氫能分布式能源系統的發展前景淺述
來源： 氫能源網 2021-02-02
當我們談及分布式能源這個概念時大家可能會覺得有些陌生，但是如果說到工廠的動力部門和暖氣，大家可能會覺得很熟悉。在中國，很早就有以分布式形式存在的能源供應，但是由于其一般供應對象和形式較為單一，且主要面向工廠及廠區住宅而不是所有人，大家可能會覺得陌生。但是近年來，隨著能源技術的發展，供能形式的增多，分布式能源逐漸滲透進我們的生活。不論是在居民家中使用的燃氣地暖，還是許多住宅屋頂安裝的光伏發電板，都是新興形式的分布式能源。將分布式的供能規模增大一些，面向多戶家庭或者一整個社區，那么就可以建一個小型的分布式電站。電站在發電的過程中一般還會產生熱量，因此這種供能又可以是熱電聯用的。但是目前分布式能源中，主要是利用市政管道中的天然氣作為燃料來源，以火力的形式發電，并且主要目的是供熱。
對分布式能源的需求已經出現
2020年底，極端寒潮席卷中國大地，全國多地采取限電措施，而各大工廠對柴油發電機的“瘋搶”成為一時浪潮。雖然國家發改委點出了三大原因，即工業生產快速恢復拉動用電增長、極寒天氣致用電負荷增加、外受電能力有限和機組故障增加了電力保供困難，但是更為深層次的原因在于我國供能方式較為單一，且多為集中式供能。當集中供電達到能力上限，或者出現單一發電燃料的短缺，各區域很難根據本地需求迅速響應，并通過其他燃料供應電力。集中式能源弊端的暴露，意味著我們對分布式能源的需求比我們想象的要緊迫。
分布式能源有著多種優勢
在談及分布式能源的優勢之前，我們需要思考這樣一個問題：什么決定了電力的根本結構? 決定電力結構的因素有許多，但是其中最為重要的是用電需求在空間與時間的不均勻分布，決定了電力系統的根本結構。對于中國來說，在較為發達的地區，會配有發電量較大的集中式電站。隨著該地區的人口數量的增加，發電站的數量與規模會不斷地增加。就意味著將來我們的電力需求會越來越多，電網需要覆蓋的面積和規模也不斷擴大。這些變化將會對能源的供應成本和質量都產生巨大的影響。簡單來說，當電網規模增大到某種程度時，集中式能源供應的線路損耗、災難容納和需求波動等電網安全問題則日益凸顯。
分布式能源的存在，剛好可以彌補集中式能源的諸多不足。首先它接近需求端，線路損耗非常小。其次，由于其裝機規模一般是滿足從一個家庭到一個社區或者幾個社區的大小。當能源需求產生波動時，這種較小的裝機容量可以快速且較好的響應這種波動。最后是出現災難或者意外事故時，一方面分布式能源可以各自為孤島進行供能，互不影響；另一方面單個分布式能源的波及范圍較小，保證了整體電網的安全。
氫能發電系統是分布式能源的優勢選項之一
燃料電池就其技術特征而言本身是一個不經過燃燒而通過電化學反應將氫能轉換為電能的裝置，氫電轉換效率可達約60%。整個轉換過程中沒有運動部件，因此不會產生噪聲。且其工作溫度一般在80~90℃，對熱管理系統要求也不會很高。如果充分利用生成熱，也可滿足居民日常供暖或用熱水的需求。在燃料來源方面，類似于電能，氫氣也是一種非天然存在的能量載體，其來源除了眾所周知的電解水制氫，還可以來源于化石燃料重整制氫、工業副產氫等。即使是電解水制氫，用以電解的電能也可以是清潔的風能、光能或水能等。因此氫氣來源可以擺脫對煤炭或者汽油、柴油等化石燃料的依賴，并且受地域資源稟賦的限制較小。
就目前的技術條件而言，燃料電池與電解槽就像一對孿生兄弟。既可以利用燃料電池將氫能轉化為電能，又可以利用電解槽將電能轉化為氫能。如果將燃料電池與電解槽組成一個系統，則可以使得該系統既可以發電，又可以儲能。那么這將是一個完備的、規模可根據設計而定的發電與儲能系統。
