国网上海综能服务公司窦真兰：面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计-北极星氢能网

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“刚才大家讲到都是氢能在交通领域的应用，下面由我来跟大家分享氢能在建筑领域的应用，我将从三个方面跟大家探讨下，一是研究的背景；二是面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨；三是面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案设计。”国网上海综合能源服务有限公司技术总监窦真兰博士发表了主题为《面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计》的演讲。

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第一研究的背景。

由于氢能具有低储存成本潜力大以及使用终端灵活、用途广泛等优势，通过制氢、储氢和燃料电池系统实现热电联供，给建筑供热、供电，替代化石能源使用，助力实现碳达峰、碳中和。

目前中国全力支持氢能产业发展。

2020年3月，科技部发布国家重点研发计划，拟在“可再生能源与氢能技术”专项投入科研经费6.06亿元。

2021年2月，科技部发布“十四五”国家重点研发计划征求意见稿，特设“氢能技术”专项。

氢能应用场景广，主要为：电力领域、交通领域、工业领域、建筑领域。在电力领域应为场景为：

（1）可再生能源消纳场景：大规模电解水制氢、燃料电池电站发电及与电网互动响应；

（2）氢能终端消费场景：面向工业园区，建筑，区域供能的电解水制氢-储氢-氢能综合供能；

（3）电网末端供能场景：面向孤岛/偏远地区等场景的氢能综合利用。

在交通领域应用场景为：加氢站，氢燃料电池汽车；

在工业领域应用场景为钢铁工业中“氢冶金”取代“碳冶金”；炼油工业中利用氢将炼油裂解过程中的不饱和烃类转变为饱和烃，防止氧化；氨、甲醇等生产工业中利用可再生能源制氢+二氧化碳捕捉技术，用于氨、甲醇等化工原料的制取。

在建筑领域、生活领域的应用场景为：

（1）家用氢综合利用：利用天然气制氢/电解水制氢产生氢气，通过燃料电池实现热电联供。

（2）氢进万家：智慧能源城市中建设分布式加氢站、供氢管道，实现网络覆盖。

（3）氢医疗：利用氢气还原作用，延缓器官衰老、抗氧化、抗炎症。

（4）热电联供：给住宅楼宇供热、供电。

第二是氢燃料电池综合能源系统方案探讨。

方案从整体规划、关键技术、应用开展体系化研究。整体规划从系统规划入手，基于氢能系统建模，考虑风光氢互动因素，考虑安全、经济、能效等多个目标，在整体上对基于氢燃料电池的综合能源系统进行规划。开展模块化设计、安全防护、运维策略研究等。基于氢燃料电池的综合能源系统集成应用技术研究是基于规划设计、模块化设计、安全防护、运维策略研究获得的关键技术和成果，最终确定建设一套百千瓦级风光互补电解水制氢耦合氢燃料电池热电联产系统，进行系统装置开发和平台集成，并开展应用与验证。

1.氢燃料电池的综合能源系统规划主要方案

首先从制氢、储氢、氢燃料电池发电的运行机理入手，建立氢能系统的机理模型；然后，分析综合能源系统的用能特性以及可再生能源的出力特性，提出氢能系统与可再生能源、可控负荷的协调运行机制；进一步，结合上述研究成果，分析安全性、经济性、能效性多个目标的博弈关系，建立多目标优化规划模型；最后，考虑综合能源系统用户差异化需求，结合强化学习算法建立知识与数据混合驱动的快速求解算法。

2.氢燃料电池的综合能源系统模块化设计主要方案

在综合能源系统规划研究基础上，首先按照设备级、系统级和区域级三层结构，从供能模式、运行特性、控制策略、级联方式等维度对含氢能的综合能源系统基本模块进行分类，提出能源转换、储能等模块设计原则；其次，针对综合能源系统的模块组合配置问题，基于经济性、安全性和可靠性约束，建立混合整数非线性优化模型，在此基础上，结合综合能源系统工程实际应用模式，提出典型的模块组合配置原则；然后，分析补贴政策、建设成本与运营收益对综合能源系统经济性的影响，提出含氢能的综合能源系统技术经济评价指标，建立综合评价体系框架及评价流程；最后，针对典型区域不同运行模式和功能需求，综合考虑投资成本、建设周期、维护成本等因素，研究综合能源系统模块化典型设计方案，基于综合能源系统经济评价框架，通过对方案的经济技术比选，形成工程典型方案集。

