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“双碳”目标驱动下绿氢系统集成与多能耦合技术研究进展

朱红梅 ,  杨向东 ,  朱法厅 ,  乔洪虎 ,  黄少杰 ,  吴桂良

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (1) : 6 -10.

PDF (1854KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (1) : 6-10. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.002
专论与评述(“绿色低碳转型”专题——氢能)

“双碳”目标驱动下绿氢系统集成与多能耦合技术研究进展

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Research progress on green hydrogen system integration and multi-energy coupling technologies driven by dual carbon goals

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摘要

在全球积极推进碳中和战略的背景下,绿氢作为深度脱碳的关键载体,其系统集成技术正成为氢能产业链的核心突破口。系统综述了绿氢系统集成技术的最新进展,重点分析了电解制氢动态响应控制、电解制氢系统的波动适应性等关键技术,探讨了绿氢制储用一体化系统设计及多能流协同优化方案等。同时指出了当前在设备兼容性和经济性等方面面临的挑战,并对未来发展方向进行了展望。

Abstract

Against the backdrop of global efforts to advance carbon neutrality strategies,green hydrogen has emerged as a critical vector for deep decarbonization,with its system integration technologies becoming a pivotal breakthrough point in the hydrogen industry chain.This paper reviews the latest advancements in green hydrogen system integration technologies,with a focus on key technical aspects such as dynamic response control in electrolytic hydrogen production and the fluctuation adaptability of electrolysis systems.It further explores integrated system designs for hydrogen production,storage,and utilization,as well as multi-energy flow collaborative optimization solutions.Additionally,the study highlights current challenges in equipment compatibility and economic viability while providing insights into future development directions.

Graphical abstract

关键词

绿氢 / 多能流协同 / 制氢技术 / 系统集成

Key words

green hydrogen / multi-energy coordination / hydrogen production technology / system integration

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朱红梅,杨向东,朱法厅,乔洪虎,黄少杰,吴桂良. “双碳”目标驱动下绿氢系统集成与多能耦合技术研究进展[J]. , 2026, 46(1): 6-10 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.01.002

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在全球能源结构深度转型背景下,绿氢系统集成技术作为连接可再生能源与终端应用的关键纽带,正成为推动氢能产业商业化的重要突破口[1-4]。根据国际可再生能源机构(IRENA)预测,到2030年系统集成技术的突破将降低绿氢综合成本30%以上,显著提升市场竞争力。当前,绿氢系统集成领域正呈现三大发展趋势:一是可再生能源与电解制氢的协同控制技术不断优化,二是制储用一体化系统设计日趋成熟,三是多能流协同管理效率持续提升。这些技术进步正在重塑绿氢产业链的发展格局。
在技术实践层面,智能功率分配算法已实现电解槽在10%~110%负荷范围内的稳定运行,离网型制氢系统的能源利用率提升至75%以上。同时,电-氢-热多能互补系统的能效优化方案在多个示范项目中得到验证,现场制氢加氢站的集成化设计也取得突破性进展。然而,系统兼容性差、运行维护成本高、标准体系不完善等问题仍制约着技术的规模化应用。
本文聚焦绿氢系统集成领域的关键技术突破,重点探讨了动态响应控制、多能流协同优化等核心问题,并对现有技术路线进行系统评估。通过分析国内外典型项目案例,揭示当前技术瓶颈并提出解决方案,旨在为绿氢系统集成技术产业化发展提供理论支撑和实践指导。随着人工智能、数字孪生等新技术引入,绿氢系统集成正迎来新的发展机遇,将为全球能源转型注入强劲动力。