該系統既可以建立在廠區、孤島等對電力需求較大的區域，輔以風力或者光伏發電。則可以在白天或者風力較強時，很好的將多余的電能儲存起來，等到出現需求缺口的時候通過燃料電池發電來滿足供電的需求。也可以建在居民社區，在夜間用電波谷的低電價時期將電網的電轉化為氫氣儲存。在白天用電高峰時又發電來彌補需求，同時產生的熱還可以為社區供暖。
另一方面，隨著燃料電池汽車的發展，使得氫能作為廣泛的分布式能源方式變得越來越有可能。燃料電池汽車本身就是一個完整的可以穩定且獨立運行的氫能發電系統。日本也已率先提出利用燃料電池車為一所住宅提供電力的概念。一般而言，一輛全功率的燃料電池車發電功率超過100 kW，這對于滿足中國大多數普通家庭的日常用電需求已經綽綽有余。又由于汽車本身的機動性，能量以氫氣為載體儲存在汽車的高壓儲氣瓶里，可以使能量的利用在時間與空間上有更為自由的空間。既可以快速的響應即時的能量需求，又可以穩定的保證自身發電性能的穩定。
氫能行業的最新動態暗含氫能分布式能源系統的發展機會
根據研究機構調查，現在已經頒布國家氫能戰略的國家超過9個，制定中的11個，支持示范的14個，討論中的17個。在這些國家中，對于分布式能源目前的市場，其年負荷增長率達到了33%；而對于2030年及2050年整個市場規模的預計，在20G瓦到將近100G瓦左右，目前短期內的增長是20倍到40倍。歐洲2021年的目標，計劃在2021年安裝超過25000個，2040年250萬個，即花20年時間，平均每年安裝了達到25萬套，用氫氣替代天然氣；2030年，建筑的天然氣用量將有7%被氫氣取代，分別解決250萬或1100萬的供熱需求。氫氣作為能源而非化工制品的前景已較為清晰，氫能分布式能源系統的發展機會將要到來。
2020年9月，財政部、工業和信息化部、科技部、國家發展改革委和國家能源局五部門聯合發布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，明確指出要用4年時間逐步實現燃料電池汽車關鍵核心技術突破，聚焦技術創新，找準應用場景，構建完整的燃料電池汽車產業鏈，進一步推進燃料電池汽車規模化產業化發展。目前，示范城市群結果已出，北京、上海、廣州、鄭州和張家口作為示范城市群的牽頭城市，將引領燃料電池車產業的快速發展。
總結
縱覽時代背景、政策現狀、行業動態和技術特征，一方面是分布式能源，尤其是氫能分布式能源系統在全球范圍內穩步發展。另一方面，國內的政策、行業、技術多方面因素在推進燃料電池車的規模化和產業化。筆者認為，在接下來的十年內，氫能分布式能源系統與燃料電池車終將發生一定程度的重疊與融合。分布式能源的形式比我們想象的要靈活，而我們對燃料電池車的認識也將不再僅僅是將其作為一種交通工具。在經歷多年發展以后，我們或許會生活在由集中式和分布式的氫能與電能共同保障能源供應的世界中（如下圖所示）。
補充資料
分布式能源系統是指按用戶的需求就地生產并供應能量，直接面向用戶，具有多種功能，可獨立運行，也可并網運行，能夠滿足多重目標的中小型能源轉換利用系統。作為新一代功能方式，主要有四個特征：（1）直接面向用戶需求，布置在用戶附近，減少能量輸送成本。（2）相對于傳統的集中式供能系統，均為中、小容量，靈活節約。（3）多功能趨勢，既包含多種能源輸入，又可同時滿足用戶的多種能量需求。（4）可供選擇技術也日益增多，如與燃料電池的結合，經過系統優化和整合，實現多個功能目標。分布式能源系統的核心及重要組成部分是分布式冷熱電聯供系統，其種類繁多，可與風能、太陽能、生物質能相結合。按熱機類型分類，主要有燃氣輪機、內燃機、汽輪機、斯特林發動機，以及燃料電池等分布式冷熱電聯供。其中，氫氧燃料電池熱電聯供發電系統，如果算上產熱，系統效率可以達到70~80%，且反應產物只有水，是目前最潔凈的分布式能源系統之一。
