内容简介
氢能及其系统与石油、煤炭、风、光、水和核能等的耦合集成，是构建氢能经济或者社会的关键一环，其理论和实践意义突出。通过电-氢耦合集成，可以实现电能和氢能的相互转换，提高电力系统的灵活性和可靠性，从而实现能源的高效利用和电力系统的稳定运行，为构建新型电力系统和实现碳中和目标提供重要支持。为此，本书阐述了清洁电能电解水制氢、高压气态储氢、加氢和用氢的基本原理和特性，围绕氢能与其他能源耦合应用的场景，介绍了氢能及其系统耦合集成的基本原理、应用技术和方法等。
本书可为从事能源、电力、环境科学等领域的研究人员、工程师提供参考，也可为电气工程、能源动力工程专业的高年级本科生和研究生提供参考。
目录
目录
序一
序二
前言
第1章氢能与能源演变简史
1.1氢能发展历史概述
1.1.1氢能与生命起源
1.1.2氢能发展过程
1.2能源与社会形态
1.3能源系统的演进规律
1.3.1原始社会的能源
1.3.2能源与文明社会
1.4氢能：未来社会的能源
1.4.1后工业化时代能源发展的困境
1.4.2绿氢——破局的路径选择
1.5电-氢耦合的基本形态和挑战
1.5.1电-氢耦合的基本形态
1.5.2电-氢互动关键问题
第2章氢能来源
2.1概述
2.2天然氢
2.3化石燃料制氢
2.3.1煤制氢
2.3.2天然气制氢
2.4工业副产氢
2.5电解水制氢
2.5.1工作原理
2.5.2技术经济特性分析
2.5.3碳排放核算
2.6案例分析
2.6.1各类制氢技术成本对比
2.6.2不同场景下制氢平准化成本分析
2.6.3PEM电解水制氢机组全寿命周期经济性分析
参考文献
第3章氢能储-输系统及运行特性
3.1概述
3.2高压气态储氢
3.2.1储氢系统的结构
3.2.2储氢环节运行特性建模
3.2.3储氢环节技术经济特性
3.3高压气态输氢
3.3.1天然气掺氢系统的结构和物理性质
3.3.2掺氢管道压力特性建模
3.3.3掺氢管道衰减特性建模
3.3.4掺氢管道渗透特性建模
3.4氢高压加注
3.4.1加注设备
3.4.2加注技术
3.5高压气态储-输氢系统设计优化
3.5.1基本原理
3.5.2设计建模
3.6案例分析
参考文献
第4章用氢及其负荷特性
4.1概述
4.2工业用氢
4.2.1合成氨用氢
4.2.2合成甲醇用氢
4.2.3氢冶金
4.3交通用氢
4.3.1电-氢-交通耦合系统基本结构
4.3.2HFCV加氢负荷计算模型
4.3.3交通用氢负荷特性分析
4.3.4电-氢-交通耦合系统协同优化
4.3.5案例分析
4.4建筑用氢
4.4.1建筑氢能供能系统
4.4.2氢能建筑全寿命周期成本评估
4.4.3建筑氢能供能系统容量规划
4.4.4案例分析
4.5电力用氢
4.5.1电力用氢的典型场景
4.5.2电力用氢的潜力分析
第5章光伏-电解槽直接耦合制氢技术
5.1概述
5.2PV-EC直接耦合制氢系统的结构与原理
5.2.1系统结构与建模
5.2.2系统耦合机理
5.3PV-EC直接耦合制氢系统运行控制优化
5.3.1系统优化算法
5.3.2系统运行控制策略
5.4PV-EC直接耦合制氢系统规划设计优化
5.4.1系统拓扑优化设计
5.4.2系统结构参数规划
5.5案例分析
5.5.1算例参数
5.5.2运行控制结果
参考文献
第6章规模化电解水制氢站集成优化技术
6.1概述
6.2电解水制氢机组的结构和接线方式
6.2.1碱性电解水制氢机组的内部结构
6.2.2PEM电解水制氢机组的内部结构
6.2.3制氢机组的接线方式
6.3电解水制氢机组运行优化
6.3.1多电堆耦合运行策略
6.3.2多机组协同运行优化
6.3.3案例分析
6.4制氢站集群并网规划优化
6.4.1数学模型
6.4.2求解方法
6.4.3案例研究
参考文献
第7章碱性-PEM混联制氢站集成优化技术
7.1概述
7.2混联制氢站的结构与原理
7.2.1结构设计
7.2.2运行机理
7.3混联制氢站运行优化模拟
7.3.1能效分析
7.3.2功率分配策略
7.4混联制氢站容量优化规划
7.4.1容量参数设计
7.4.2技术经济特性评估
7.5案例研究
参考文献
第8章制氢站电-氢互动控制优化技术
8.1概述
8.2制氢站并网控制策略
8.2.1控制目标
8.2.2VSG控制
8.2.3下垂控制
8.2.4算例分析
8.3制氢站协调控制策略
8.3.1控制目标
8.3.2有限状态机
8.3.3模型预测控制
8.3.4算例分析
参考文献
第9章电-氢-电耦合系统
9.1概述
9.2能源枢纽
9.2.1基本结构设计
9.2.2容量规划优化
9.2.3并网运行控制
9.3氢储能系统
9.3.1基本原理与结构
9.3.2容量规划优化
9.3.3并网运行控制
9.4案例分析
9.4.1能源枢纽
9.4.2氢储能系统
参考文献
第10章电-氢-碳耦合系统
10.1概述
10.2电-氢-碳耦合的基本形态与实现路径
10.2.1电-氢-碳耦合的基本形态
10.2.2电-氢-碳耦合的实现路径