1 可再生能源电解制氢优化

1.1 电解制氢系统的动态响应特性与挑战

可再生能源发电具有显著的间歇性和波动性特征,这给电解制氢系统带来了独特的技术挑战[5-6]。当输入功率快速变化时,电解槽内会产生复杂的电化学响应过程。电极表面的反应动力学过程会因电流密度变化而发生改变,导致活化过电位显著增加。同时,电解液中的离子浓度分布也会因功率波动而失衡,产生额外的极化损失。
这些动态响应特性直接影响系统运行效率和设备寿命。在频繁变载工况下,电解槽内气泡析出行为变得不稳定,容易在电极表面形成气膜阻碍反应进行。此外,温度场非均匀分布会引发材料热应力问题,加速组件老化。这些因素共同制约着可再生能源与电解制氢系统高效耦合,是当前亟需解决的关键技术难题。

1.2 系统优化技术路径与创新方向

为提升电解制氢系统波动适应性,现代优化技术形成了多层次解决方案。在材料层面,新型电极和隔膜材料开发显著改善了系统的动态响应特性[7-8]。例如,三维多孔电极结构可以增强传质效果,而超薄质子交换膜(PEM)能降低离子传输阻力。这些材料创新为系统性能提升奠定了物理基础。此外,宋洁等[9]创新性地构建了可再生能源制氢系统的动态响应模型,重点研究了光伏功率波动对电解槽阵列运行稳定性的影响问题。基于电化学工程原理,开发了多电解槽协同运行的数值仿真平台(图1),通过引入功率阶跃扰动来模拟实际光伏出力波动场景。研究提出了模块化电解槽集群的智能调度策略,在输入功率下降时可自动调整运行单元数量,维持系统在最佳工况区间。实验数据表明,该方法使制氢系统能耗维持在行业领先水平,与大型示范项目实测结果的吻合度高达99.9%,为规模化可再生能源制氢工程提供了可靠的运行优化方案。
在系统控制层面,先进的控制算法和能量管理策略发挥着关键作用。基于模型预测的控制方法能够提前预判功率波动趋势,实现运行参数的优化调节。同时,智能化的储能缓冲设计可以有效平抑输入功率波动,为电解过程创造更稳定的工作条件。这些技术创新正在推动可再生能源制氢系统向着更高效率、更长寿命方向发展。

2 制氢技术的融合应用

绿氢产业的快速发展对电解水技术提出了更高要求,传统碱性电解槽(ALK)和新兴阴离子交换膜电解槽(AEM)均存在技术短板。ALK虽具备规模化和低成本优势,但其动态响应能力不足;AEM在效率和波动适应性方面表现优异,却受限于材料耐久性。通过二者的优势互补,构建融合技术体系,有望突破现有技术瓶颈。
在材料创新方面,研究重点聚焦于复合膜电极开发。通过将ALK成熟的非贵金属催化剂体系与AEM的高效离子传导材料相结合,可显著提升电极的综合性能。例如,以ALK多孔隔膜为支撑基底,复合AEM功能聚合物涂层的新型膜材料,既保持了机械稳定性,又优化了离子传输路径[10]。此外,碱性水电解(ALK)作为最成熟的制氢技术,其电解槽由多个电解小室组成,每个小室包含隔膜、电极、双极板和端板等关键部件。研究表明,现有工业采用凹凸结构的双极板流道存在电解液分布不均、电流密度低等问题,导致能耗增加。通过流道结构优化,如采用膨胀网结构可使电解小室电流密度提升至 3 330 A/m2,同时电解液流速提高至0.507 m/s,显著降低过电位和能耗,这一发现为复合电解槽结构设计提供了重要参考[11]。系统集成方面,充分发挥ALK的规模化优势与AEM的动态响应特性,构建混合电解系统。实验数据表明,这种协同设计可使系统在波动工况下综合效率提升超过10个百分点。
工艺优化层面,重点突破标准化接口技术,实现不同技术模块的无缝衔接。通过统一系统架构设计,开发模块化混合电解平台,有效降低系统复杂度和集成成本。同时,智能控制系统的发展为混合运行提供了技术保障,通过实时优化运行参数,确保系统始终处于最佳工作状态。
这一技术融合不仅有望显著降低制氢成本,更将推动电解水技术向智能化、柔性化方向发展。当前仍需重点攻克界面稳定性和系统协调控制等关键技术难题。随着全球主要经济体加大对绿氢技术的投入,ALK-AEM协同创新将成为推动产业升级的重要突破口。

