1、氢气在电网中的作用
间歇性可再生能源发电对电网稳定性和供需平衡构成了重大挑战，而氢气可以在减轻这些影响方面发挥重要作用。 图 1 所示的方案由一个储氢单元组成，该储氢单元充当缓冲罐，将氢气供应到天然气网络的任意一端。 除此之外，从电力的角度来看，燃料电池工厂可以使用以前储存的氢气为电网提供可再生电力。 在可再生能源发电过剩的情况下，当无法将其送入电网时，电解槽厂可以生产氢气并将其储存起来以备后用。 同样，当电网的电力需求达到峰值时，储存的氢气可用于燃料电池工厂以平衡电网。 （一种典型情况，即您连接到电网，但不从电网获取电力）。
图1：将绿色氢能系统集成到智能能源系统中。 由于氢气，而不仅仅是电力，被纳入智能能源系统，因此使用智能能源系统一词代替智能电网二、碱性制氢装置典型工艺流程
下图 2 显示了典型工业碱性水电解 （AWE） 工厂的过程。 该装置由电解槽及周边配套部件组成，即：（1）供电系统; （2）卧式气液分离容器; （3）离心泵; （4）管壳式换热器; （5）可选混合方案; （6）中间储罐; （7）氢气提纯系统。 
图 2：以典型的碱性水电解槽为例，显示了工业规模的 AWE 电解槽的工艺流程图，该电解槽需要几百伏的直流电压和几千安培的直流电流，而交流纹波最小，以实现更高的电解槽效率。 对于更大规模的应用，为了降低电压，这些系统通常由变压器和大电流整流器组成，并结合滤波器将提供的交流电转换为直流电并改善电能质量。 AWE电解槽接收直流电流，通过水裂解反应将水转化为阴极室催化剂面的氢分子和阳极室催化剂表面的氧分子，如表1所示。
表1：碱性电解水的化学反应，电解液和产生的气液两相流离开电解槽，进入卧式气液分离容器，气体在重力作用下与电解液分离。 接下来，冷凝器将分离出的氢气冷却至达到**，以去除一些水分。 然后缓冲罐将氢气储存在中间，并以一定的时间间隔将其释放到净化系统中，以消除输出氢气中剩余的水分和氧气杂质。 因此，产生的氢气纯度非常高。 就阳极循环而言，产生的氧气通常经过与氢气相同的过程，但为了简化研究，就好像直接放电一样。
在卧式气液分离容器的底部，分离出的电解质溶液在离心泵的帮助下再循环回AWE电解槽。 在进入电解槽之前，管壳式换热器对电解液进行冷却，以平衡和控制电解槽的温度，使其处于理想的工作状态。 此外，为了保持阴极和阳极之间的氢氧化钾浓度相同，有必要在罐前偶尔混合电解液。 浓度可能因阳极室中的水量和阴极室中的消耗量而异。
对于完整的电解系统，热流、能量流、质量流和工厂过程的动态建模如图 3 所示。 每个组件都有自己的系统块。 这些系统模块使用 MATLAB 面向对象编程进行求解，并在 MATLAB Simulink 中相互连接。 每个 MATLAB 系统模块接收一定数量的数据信号作为输入，并生成一定数量的数据信号作为时间步长的输出。 这些数据信号包含氢气、氧气和电解质流动的基本热力学特性，并从一个单元操作传输到下一个单元操作。 在每个时间步内，提供给电池组的直流电流是整个过程的主要瞬态力。
图 3：MATLAB Simulink 图和过程模型正方形**3.碱性离网制氢
下图 4 所示的研究系统由太阳能光伏装置、陆上风电场、碱性水电解槽和电池储能系统 （BESS） 组成。 产生的氢气经过提纯，可以提供给最终用户。 在智能能源系统的框架中，如图1所示，氢气可以泵入燃气管网或储存。 在下面的分析中，假设剩余的电力生产被重定向到电网。 
图4：离网绿色制氢装置的配置。 太阳能光伏和风能产生的剩余电力被认为被重新定向到电网**，同时优化系统的组件容量和控制，以最大限度地降低氢气生产成本。 该电厂模拟基于2021年从芬兰东南部的装置收集的真实太阳能光伏和风能生产数据。 通过复制年度数据，模拟总时间为30年，时间步长分辨率为5分钟。 **包括电解槽、光伏电池和锂离子电池的降解。