10.3电-氢-碳耦合系统集成优化方法
10.3.1数学规划优化
10.3.2系统动力学
10.3.3氢夹点分
前言/序言
前言
继1800年安东尼·卡莱尔和威廉·尼克尔森利用伏打电池进行电解水制氢实验之后，1833年法拉第提出了电解定律，为基于电解水制氢的电-氢耦合技术的发展奠定了坚实的理论和实践基础。1874年，儒勒·凡尔纳在他的小说《神秘岛》中称氢为未来的能量载体。他写到：电解可以将水分解成氢气和氧气，氢气将替代煤炭（当时最重要的燃料）。电-氢耦合技术的发展潜力和优势可见一斑。
现在，在化石能源可持续和环境保护需求的双重压力下，世界各主要国家纷纷将氢能作为能源转型的重要载体。2024年11月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》。氢作为一种能量载体已被广泛接受和落地应用。但正如前几次的氢能热潮一样，氢能的发展并非一帆风顺，电-氢深度耦合仍在困顿与探索中艰难前行。这中间既有社会发展和政策机制的因素，也有大规模电制氢、储运氢等技术与成本仍需突破等客观原因，还有我们对于能源转型的认识和驱动力仍然不足等主观原因。21世纪初，作者团队在开展储能与新能源发电并网技术的研究过程中，深刻体会到亟需一种能够适应新能源高随机、宽范围波动特性的电网级储能手段。2011年12月，时任新疆维吾尔自治区科技厅副厅长的胡克林教授正在开展“风电耦合煤化工制甲醇”专题调研，先生鼓励我开展这方面的探索，此后便围绕“电-氢耦合技术”尤其是“绿电-绿氢-高耗能工业网络耦合集成技术”展开了研究，并持续至今。在此特别感谢先生睿智的启迪和十多年来亦师亦友般的教诲和关爱。在这个过程中，我有缘结识了人生中的几位挚友，亦是本书的另外几位作者。其中，田雪沁总能够深刻洞察问题的本质，我们对电-氢耦合规划相关的机理和模型等开展了长期的合作研究；闫华光在电-氢耦合构建新型电力系统方面具有独到的见解，我们对电-氢耦合的宏观发展战略及其系统动力学特性开展了深入的合作研究；缘于六安兆瓦级氢储能站项目，滕越博士作为世界首座兆瓦级氢储能站的技术负责人，在储能形态的电-氢耦合系统的规划设计、调度控制和运维等方面的知识积累丰富且深刻，我们围绕多堆耦合的氢储能模组、多模组协同的规模化氢储能系统/站存在的问题和解决方案开展了长期的合作研究。我们合作研究的成果见于但不限于本书相关章节，更多、更深入的合作成果将在后续著作中展示。
广义的电-氢耦合系统泛指以氢能为媒介的电-氢转换系统及上下游工艺、社会链接的统称，狭义的电-氢耦合系统则主要指以绿氢为媒介的电-氢转换装备及配套系统与网络。发展基于可再生能源电解水制氢的电-氢耦合技术，是充分发挥氢能作为可再生能源规模化高效利用的重要载体作用及其大规模、长周期储能优势，形成多元互补融合的现代能源供应体系的必由之路和必然要求。电-氢耦合互动能够在新型能源体系构建中发挥重要作用：一是作为促进新能源消纳的重要载体，利用新能源电能制氢可有效提升新能源消纳水平；二是氢气储能具有容量大、储存时间长和清洁无污染等优点，在跨季节长周期储能场景中更具竞争力；三是作为新型电力系统灵活调节的重要手段，可为电网提供调峰调频等辅助服务；四是具有能源燃料和工业原料的双重属性，通过电-氢转换，可实现能源生产和物质生产等多网络的互联互通和协同优化。
电-氢耦合技术的进步，将极大地推动氢能科学技术的发展和完善。电-氢耦合涉及电气、化学、控制和经济等多个专业，学科交叉融合特征突出，迫切需要能够体现相关技术框架、研究范式和成果的著作。为此，以作者团队的研究成果为主，参考国内外相关文献，撰写了本书。全书共12章，力图从能源电力发展战略、原理方法与模型算法、场景和装备或系统相结合的视角构建电-氢耦合系统集成理论与方法体系，将氢能在电力系统角色定位具象场景化、模型化并加以定量分析，通过在源网荷储各环节的应用案例，挖掘氢能在能源电力领域的支撑性、灵活性与耦合性优势，探索在能源转型中的电-氢耦合集成技术突破。在宏观层面，运用系统动力学等分析方法实现氢能与工业、交通、电力和建筑等领域交互、反馈作用机理的有效表征；在模型层面，将电-氢、电-氢-电、电-氢-碳耦合的能量流网络与物质流网络进行融合建模并实现集成优化与协调控制；在场景层面，以新能源耦合制氢、多类型电解槽混合制氢、电解槽集群联合制氢等特征性场景为抓手，实现覆盖电解槽全寿命周期衰减与运行特征的协调控制优化。
虽然电-氢作为在历史长河中相互连接、彼此相依的能量形式已存在了超过200年，但当我们深入开展系统级集成研究时，却发现依然存在诸多很少有人深入的领域。不论是对电、氢及配套能源网络间传输、储存及损耗特征规模化、细致化的模拟仿真，还是对新场景、新应用中电、氢耦合设备的深度化、动态化的机理刻画，再到复杂系统间控制策略、运行方式与多主体寿命间的衔接反馈，都是本书希望能够往前走一步的方向，以期为业界提供可借鉴的研究范式、理论方法和知识经验。由于内容涉及知识面的广泛性、研究成果的阶段性和作者水平所