3 制储运一体化系统

3.1 一体化系统架构设计与技术特点

制储用一体化系统通过创新系统架构设计,实现了氢能生产、储存和应用环节的高度集成[12-14],这种设计理念突破了传统氢能系统各环节分离的局限,构建了更加紧凑和高效的能量转换链条。在系统设计上,采用模块化布局将电解制氢单元、氢气纯化装置、压缩存储系统和终端应用设备有机整合,形成完整的能量流动闭环。这种集成化设计不仅大幅提升了能源转换效率,还显著优化了系统的空间利用率。
一体化系统突出技术特点体现在其灵活的运行模式上,系统可以根据可再生能源供给情况和终端用能需求,智能调整制氢负荷和储氢策略。例如,在风光资源充足时优先制氢并储存,在需求高峰时段则直接使用储存的氢气发电或供热。这种灵活的运行特性使一体化系统特别适合分布式能源场景,为偏远地区或离网应用提供了可靠的能源解决方案。

3.2 关键技术创新与系统性能提升

制储用一体化系统的性能提升主要依赖于多形态储氢和智能控制两大技术突破。在材料科学领域,新型储氢材料研发取得重要进展。金属有机框架材料(MOFs)和复杂氢化物等新型储氢介质展现出优异的吸附性能和循环稳定性,如研究表明,通过分子结构设计在环状烯烃中引入杂原子可显著改善材料的加氢/脱氢动力学性能。其中,氮原子的引入对脱氢性能提升尤为显著,以N-乙基咔唑为例,其体积储氢密度和质量储氢密度分别达到55 g/L和5.8 wt%。这种性能提升主要源于:(1)氮原子的孤对电子与金属活性位点形成配位作用,降低了脱氢能垒;(2)分子极性的改变促进了氢原子的解离吸附;(3)环状结构的刚性骨架有利于维持材料在循环过程中的结构稳定性。图2展示了该材料的储氢/放氢反应过程[15],可见氮原子的引入不仅提高了储氢容量,还改善了反应可逆性,这种分子设计策略为开发高性能液态有机储氢材料提供了新思路。
在智能控制技术方面,数字孪生和人工智能算法的应用实现了系统性能飞跃。通过构建高精度数字孪生模型,系统可以实时模拟和预测各环节的运行状态,提前发现潜在问题并优化运行策略。深度学习算法则能够从海量运行数据中挖掘最优控制规律,不断提升系统的自动化水平和运行效率。这些技术创新相互促进、协同发展,共同推动着制储用一体化系统向着更智能、更可靠的方向不断进步。
该领域的技术突破主要体现在材料科学和智能控制两个维度。在材料方面,新型复合储氢材料的研发不断取得进展,在保证安全性的同时显著提升了储氢密度和循环寿命。如德国莱布尼茨催化研究所Beller团队的最新研究[16]为这一领域提供了重要参考,其研究团队通过构建非均相催化体系,利用化学储氢技术(图3)深入分析了基于甲酸、氮杂环化合物等不同载体的可逆储放氢反应路径。研究特别关注了催化剂活性位点设计与载体优化的关键作用,揭示了非均相催化材料在提升储氢密度和循环稳定性方面的独特优势。通过对现有化学储氢体系的系统评估,该研究为开发新一代高容量、低能耗的储氢技术提供了重要理论指导,对推动氢能存储技术的实际应用具有重要价值。
智能控制技术的突破则更为关键,先进的控制算法和数字孪生技术的应用,使系统能够实时感知运行状态并做出最优决策[15-16]。随着5G通信、人工智能等新技术赋能,制储用一体化系统正朝着更智能、更高效的方向快速发展,为构建未来氢能社会奠定坚实基础。

