光伏发电与氢能耦合助力实现“双碳”目标

光伏发电与氢能耦合助力实现“双碳”目标

刘训道，李加杰，刘洋

济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022

【文章摘要】： “双碳”目标的提出必将推动了我国能源产业结构进一步优化调整，将光伏与氢能耦合将是助力实现“双碳”目标的有力保障。本文从光伏-氢能体系出发，讨论目前光伏与氢能耦合过程中存在的问题。

【关键词】：双碳，能源，光伏，氢能

引言

　中央经济工作会议明确了碳达峰、碳中和“双碳”目标，是中国高质量发展、生态文明建设和生态环境综合治理的内在需求。“双碳”目标提出就要求能源利用过程中实现二氧化碳的“零排放”或者让二氧化碳排放量“收支相抵”。基于以上理论，太阳能作为一种取之不尽的无污染的新能源这些年来越发受到全球各国的重视，太阳能作为一种可再生能源越来越引起人们的关注，我国太阳能资源丰富，全国 2/3 以上的面积太阳能年日照小时数大于 2000 小时。而大多数太阳能资源丰富的地区都位于偏远，无电网的地区。受限于气候、地里位置以及发电电压波动等因素的影响，光伏发电并入电网进行长距离运输在这些地区，太阳能发电的储存、运输就成了限制应用的具体应用中仍然面临着很大的问题，如何解决储存及运输就变得极为重要。

1光伏发电与氢能耦合

氢能是一种热值高、用途广泛、来源丰富、清洁无污染的能源方式，是实现“双碳”目标的重要路径。但是氢的主要来源为电解制氢，电力的来源主要以煤、石油及天然气为原料来获取，这样就会导致氢的成本较高。如果将光伏发电就地通过制取氢气是当今制取氢气是主要的方法。我国的太阳能资源也比较丰富，太阳能取之不尽，利用光电制氢的方法。即太阳能光伏发电，电解水制氢（“绿氢”）的发展体系，有其良好的发展前景。传统的太阳能光伏发电系统都用的是蓄电池，蓄电池具有：效率高、能量密度低、自放电效率高、不宜长期储存等特点；而氢能具有：能量密度高、易长期储存、无泄漏等优点、但电解氢装置和燃料电池效率较低。因此，氢能和蓄电池共同作用，有利于效率的提高和经济性要求。目前太阳能发电存在着内在间歇性和不稳定性问题。此外，由于电力供给在孤岛及偏僻地区都需要有完备的电网设施，而水电解不论规模大小，在任何地方都可方便的制取氢气，并且还没有除了氧气以外的副产品以及排水与噪声问题，具有维护容易等优点因此，因此，将光伏与氢能进行耦合可以有效解决目前太阳能发电的储存及运输存在的问题。将分布式光伏发电、制氢、储氢、加氢各个环节耦合一起，通过建设氢能综合智慧园区等示范项目，采用分布式光伏发电为氢能示范园中的电解水制氢设备提供绿色电力，为打造氢能产业常态化运行、可复制式推广的光伏-氢能-耦合商业模式奠定坚实基础。

