一、风光波动性电源制氢技术

风光等新能源发电的波动性是其固有属性，对当前国内外风光等波动性电源技术制氢所涉及的核心技术进行梳理，指出目前风光波动性电源技术所遇到的发展困境，为风光波动性电源电解水制氢技术提供重要铺垫。

（1）风力波动发电制氢技术

     近年来，我国风电的快速发展使电源结构发生了深刻变化，风力发电在全国12个省区成为第二大电源，截至 2021 年第 3 季度，部分省区风电装机占本地区总装机的比例如图1所示，其中内蒙古、甘肃的风电装机比例均超25%。

图1 部分地区风电装机占比

具有波动性的风电并网发电时，电网通过能源管理系统（Energy Management System，EMS）在广域范围内实现电网频率和电压的稳定控制，从而保证电解槽在额定电压下运行，风力波动发电制氢特点如图 2 所示。

图2 风力波动发电制氢特点

（2）光伏波动发电制氢技术

太阳能的间歇性和波动性是其固有特征，利用太阳能制氢可有效避免直接光伏发电并网对电网稳定性产生的不利影响。光伏电解系统主要分为直接聚光驱动电解的直接耦合技术、利用直流-直流（DC/DC）变换器的间接耦合技术以及光能-热能的综合电解技术，这些技术均可有效提高制氢效率。

光能-热能综合电解制氢是利用光能和来自太阳的直接热能实现电解，利用光伏电池的余热预热液态水，实现高温电解制氢，提高制氢效率，如图3所示。

图3 光能-热能综合电解技术

（3）风光互补波动发电制氢技术

风能和太阳能的间歇性和不稳定性是利用可再生能源大量发电的主要障碍，利用电能-热能-风光能-氢能的综合能源系统，完成能源的合理调配，并尝试利用风能和太阳能的周期互补和波动性来降低风光耦合波动性，如图4所示。

       图4 风光互补发电技术

构建综合能源系统，实现风光等波动性能源互补发电既要考虑不同能源互通互济的内部需求，还要考虑信息系统与能源网络间的耦合及信息系统规划建设的外部需求，需要充分利用智能电网的建设成果，智能化传输与分配电力，从而实现煤炭和风光等多种能源的协调利用，提升电网对可再生能源发电的消纳能力，促进多能源互补电力系统发展，将光伏/风电等可再生能源转化为氢能高效存储，促进“双碳”目标的实现。

二、电解水制氢技术

从电解水制氢技术原理、类型以及经济性角度介绍风光波动性电源电解水制氢技术，对比分析电解水制氢的技术经济性，讨论各技术发展前景，为后续高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术做好技术铺垫。

（1）电解水制氢技术原理

三种常见的电解水制氢技术：AWE、PEM、SPEC电解水技术如下面三个图所示。

图5 AWE电解水技术

图6 PEM电解水技术

图7  SOEC电解水技术

（2）电解水制氢技术经济性分析

从电解角度来讲，AWE 电解槽与 PEM 电解槽工作温度较低，电解需要的主要能量为电能，即通过电能将水分解为氢气和氧气，而 SOEC 电解槽电解时需要电能和高温热能。各种电解方式的电解效率、耗电、电极材料均有所不同，制氢的成本也不同。

以 AWE，PEM，SOEC 电解技术为基础，采用优质催化剂、阴阳极材料、交换膜材料等得到的新型电解技术可以提高电解效率以及运行稳定性，从而间接降低电解水成本。随着可再生能源电价的不断降低，新型电解水制氢技术相较于其他制氢方式甚至相较于化石能源都具有更强的经济竞争力。

（3）电解水制氢的发展困境

目前，制约电解水制氢发展的主要是成本问题和寿命问题。旧式电解水制氢技术无法实现波动性条件下电解池长寿命低成本运行，采用新型材料的电解技术优点突出，缺点是仍处于试验研发阶段，大规模应用效果未知。

只有功课设备长寿命运行过程中存在的如何有效协调波动电源电解制氢系统输入和输出，绿能制氢过程中如何调制电流将功率波动控制在合理范围，如何合理表征、验证或评价电堆及系统是否适应绿色能源网“生存”环境，如何提取波动和间歇功率输入条件下电解制氢的复杂工况特征等一系列技术难题，才可突破电解制氢的瓶颈。

三、高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术

在前文的基础上，从优化配置、过程控制稳定性出发，综合阐述高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术，以延寿控制管理为最终目标，为实现风-光-氢产业链的良性发展，提出波动性电源电解制氢的技术路线预想。高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术示意图如图8所示。

图8 高效稳定的风光波动性电源电解水制氢技术

（1）风光波动性电源电解水制氢的优化配置

风光电源的强不确定性及制氢系统受限于电压、温度、压力等多参数耦合控制的特性，使得风光电源与电解制氢容量较难实现合理优化配置，可从优化配置方法和设备选型2个方面展开分析。

本文提出应该首先研究电解制氢装置的动静态特性以及新能源波动性特征与电力电量平衡规律，在此基础上构建风光-荷-氢相协调的波动电源电解氢系统优化配置模型，应用启发式、人工智能等多种算法对模型进行求解，实现波动电源电解制氢系统自学习优化配置。

（2）风光波动性电源电解水制氢的运行过程控制

强纹波/波动功率输入下，缓慢变化过程（电解制氢系统）与快速响应需求（风光波动电源）之间的矛盾导致风光电源电解制氢系统长期处于非稳定运行状态。此外，风光波动电源的出力响应时间为秒级，而电解制氢系统由于多参数强控制使其响应时间为秒级、分钟级等多时间尺度，再加上制氢的需求具有强随机性，因此，有效协调控制好波动电源电解系统的制氢过程及确保制氢系统的安全稳定运行十分必要。

本文提出将波动性电源与随机性电解制氢需求相协调，研究一种波动电源电解制氢系统高效

稳定制氢的边端协同自适应控制策略，进而研究一种波动电源电解制氢系统的纹波、温度、压力等全参数趋优过程控制的全过程高可靠延寿控制策略，以实现风-光-氢产业链的良性发展。

（3）风光波动性电源电解水制氢的延寿控制

实现制氢系统长寿命运行的本质即研发长寿命电堆和长寿命电解制氢系统。长寿命电堆研发的关键技术包括宏微观适应电堆的结构、催化剂材料及催化机理、电极微纳结构及材料；长寿命电解制氢系统研发的关键技术包括优化配置方法以及延寿过程控制技术。

为实现长寿命电堆，需要研究电堆所承载的波动特征检测及融合方法，功率宽范围调节、电流纹波调制及阶跃快响应控制技术，构建复杂工况下基于状态估计的安全产出、耐久经济的多目标优先和多目标适应指标集以及电解制氢电堆及电源的规范化试验验证与理论评估体系，最终建立“优化配置→动态适应→过程可靠→主动延寿”的波动性电源制氢系统最优保障机制，以延长风光波动性电源制氢系统的寿命，实现电堆自适应波动输入，满足风光等新能源制氢系统高比例取用绿电功率、规范化运行的良性发展需求。

结论　

立足于实现高效稳定的风光波动性电源电解水制氢，在国家“碳达峰、碳中和”的能源战略下，综合全文可得出以下结论。