4 多能流协同与智慧能源管理

4.1 多能流协同系统的技术架构与运行特性

多能流协同系统的核心技术在于构建电-氢-热多能源耦合智能化管理平台。如表1所示,该系统采用分层架构设计,通过物联网感知层实时采集各能源节点的运行数据,包括可再生能源发电功率、电解槽运行状态、储氢系统容量等多维度信息。这些数据经过边缘计算节点预处理后,传输至云端数字孪生平台进行建模分析,形成对系统整体运行状态的精准画像。
在实际运行中,多能流系统展现出独特的动态响应特性。当可再生能源发电波动时,系统能够通过智能算法快速调整电解制氢负荷,同时优化储氢系统和热力网络的运行参数。这种多能互补的运行模式不仅提高了能源利用效率,还显著增强了系统应对不确定性的能力[17]。德国EnergyLab 2.0项目的实践表明,通过优化控制算法和能源路由策略,系统可以实现风光发电的高比例消纳。

4.2 智慧能源管理的创新方向与发展趋势

绿氢产业智慧能源管理技术正在向智能化、数字化方向快速发展,为产业升级提供关键支撑。在智能化控制方面,新一代管理系统深度融合深度强化学习算法与迁移学习技术,构建了具有自主进化能力的控制架构。以电解制氢系统为例,这些智能算法能够实时分析风光发电波动特性,动态调整电解槽运行参数[18],在保障设备安全的前提下将可再生能源消纳率提升至95%以上。
另一个重要发展方向是数字孪生技术的深化应用[19]。通过构建包含物理实体全要素的虚拟模型,系统可以实现从设备级到系统级的全方位可视化管控。同时,随着电力市场机制的不断完善,氢能系统作为灵活性资源参与市场交易的模式也日趋成熟。澳大利亚氢能枢纽项目创新性地将氢能生产与电力市场交易相结合,通过价格信号引导优化运行策略,实现了显著的经济收益。这些技术创新正在推动智慧能源管理系统向更智能、更高效方向发展。

5 化工过程强化与系统优化

5.1 电解反应工程优化与催化剂设计

当前绿氢系统的反应器设计正在经历革命性变革,主要体现在三个维度:首先是反应器结构的创新设计,除了微通道反应器外,新型多孔介质反应器和膜反应器也逐渐崭露头角,这些设计通过优化流场分布和相界面接触,显著改善了反应动力学条件。其次是催化材料的突破,包括非贵金属催化剂、单原子催化剂等新型材料的开发,不仅降低了成本,还提升了催化活性和稳定性。第三是反应工程的优化,通过耦合光、电、热等多物理场,实现了反应条件的精准调控。这些技术进步正在推动电解制氢从传统的批式操作向连续化、智能化生产转变,为大规模商业化应用奠定了坚实基础。

5.2 过程耦合与能量集成

系统能效的提升需要从多个层面进行协同创新:在能量管理方面,除了废热回收外,新型的热电联供系统和智能温控策略正在被广泛应用,实现了能量的梯级利用和精准分配。在系统控制方面,数字孪生技术与人工智能算法的结合,使得系统能够实现自学习、自优化的智能运行。在设备集成方面,模块化设计理念的引入大大提升了系统的灵活性和可扩展性。特别值得注意的是,随着新材料、新工艺不断涌现,系统能量转换效率和运行稳定性持续改善,为绿氢经济性提升提供了有力支撑。这些集成创新不仅解决了当前面临的技术瓶颈,也为未来智慧能源系统的构建提供了重要参考。

