能源是维持人类生存、推动社会进步的基础。 化石燃料的大规模应用推动人类社会进入快速发展阶段。然而,同时也带来了严重的环境污染问题. 此外,化石能源日益消耗也使得能源危机严重威胁人类社会的可持续发展.近些年,随着包括可再生 能源和核能在内的清洁能源的发展和分布式能源概 念的兴起,能源行业朝着零碳排放的变革越来越受到人们关注.美国著名学者里夫金在«第三次工 业革命»一书中提出的能源互联网的概念被认为是 未来能源体系发展的重要方向. 氢能是一种清洁无碳、能量密度高、转化形式 多样的二次能源,是推动世界未来能源体系清洁化转型的重要媒介,在里夫金提出的能源互联网概念中充当重要角色.本文从能源互联网的发展历程 出发,对氢能在能源互联网中的重要地位做出了详 尽分析,并综述了能源互联网体系下,氢气的制 备、储运和应用技术的发展情况.

１、能源互联网

能源互联网的概念出现时间较早,但起初并未受到过多关注.近些年,随着化石能源日益枯竭。


清洁能源体系快速兴起,能源互联网的概念日益受到重视,并被赋予了新的内涵和特征。

1.1 能源互联网的发展历程

能源互联网的发展历程如图１所示，可分为概念孕育、研究起步、功能和结构系统化研究、关键 技术突破与示范项目快速发展４个阶段。国外能源互联网的发展起步较早,其初步构想的提出可追溯到20世纪70年代,巴克敏斯特福乐在世界游戏 模拟大会上提出“全球能源互联网战略”是能源的最高优选。2008年，美 国、德 国、日本分别提出 Freedm、EＧEnergy和数字电网项目,对能源互联网的应用进行了系统化研究,Freedm 项目对分布 式发电和分布式储能随时随地并网与即插即用做出了探索；EＧEnergy项目在能源生产者和能量消费者的双向互动等方面做出了系统示范;数字电网项目以信息互联网为基础,对电网的灵活配置和智能调峰做出了实践。

2011年,美国学者里夫金在 «第三次工业革命»一书中指出能源互联网是第三次工业革命的重要标志,并初步构建了能源互联网的架构体系和基本特征,引发了能源互联网在全球的 研究热潮。特别是近几年利用清洁能源的大量技术突破推动了能源互联网进一步发展。

2018年,全球能源互联网发展合作组织成立,并召开了“2018全球能源互联网大会”，会上首次发布了«全球能源互联网骨干网架研究»等12项创新成果,实现了能 源互联网从“规划图”到“施工图”、从“新理念”到 “可操作”的重要突破。

2019年,全球能源互联网 发展合作组织发布了欧洲能源互联网规划研究报告,提出了欧洲能源互联网的发展规划方案、重点互联互通工程,并进行了效益评估;澳大利亚可再生能源署发布了新的可再生能源资助计划,把电网消纳、氢能和减少工业碳排放作为可再生能源优先发展领域。

国内能源互联网发展起步较晚,但近５年来发展速度十分迅猛。

2014年,国家能源局(以下简称 能源局)局长刘振亚提出能源互联网实质上就是“特 高压电网＋智能电网＋清洁能源”,并强调要大力 发展能源互联网。

2015年３月,在全国“两会” 报告上,国务院总理李克强提出“互联网＋”发展计划。同年９月在联合国发展峰会上,国家主席习近平宣布将能源互联网由战略构想上升为国家倡议。2016年３月,国家发展改革委、能源局和工业和信息化部联合发布«关于推进“互联网＋”智慧 能源发展的指导意见»,提出了未来10年中国能源互联网的发展蓝图,进一步奠定了未来能源互联网 的发展模式。

