雙碳目標下“多能融合”技術圖解：儲能氫能與智能電網（簡體書）

李婉君，工學博士，研究員。中國科學院大連化學物理研究所科技處副處長兼低碳戰略研究中心副主任。長期從事科技管理與服務，先後負責國際合作、重大項目管理等工作。近期主要從事“多能融合”技術體系、基於技術與數據的能源及科技等戰略研究。作為核心骨幹參與了中國科學院“變革性潔凈能源關鍵技術與示範”A類先導項目子課題一，“碳中和重大院士咨詢”項目專題四，中國工程院中法氫能聯合戰略研究，國際工程與技術科學院理事會能源終端用戶脫碳研究等多項國內外咨詢研究項目；參與遼寧省、大連市、新疆自治區、山西省等多項地區及行業能源及“雙碳”戰略研究課題。

在新型電力系統中，儲能、氫能、智能電網對高比例大規模可再生能源的應用將發揮重要的作用。本書在梳理相關領域翔實數據的基礎上，以圖解的形式為讀者展現相關領域發展現狀、發展趨勢與關鍵技術。全書首先闡述了儲能、氫能與智能電網在“多能融合”技術體系中的重要地位。隨後用三個篇章分別介紹了三個領域的發展歷史、發展現狀、產業與政策情況、關鍵技術內涵及發展方向，形成了儲能、氫能與智能電網的技術清單及未來發展路線圖，並提出“碳達峰、碳中和”目標下我國相關技術與產業發展的對策建議。全書對“多能融合”理念下三個領域協同發展的方向提出了建議。本書可為相關技術人員、研究人員和管理人員系統性了解儲能、氫能、智能電網提供有益的參考，也可作為相關從業人員的工具書。