6 产业化瓶颈与前沿技术突破

6.1 产业化发展面临的主要瓶颈

首先,经济性问题是制约产业发展的首要瓶颈。目前绿氢生产成本仍比传统化石能源制氢高出40%~60%,这主要受制于三个关键因素:一是电解槽等核心设备依赖贵金属催化剂和特种材料,设备投资成本居高不下;二是可再生能源发电受地域和季节影响显著,电力成本波动较大;三是氢气储运环节需要高压或低温条件,导致额外能耗和设备投入。即便在风光资源丰富的地区,绿氢的平准化成本(LCOH)仍难以与传统制氢方式竞争。
其次,产业链各环节发展不协调问题突出。虽然碱性电解和PEM电解技术已进入商业化阶段,但储运环节的技术成熟度明显滞后。在储存方面,高压气态储氢的能量密度有限,液态储氢的能耗过高,而新型固态储氢材料尚处于实验室阶段。在运输环节,长距离管道输氢网络建设缓慢,现有基础设施难以满足大规模发展需求。这种“头重脚轻”的产业链结构严重制约了绿氢的市场拓展。
第三,标准体系缺失制约了全球化发展。目前各国在绿氢认证、碳足迹核算方法等方面存在明显差异,欧盟、美国、日本等主要经济体采用不同的标准体系。在安全规范方面,氢气储存压力等级、加注协议等技术标准尚未统一,增加了国际贸易壁垒。
最后,政策环境的不确定性也影响着产业发展。许多国家补贴政策缺乏连续性,基础设施建设审批流程复杂,跨部门协调机制不健全。特别是在绿电-绿氢协同发展、氢能多元化应用等关键领域,缺乏系统性的政策引导。这些问题共同构成了绿氢产业化道路上必须克服的障碍。

6.2 前沿技术突破与发展趋势

为突破产业化瓶颈,绿氢领域的技术创新正在多个维度取得重要进展。在材料科学方面,新型非贵金属催化剂的研发取得突破性进展,通过纳米结构设计和电子态调控,显著提升了催化活性和稳定性[20-22]。装备制造技术正朝着智能化方向发展,先进制造工艺的应用大幅提升了生产效率和产品一致性。在加注设备方面,随着材料科学的进步与制造工艺的提升,新型加氢机正朝着更高压力、更大流量、更长寿命的方向发展,通过集成智能传感器与算法实现了氢气状态的精准监测与预测性维护,同时采用防爆设计、紧急切断系统等多重安全防护措施确保操作安全[23-24]。如图4所示,王江涛[25]提出的反向监测氢气纯度控制策略创新性地实现了对加氢站氢气纯度的即时监控,为安全高效运营提供了技术保障。
系统集成技术不断创新,多能互补系统的优化设计显著提升了整体能源利用效率。数字技术的深度融合为氢能系统提供了智能化管理工具,实现了从生产到应用的全程优化。特别值得关注的是,电解制氢技术正在向高效率、长寿命方向发展,储氢技术则在提高安全性和经济性方面取得突破。这些技术进步正在重塑绿氢产业的发展路径,预计在未来几年将形成更完善的商业化技术体系。随着创新生态的完善和产业规模的扩大,绿氢产业将迎来快速发展期,为全球能源转型提供重要支撑。

7 结论

当前,绿氢产业已初步构建起涵盖制备、储运、应用等环节的完整技术体系,各关键技术持续取得突破性进展。电解水制氢技术路线日益多元化,储运技术方案逐步成熟,终端应用场景不断拓展,为产业规模化发展奠定了坚实基础。
然而,产业发展仍面临诸多挑战。经济性问题成为制约商业化应用的首要瓶颈,关键技术成熟度不均衡导致产业链协同发展受阻,标准体系缺失影响产业规范化进程。这些因素共同构成了当前绿氢产业化发展的主要障碍。
未来绿氢产业将呈现三大发展趋势:技术创新将向材料研发、系统集成等深层次推进;产业形态将向集群化、规模化方向演进;政策环境将更加注重市场机制建设。随着技术进步和产业生态完善,绿氢有望在能源转型中发挥更加重要的作用,为碳中和目标实现提供关键支撑。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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