3.氢燃料电池综合能源系统安全防护技术主要方案

首先开展氢综合能源系统的安全防护需求分析，提出不同应用场景下系统多层防护体系架构和各层防护的关键技术；其次，分析氢综合能源系统运行过程中的危害源、有害源，提出系统安全运行的评价方法，提出安全联锁控制策略；再次，建立氢气事故后果量化模型，研究针对氢气泄露、扩散、爆炸灾害的系统风险评估技术，提出氢综合能源系统可能发生的氢燃爆事故的缓解与安全防护策略和措施；分析环境因素对氢气扩散迁移行为的影响，提出系统安全预警防护的优化设计方案；最后，基于以上研究提出主、被动安全预警与防护一体化控制技术方案。

4.氢燃料电池综合能源系统优化运维策略的主要方案

首先，开展氢燃料电池Power-to-X能源路由器模型研究，筛选影响氢储能效率的参数及公式，建立氢综合能源系统物理模型，对系统模型进行模拟和计算分析，计算分析压力、温度、燃料流量、电流等对系统效率的影响；其次，进行氢综合能源系统的控制和运行策略研究；再次，开展单目标多参数和多目标多参数的数值模拟计算，进行氢综合能源系统的耦合控制和运维策略研究；最后，在优化分析的基础上进行系统经济性分析，开展氢综合能源系统的应用效果评价方法研究。

5.氢燃料电池综合能源系统集成应用技术的主要方案

首先，针对国家电网公司上海世博会企业馆示范区用能问题，提出总体设计架构与建设实施方案；其次，研制基于氢燃料电池的综合能源系统安全预警与防护装置和耦合控制装置，搭建综合能源系统协调控制平台；再后，研发基于氢燃料电池的综合能源系统综合管控与协调配置平台；最后，基于以上软件与硬件基础，建设一套百千瓦级风光互补电解水制氢耦合氢燃料电池热电联产系统，开展系统集成测试与试运行，并提出工程验证与评价方法。

第三面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案设计

1.氢燃料电池综合能源系统示范工程

以原世博国家电网馆为示范落地点，在已建有的智能电网、分布式发电系统等基础设施下，开展基于不小于5kW氢燃料电池基础模块，优化组合扩展建设1套不小于100kW的风光互补电解水制氢耦合氢燃料电池热电联产系统用于示范工程。整个国网馆的氢燃料电池综合能源系统结构如图所示。

2.基于示范工程的氢综合能源系统建模

该仿真模型是基于5kW储氢燃料电池系统+风光发电集成系统建立，并对国网馆夏季和冬季一日内典型负荷条件下的系统运行策略进行了仿真。夏季：风光能优先满足负载，盈余电能制氢储能，用电高峰时燃料电池启动补充电能。冬季：平均风速大，风机输出功率大，因此大部分时间可以满足用户负载，电解槽和燃料电池工作时间长。

3.基于示范工程的氢综合能源系统设计运行优化

基于国网馆典型电热负荷特征以及综能系统各装置的建设成本及运行成本，对综合能源系统的容量进行了优化设计，发现目前示范工程的燃料电池装机量较最优容量偏小，后续有进一步提升空间。在运行方案方面，燃料电池表现出随电价充放电、削峰填谷的效果，与仿真结果一致。

通过对《面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计》的探讨和设计，掌握系统的规划设计、系统集成以及氢能系统的安全防护技术，建设的综合能源系统可达到国内先进水平，可为氢能在建筑应用中提供技术支撑。

以上就是我跟大家分享的面向建筑应用的氢燃料电池综合能源系统方案探讨和设计，不足之处请大家指正，谢谢大家。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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