加快推動能源轉型是實現“雙碳”目標的首要任務和重要保障。當前我國發電端仍以傳統煤電為主，電力部門是二氧化碳排放的第一大戶。2021 年，中央財經委員會第九次會議提出構建以新能源為主體的新型電力系統。2022 年，總書記在黨的二十大報告中提出加快規劃建設新型能源體系。電力居於能源轉換利用中心位置，因此新型電力系統是新型能源體系的重要組成和關鍵環節。相比傳統電力系統，新型電力系統具有清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動的特點。新型電力系統的構建將密切連接一次能源和二次能源，實現多種能源間的靈活高效智能轉換，從根本上改變目前我國化石能源為主的發展格局，推動能源消費的電氣化和電力消費的清潔化。其中，儲能、氫能及智能電網是構建新型電力系統的支撐技術，在工業、建築、交通運輸等高碳排放領域也有著廣闊的應用前景。作為戰略性新興技術，儲能、氫能、智能電網目前面臨著技術、產業、政策等一系列挑戰，亟須通過合理布局創新鏈、產業鏈、政策鏈，實現技術與產業的快速發展。
儲能是指通過介質將能量儲存起來，在需要時再釋放出來的一種技術。近年來，儲能作為保障可再生能源消納、保證電網穩定安全運行的重要手段引起廣泛關注，在全球範圍內已步入高速發展期。儲能可適用於電力系統發、輸、配、用、調度各個環節，為電力系統的安全穩定運行提供保障，是支撐新型電力系統穩定運行的關鍵核心技術。近年來，各種儲能技術不斷成熟，技術路線百花齊放，新技術不斷涌現，儲能安全性、經濟性、先進性不斷提高，應用場景不斷豐富。作為全球最大的能源生產國與消費國，我國高度重視儲能產業的發展，目前累計裝機規模位居世界第一。同時我國在抽水蓄能、鋰離子電池及各類型儲能技術領域也取得了一系列突破：建設了全球最大的豐寧抽水蓄能電站；連續多年成為全球最大的鋰離子電池生產國、出口國與消費國；全球領先的壓縮空氣儲能、液流電池、鈉離子電池等示範項目紛紛落地。但從發展現狀來看，目前除抽水蓄能以外的新型儲能技術仍處於由商業化初期向規模化發展的階段，作為一項具有重要戰略意義的新興產業，儲能仍面臨著經濟、市場、技術、環境和政策等多方面的挑戰。
氫氣是一種清潔高效、可再生的二次能源，是良好的儲能載體，同時兼具燃料、工業原料等多重屬性，是推動傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發展的理想互聯媒介，也是實現交通運輸、工業、建築和能源領域綠色低碳轉型的重要載體。將可再生能源發電與氫能結合，通過氫氣的大規模儲存，構建調節周期長、儲能容量大的氫儲能系統，可以平抑可再生能源的間歇性和隨機性，有助於形成氫電互補的能源支撐體系，助力打造以可再生能源為主的新型電力系統，對我國構建“多能融合”的新型能源體系具有重要戰略意義。我國是世界上最大的制氫國，且可再生能源裝機量全球第一，具備巨大的清潔低碳氫能供給潛力。目前，我國氫能產業發展迅速，已初步掌握氫能制、儲、運、加、用等各個環節的主要技術和工藝，在部分區域實現氫燃料電池汽車、“風光氫儲一體化”和“氫進萬家”等示範項目。在相關政策支持下，企業投資氫能產業熱情高漲，眾多大型企業帶頭加速氫能產業鏈布局。然而，從總體上看，我國氫能產業起步較晚，相比國際先進水平，在創新能力、技術水平、產業發展形態和路徑等領域尚面臨一系列問題與挑戰，需要加強頂層設計和規劃，提升產業創新能力，推動氫能產業健康有序發展。
智能電網是在傳統電力系統基礎上，通過集成新能源、新材料、新設備和先進傳感技術、信息技術、控制技術、儲能技術等新技術形成的新一代電力系統，具有高度信息化、自動化、互動化等特徵，可以更好地實現電網安全、可靠、經濟、高效運行。從1882 年上海外灘15 盞電弧燈被點亮，到國家電網公司在2009 特高壓輸電技術國際會議上正式提出堅強智能電網概念，再到2021 年3 月總書記在中央財經委員會第九次會議上作出構建新型電力系統的重要指示，智能電網作為新型電力系統的樞紐平臺，近年來在電源側、電網側、負荷側和儲能側均得到了長足的發展，相關技術不斷取得突破，大型工程陸續建成投運。我國連續多年發電裝機容量、電力生產和電力消費均位居世界首位，很好地滿足了社會和經濟發展的需要，但也面臨一些問題。2020 年我國電力行業二氧化碳排放占比超過40%，“雙碳”目標下我國能源電力供應體系急需發生根本變革，新能源發電將成為電力生產的主體。在此背景下，各種智能電網技術的發展和相關工程的投運將推動能源系統適應大規模高比例新能源的持續開發利用；形成由各類微型電源和負荷組成的微電網，實現局部的電力平衡和能量優化；建設靈活開放高效的電力市場體系；促進源網荷儲各環節深度融合，提升能源綜合利用效率；代替化石能源，支撐各領域終端用能碳排放下降；保障我國能源安全和社會發展需求，推動構建清潔低碳、安全高效的能源體系。
鑒於此，本書針對儲能、氫能與智能電網領域的技術、產業和政策等方面的發展現狀及趨勢進行分析，旨在明確各領域產業發展的關鍵領域及存在的主要問題，並提出對策建議。全書共分為五章。第1 章概述了“雙碳”目標下“多能融合”技術理念中儲能、氫能與智能電網的特點及其關鍵作用。第2 章討論了包括抽水蓄能、新型儲能等各類型儲能技術的發展現狀、技術內涵、技術特點、典型案例，並闡明了儲能技術未來的發展方向，並從技術、應用、體系建設等多角度提出進一步推動儲能產業發展的對策建議。第3 章梳理了氫能的發展現狀、熱點及趨勢，討論了制、儲、運、加、用等各個環節的關鍵氫能技術的特點、經濟性、研發態勢，厘清了氫能技術領域的研究熱點及發展方向，並提出推動我國氫能領域有序健康發展的對策建議。第4 章介紹了智能電網相關技術的發展歷程、發展現狀與發展趨勢，討論了源、網、荷、儲等各環節關鍵技術的技術內涵、未來發展方向和典型工程實踐，基於文獻和專利數據對智能電網技術進行領域態勢分析，並提出我國智能電網行業發展的對策建議。第5 章對“多能融合”理念下三個領域協同發展的方向提出了建議。
本書在編寫過程中參閱了許多專家及同人的相關著作、論文、報告等資料，得到了中國科學院A 類戰略性先導科技專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示範”項目的支持，在此表示衷心感謝。
本書涵蓋了儲能、氫能與智能電網技術的產業鏈、創新鏈、政策鏈等內容，助力構建首尾相連、互為供需、互聯互通的科技創新鏈條，有助於讀者全面了解各領域技術的基本原理、應用現狀與發展方向。
囿於作者水平，文中不妥及疏漏之處在所難免，敬請讀者指正。