2氢能发展瓶颈

将光伏发电与氢能耦合后，能源以“绿氢”形式储存起来，氢能通过运输送到用户端，通过燃料电池将其进行能源转化再次转化为电能被利用。燃料电池是将所供氢燃料直接变换为电能，中间不需要热机转化，发电效率高，转化过程中不消耗碳，唯一的产物是水，是一种高效清洁的能源转化方式，为“双碳”目标的实现提供有力的保障。2021年氢能已经纳入到我国能源体系，财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委和国家能源局五部委开始实施氢能源汽车示范应用。氢能汽车交通是继锂电池汽车以后的第二大新能源汽车交通产业，如何将绿氢并入到氢能能源体系是光伏发电-绿氢能源发展一个重大瓶颈。当下，氢能的主要难点在于储存和运输。氢能储存可分为高压气态储氢、低温液态储氢、固态储氢；运输主要是：管道运输和氢能罐车。氢能储存设备、专用运输车辆和管道建设，都是潜力非常大的产业，涉及到特种装备、管道、交通、建设等多个环节。加氢站是氢能产业链中非常重要的环节，未来很可能会替代当前的加油站和加气站，届时全国成千上万个加氢站，将推动汽车领域加速变革。目前氢能源的使用终端十分依赖加氢站，然而目前我国加氢站太少并且建设速度很低，我国氢能发展基础设施建设就显得严重不足，氢能资源利用率也相对较低。氢站建设的卡点堵点主要有两个，一个是加氢站建设手续复杂，另一个是加氢站用地按照商业用地对待，严重影响了氢能源产业的发展。加快制定和落实加氢站建设的相关政策，改变建设加氢站的商业用地性质为工业用地性质；简化加氢站建设的批准手续，简化建站审批手续，把多头管理、审批变为一个部门审批，为发电-绿氢的发展铺路架桥。

3健全光伏-氢能能源体系

当前，我国光伏-绿氢能源体系的科技研发还处于初级阶段，如何有效的开展光伏-绿氢工业体系仍然面临着许多的困难；例如，我国光伏-绿氢能源发展体系、标准体系仍然缺乏健全标准体系；光伏-绿氢能源缺乏相应的价格体系、合理的补贴激励机制；如何完善相应的碳交易市场，缩小和欧盟等主要发达国家的差距等都是急需解决的问题。同时，要优先考虑在光伏风电风资源丰富的化工、煤化工和钢铁冶炼区域开展产业集中示范，为全面大规模应用提供技术、管理、运营等诸多方面的基础。

目前光伏发电刚刚实现全面平价上网，但全面参与电力市场与煤电等传统能源公开竞争，还存在较大难度。我们必须清醒的认识到，随着电力体制改革的不断深入，光伏、风电等新能源形式必将逐步参与市场，这是大势所趋。如何成功的参与电力市场，这是“十四五”期间行业各方必须共同研究和破解的问题。

此外，我国光伏-氢能领域关键零部件等核心技术扔面临很大的挑战，进一步加强基础研究、应用研究和科技成果转化，依托科技创新提升产业核心竞争力是解决关键材料的“卡脖子”问题的关键。例如将企业国家重点实验室与高校重组，将高校出色的科技人才直接纳入到企业国家重点实验室，不但能解决企业高技术人才不足难题，也更有利于产出实实在在的科技成果。为此，尽快启动企业类重点实验室与相关高校重组，形成实力强大的新型国家重点实验室，使创新链和产业链相向延伸，面向国民经济主战场、面向国家重大需求、面向国际科技前沿、面向人民生命健康，多出成果、快出成果、出大成果，同时提升在运行保障、研发项目立项等方面的待遇，助力全面实现碳达峰碳中和目标，在更高水平上推动绿色可持续发展。

结语

2030年碳达峰与2060年碳中和大目标的提出，是对光伏和氢能行业的巨大鼓舞。为了达成这一目标，推动光伏-氢能耦合技术进步和产业升级，加大关键零部件制造技术的补短板力度，通过技术进步促进产业升级和成本的持续下降，持续推动光伏发电-氢能耦合的技术的进步，大大的降低全社会用能成本，助力 “双碳”目标实现。

参考文献：

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[2] 刘训道,郇宇,武卫兵. “十四五”规划背景下“电子材料与器件”课程教学的探讨[J]. 新教育时代电子杂志（学生版）, 2021(24):279.。

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[4] 刘训道,王丽,李虹,张永明. 燃料电池用阴离子交换膜的研究进展[J]. 有机氟工业,2018(2):33.。

基金项目: 山东省自然科学基金项目( ZR201807090466) ; 国家自然科学基金项目( 51803073)。

作者简介: 刘训道( 1986—) ，男，山东临沂人，讲师，博士学位，主要从事新能源材料的教学与研究。