò)現有的石油化工基礎設施，如油罐車(chē)、管道就可以運輸，然后利用氫能燃料電池可以在發(fā)電的同時(shí)放出熱能，這個(gè)過(guò)程是個(gè)零污染、零碳排放的可再生綠色循環(huán)。

三是電堆，即氫燃料電池，高轉化效率、長(cháng)循環(huán)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(lǐng)域。

這些技術(shù)革命實(shí)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(guò)傳統的發(fā)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(guò)逆變發(fā)電，既可以接入電網(wǎng)并網(wǎng)運行也可以離網(wǎng)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(dòng)冷熱電聯(lián)動(dòng)，氫燃料電池供電可以實(shí)現多能協(xié)同轉化、近零碳排放。另外，以水為載體可以直接實(shí)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(jìn)一步市場(chǎng)化，初始階段無(wú)論是制氫、運氫，都需要市場(chǎng)化的運行和管理。氫能的存儲，電網(wǎng)、可再生能源交互，可以實(shí)現系統的并網(wǎng)或者離網(wǎng)運行，是一個(gè)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(chǎng)化等重大的挑戰。

目前主要面臨的科學(xué)問(wèn)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(chǎng)的設計和博弈分析同樣重要，合理的市場(chǎng)設計與建設，這些將為含氫能的新結構能源供需系統帶來(lái)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(jīng)開(kāi)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(xié)調、氫能+電網(wǎng)的供應鏈優(yōu)化等方面。

基于以上原理，2020年8月底，我們在西安交通大學(xué)創(chuàng )新港校區建成了首個(gè)氫能零碳智慧能源系統實(shí)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(shí)驗室環(huán)境中實(shí)現了完全離網(wǎng)供能運行，全負荷運行4.5小時(shí)，常規負荷下可以維持7-8小時(shí)。目前正在陜西榆林市科創(chuàng )新城建設首個(gè)氫能零碳智慧園區，為2022年陜西省運動(dòng)會(huì )的10萬(wàn)平米運動(dòng)員村公寓和酒店零碳供能，預計2022年春季投入實(shí)際使用。

四、能源電力系統綠色轉型勢在必行

氫能的產(chǎn)業(yè)鏈延伸事關(guān)氫能的社會(huì )綠色能源開(kāi)發(fā)、高效的轉化利用，實(shí)現能源、經(jīng)濟、生態(tài)一體化高效發(fā)展。

綜合而言，能源電力系統綠色化并實(shí)現供需整體優(yōu)化控制與決策勢在必行。氫能制備和儲運的新技術(shù)，為實(shí)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?；跉淠艽笠幠＠玫姆植际搅闾贾腔勰茉聪到y，將可能深度改變能源構成，以綠色、分布、市場(chǎng)為標志的能源革命即將到來(lái)。

（內容根據第十七屆中國分布式能源國際論壇發(fā)言整理，整理人：張磊）

來(lái)源|中國能源網(wǎng)