編者
2024年10月

第1章　緒論 / 1

第2章　儲能篇 / 4
2.1 儲能概述 4
2.1.1 儲能技術分類 4
2.1.2 儲能應用場景 6
2.2 全球儲能發展現狀 8
2.2.1 美國儲能發展情況 12
2.2.2 歐洲儲能發展情況 14
2.3 中國儲能發展現狀 17
2.3.1 中國儲能發展情況 17
2.3.2 儲能政策 26
2.3.3 儲能產業 35
2.4 典型儲能技術 43
2.4.1 機械儲能 43
2.4.2 電磁儲能 67
2.4.3 電化學儲能 72
2.4.4 熱儲能 100
2.4.5 化學儲能 105
2.5 儲能專利及文獻分析 109
2.5.1 專利態勢分析 109
2.5.2 文獻態勢分析 112
2.6 儲能技術發展展望 115
2.6.1 儲能面臨的挑戰及發展方向 115
2.6.2 儲能技術發展路線圖 117
2.7 “碳達峰、碳中和”目標下儲能領域對策建議 119
2.7.1 升級優化新型儲能技術，研發儲備變革性儲能技術 119
2.7.2 推進新型儲能應用示範，促進優秀科技成果轉化落地 119
2.7.3 完善儲能市場機制建設，創新儲能發展商業模式 120
2.7.4 建立健全儲能標準體系，強化儲能項目管理 120

第3章　氫能篇 / 121
3.1 氫能概述 121
3.1.1 氫能技術分類 121
3.1.2 氫能應用場景 124
3.2 國際氫能發展現狀 125
3.2.1 全球氫能生產概況 125
3.2.2 全球氫能消費概況 129
3.2.3 主要國家和地區氫能產業現狀及推進方向 137
3.2.4 進出口貿易 153
3.3 我國氫能發展現狀 154
3.3.1 政策導向 154
3.3.2 我國氫能產業現狀 166
3.4 氫能領域關鍵技術清單 174
3.4.1 制氫 174
3.4.2 儲氫 189
3.4.3 輸氫 199
3.4.4 用氫 202
3.5 氫能技術專利及文獻分析 206
3.5.1 專利態勢分析 206
3.5.2 文獻態勢分析 222
3.6 氫能技術發展展望 235
3.6.1 概述 235
3.6.2 我國氫能發展面臨的挑戰 235
3.6.3 未來發展趨勢 236
3.6.4 氫能技術發展路線圖 240
3.7 “碳達峰、碳中和”目標下氫能領域對策建議 245
3.7.1 強化氫能政策體系的統籌規劃和規範引導 245
3.7.2 加強區域產業政策協同效應 245
3.7.3 加強氫能產業鏈布局及關鍵環節技術創新 245

第4章　智能電網篇 / 247
4.1 智能電網概述 247
4.1.1 智能電網定義 247
4.1.2 智能電網特徵 249
4.1.3 智能電網標準體系 250
4.1.4 智能電網相關政策文件 252
4.2 世界智能電網發展概況 254
4.2.1 發展簡史 254
4.2.2 各國智能電網發展和模型 257
4.2.3 未來數據預測 262
4.3 中國智能電網發展概況 263
4.3.1 中國智能電網發展歷史 263
4.3.2 智能電網基礎數據 265
4.3.3 智能電網的模型與架構 297
4.4 智能電網關鍵技術清單 305
4.4.1 電源側 306
4.4.2 電網側 315
4.4.3 負荷側 332
4.4.4 儲能側 337
4.5 智能電網專利及文獻分析 337
4.5.1 專利態勢分析 337
4.5.2 文獻態勢分析 345
4.6 智能電網技術發展展望 351
4.6.1 智能電網發展趨勢 351
4.6.2 智能電網技術發展路線圖 352
4.7 “ 碳達峰、碳中和”目標下智能電網行業對策建議 355
4.7.1 保障國家能源安全和社會發展 355
4.7.2 升級構建新型電力系統 355
4.7.3 推動大規模高比例新能源的持續開發利用 355
4.7.4 構建靈活開放的統一電力市場體系 356

第5章　總結 / 357

參考文獻 / 360