图 5a 中的柱形图显示了每个组件的最佳容量。 每个组件的安装量是根据 2040 年估算的。 早些年的组件既不会导致太阳能光伏发电也不会使电池处于最佳系统配置，因此请使用 2040** 来演示系统在安装所有组件后的表现。 在优化系统中，固定的100MW标称碱性水电解槽的最佳太阳能光伏峰值功率为1254MW，标称风力为1217MW，BESS容量为419mwh。满负荷小时数（FLHS）是衡量某些机组或设备利用率的指标，定义为电解槽的最大年能量输出或消耗的能量除以其额定功率。 目前，制氢成本因地域而异，其经济潜力取决于化石燃料和电力等不断变化的因素**。 与蒸汽甲烷重整（含碳捕获）产生的氢气相比，电解水需要 3,000 至 6,000 flhs 才能具有成本竞争力。 图5b中的直方图显示，在模拟场景下，碱性电解槽的平均FLH为每年4304小时。 在这种情况下，太阳能光伏电站的FLHS明显低于风电站，这主要是由于芬兰冬季太阳能光伏发电量较低。
图 5：组件 （a） 和 （b） 在 30 年模拟期间的平均年满负荷小时 （FLH） 的最佳容量 尽管发电是间歇性的，但在这些条件下可以优化电解槽装置的制氢。 图 6 显示了 30 年仿真的 25 小时运行时间。 电池用于最大化和稳定提供给电解槽的电力，并在太阳能光伏和风能无法将电解槽维持在其最小负载（固定为其标称负载的 20%）时为电池充电。
图 6：摘自 25 小时的工厂 30 年模拟。 电解槽的时间步长分辨率为 5 分钟，电池利用系统中所有可用能量来提高产量。 在大约 2935 到 2936 小时之间，可以观察到电解槽处于最大负载，同时电池充电。 一旦电池在大约 2937 小时内充满电，就会产生多余的电量。
很明显，离网系统的制氢量在短时间内变化很大，完全取决于安装现场的气候条件。 然而，在更长的时间段内，可以更准确地估计总氢气产量。 图 7 显示了每个模拟年份的剩余产量和氢气产量的百分比。 由于电解槽的降解，前 13 年的制氢量逐渐减少，然后在第 14 年更换电解槽。 在第 27 年可以看到类似的行为（此周期取决于电解槽更换周期）。
图7：图示如下：蓝线（轴）：年剩余能源除以太阳能光伏和风力发电总量的百分比（左轴）。 红线（轴）：年制氢量（右轴） 太阳能光伏电池的衰减退化解释了30年内剩余产量的减少，因为光伏电池在模拟中没有更换。 另一方面，在第 2 11 年、第 13 个 24 年和第 25 个 30 年，盈余的逐渐增加是由于电池在运行过程中的退化，导致容量和功率的衰减。 在 11 世纪 13 世纪和 23 世纪 25 年，由于更换电池，盈余突然减少。
电解水与太阳能光伏风力发电直接结合制氢存在一定挑战，主要原因是可再生能源的间歇性电力输出。 根据初始电池温度，装置的升温可能持续长达 1 小时，直到装置达到其标称额定容量。 如果系统中安装电池，氢气生产可以稳定，但需要储氢以进一步提高稳定性并满足能源和工业等部门某些消费者的要求。
在由天然气和电网组成的智能能源系统中，消费者和生产者可以相互影响，实现互惠互利。 例如，在前面的模拟中，过剩发电量（约72%）可以传输到电网，供智能能源系统中的其他用户或外部储能运营商使用。同样，图3所示的氢气最终用户可以是天然气和电网，也可以是智能能源系统中的任何其他氢气用户。 
2024中国国际氢能与燃料电池产业展览会（简称：2024中国氢能展览会）。2024年3月26-28日（周二至周四） 北京 ·中国国际展览中心（朝阳馆）展商咨询：高先生同时举行2024中国国际清洁能源博览会（由两展联合举办，参展商和参展商共享资源，促进风能、太阳能、储氢协同发展）。展览规模
600+展商，1000+展品，50000+平方米，50000+专业观众，10+主题论坛，300+高层会议，5000演讲嘉宾，1代表，1氢燃料汽车试驾，1实地考察，200+**展，5000+新闻报道。