2017年,国家能源局公布了首批55个“互联网＋”智慧能源(能源互联网)示范项目, 能源互联网在国内由概念走向落地。

2019年, 由清华大学等单位主办的“2019国家能源互联网大 会”在湖南株洲召开,能源领域的诸多专家就“泛在能源、智慧互联”的大会主题,共同梳理了能源互联网在我国的推进情况,为我国日后能源结构的变革趋势和转型前景提出了新的展望。2020年«北京市政府工作报告»明确提出,要依托能源互联网和第四代核电等重点领域优势,积极构建 “能源谷”。随着能源结构转型速度加快,构建能源互联网已成为我国能源体系发展的重要方向。

1.2 能源互联网的内涵

里夫金提出的能源互联网包含以下几个基本元素：

１)清洁能源为主要的一次能源；

２)以氢能 为枢纽,将一次能源与电网、气网、热网、交通网 连为一体;

３)利用互联网技术和储能技术实现超 大规模分布式能源储存和广域能源共享;

４)燃油 车将被氢燃料电池车替代,实现交通电气化的转 变;

５)人既是能源生产者,也是能源消费者,传统 的大型电力公司不复存在.上述能源互联网的基本 内涵主要是基于哲学和经济学层面的思考,并没有 从科学和技术的层面提出具体实施模式。

随着多年的不断深入研究,大量学者对能源互联网从不同角度进行了深入剖析和探讨,逐渐提出并完善能源互联网的含义和发展方向。由于能源互联网是涉及多学科交叉的、具有高 度兼容性和复杂性的新型能源体系,很难进行全面而精准的定义,且不同领域的学者对其理解和认识 的侧重点各不相同,短期内很难达成共识,因此, 对已有的能源互联网的定义做出了如表１的归纳. 尽管表１定义的侧重点不尽相同，但从中也可以归纳出能源互联网的特点:

１)泛在互联；能源 互联网能够实现能源网络、交通网络、信息网络之 间的耦合互联；

２)对等开放；能源互联网构成各层 级、多维度的开放平台.各种清洁能源,特别是可再生清洁能源,可无歧视接入能源互联网;能源互 联网用户无歧视接入获取所需要的能源及服务;能源生产者也可以是能源使用者,用户的参与度大大提升;可在任何时间、任何地点支持各种能源服务,支持需求响应、辅助服务、电能购销服务,降低能源互联网峰谷差,提高其运营效益；

３)低碳高效；能源互联网的一次能源供体为以可再生能源为主的清洁能源,电能和氢能是能量传送的主要二次 能源载体,碳排放大大降低；

４)多源协同；既包括 大型能源生产基地规划运行方面的协同,也包括能源传输和终端能源利用方面的协同。

２、能源互联网中的氢能

氢能是一种二次能源载体,具有可再生、可储可输、利用形式多样等特点,将在能源互联网构建中发挥重要作用。 国际能源署(InternationalEnergy Agency, IEA)对当下以化石燃料为主的能源体系和构想中 的未来的能源互联网体系做了对比分析。如图２所 示，IEA 将所有能源划分为简单的热网、电网、油气网３种形式，在当下的能源体系中,除了热电产之外,不存在其他方式实现３种能源形式之间的互相耦合转化。而在未来能源互联网的构想中, 热网、电网、油气网可以实现深度耦合转换,实现这一目标的关键媒介就是氢能.氢能的制备途径多样,在未来以清洁能源为主要一次能源供体的能源结构下,电解水制氢可提供清洁且充足的氢源;氢气可发电、可发热、也可用于交通燃料,因此可以打破传统的热网、电网、油气网三者之间无法实现互相耦合转化的壁垒,提高能源互联网的操作灵活性,真正实现不同能源形式之间的彼此联通、深度耦合。此外,受自然条件的影响,可再生能源具有很强的波动性和间歇性,且受地形等因素限制颇多。因此，可再生能源发电在时间尺度上具有随机性和不稳定性,在空间尺度上具有明显的区域差异性, 这些问题造成了严重的弃风、弃水、弃光(三弃)等资源浪费问题。2018年,我国“三弃”造成的电能损失近1100亿kW