管晓宏院士：让氢能赋能零碳智慧能源系统

《能源评论》：国家能源局发布的最新数据显示，截至2024年10月底，我国风电、光伏发电装机容量已经接近13亿千瓦，您如何看待新能源发展带来的机遇与挑战？

管晓宏：根据国际能源署的数据，全世界最大的碳排放来源是供电和供热供冷，能源供应的清洁化和绿色化势在必行。高比例的风电、光伏发电等新能源进入电网，让传统电力系统面临巨大的压力。在传统的能源电力结构下，我们利用风光水互补、源荷互补技术可以抵消部分不确定性，但是电力系统需要瞬时平衡的难题并未得到根本解决。

储能技术是实现能源电力系统供需平衡、解决高不确定性新能源的间歇性和充分利用问题的有效手段。因此，具有经济性的储能技术是利用新能源的关键，也是为未来算力和通信系统提供绿色能源的基础。与电网配合最好的储能方式应该是抽水蓄能电站，但有较高地理、地质和环境条件的要求，可开发的容量有限。

《能源评论》：新型储能目前被业界高度关注，有哪些技术值得期待？

管晓宏：目前的技术路线很多，比如电化学电池、飞轮储能、压缩空气储能、重力储能、相变储能等。但目前的技术很难同时实现规模化和经济性。

氢能储能技术非常值得关注。地球上的氢非常多，不涉及碳的氢基本都在水里，需要外部的能量才能将其分解出来。目前制备绿氢的主流技术路线是电解水。氢燃料电池能够将氢转化成电能和热能，如果我们可以充分利用氢转化的电和热，便能够实现零污染、零碳排放供能，而且是从水到水的可再生过程。

《能源评论》：氢能的制备和利用技术进展备受各方关注，从系统和产业角度看发展氢能有何意义？

管晓宏：从系统角度看，氢赋能的供电、储能、多能转换和互补的控制优化系统，可以实现局域能量平衡，保证系统经济性，构建市场可复制的分布式零碳智慧能源系统。

从产业角度看，让氢能赋能零碳智慧能源系统，有可能深度改变能源结构，为行业数字化转型和数字经济的基础设施提供零碳能源，确保新质生产力的绿色特质，助力能源转型的绿色化发展进程。 

《能源评论》：氢能技术目前发展处于什么阶段，有哪些领域的突破值得关注？

管晓宏：氢能利用正处于技术革命的前夜。但是，如果只是把氢能作为储能技术与电网配合，虽然大规模储能的成本较低，但电-氢、氢-电转化的整体效率只有不到30%，这意味着与风能、太阳能发电相比，氢能的直接利用成本大幅度上升，成为其利用经济性的瓶颈。我们知道能量转化是守恒的，电-氢、氢-电转化过程中，有70%多的能量转化成了热能。把这部分热能利用上，正是我们解决供热供冷碳排放的关键（“热”可以直接转化成“冷”）。这项技术的突破，能够形成一个与传统电力系统并行、并重的氢能供需系统。

《能源评论》：尽管氢能技术很先进，但其成本高的问题一直未解决，您对氢能的市场化前景怎么看？ 

管晓宏：其实我国氢能供应链的运营和管理具有天然的市场化基础，一开始就能够市场化运营。

让氢赋能分布式智慧能源系统，应该是冷热电等多种能源的联供系统。氢能通过存储与新能源交互，满足多种能源需求，将是一个全绿色的结构性变革，能够解决新能源消纳和能源电力市场化等重大问题。

《能源评论》：这一思路听起来很有前景，应该如何推动其落地应用？

管晓宏：基于这样的思路，我们团队主导建设了陕西榆林市科创新城的氢赋能零碳智慧能源站，供电供热供冷总体能源利用率超过92%，供电、供热、供冷总成本比电网供电、城市热力网供热、冷水机组供冷成本低35%以上。该能源站由能源站建筑主体、光伏发电系统、氢能系统、供热供冷系统和长短期储热储冷系统等组成，室内建筑面积近5000平方米，占地30亩，于2022年7月30日建成投产，为建筑面积12万平方米的陕西省第十七届运动会运动员村零碳供能（该园区目前是榆林市高层次人才公寓）。

《能源评论》：这个项目的技术挑战和应用突破是什么？

管晓宏：我们总结了三句话作为技术突破的需求：氢能实现零碳、多能优化获益，市场复制推广。项目经济性依赖系统工程，必须极致优化系统设计和运行。面临的主要技术挑战包括信息流和氢-电二次能源及多种能源流网络间的时空多尺度耦合、动态转换关系机理和数据模型，多能耦合信息物理融合能源系统安全运行优化理论和方法。我们已先后攻克了含氢能多能源供需系统建模、智能性设计、协同运行优化决策等关键技术，申请相关专利30余项。

针对算力、数据产业能源需求大幅增加的趋势，我们提出了算力网、能源网、通信网三网合一，为数字化基础设施提供零碳能源。针对我国北方地区提出了规模化、经济型的零碳数据中心的设计方案，让单位能源成本降低40%左右，预计四年就可以收回能源系统的投资。 

《能源评论》：这一模式在哪些区域具有可复制性？

管晓宏：我们正在进行典型区域的零碳园区和算力数据中心的规划设计和建设。一类地区是热季长期供冷、冷期短期供热或者不供热的区域，比如粤港澳大湾区、海南、福建等南方地区，另一类地区是夏季长期供冷，冬季供热的区域，如关中地区、长三角地区，我们正在建设多个具有上述气候特点的示范项目。

《能源评论》：让氢赋能零碳智慧能源系统如何保证源网荷一体化协同？

管晓宏：如果考虑消纳远方的新能源，就等同于异地配储，能够大大拓展该系统的应用领域。我们提出一种新的范式，即用户端100%跟踪新能源，通过自用或者双边协议实现源荷自我平衡，由电网收取过网费，把新能源发电基地和终端氢赋能的分布式系统配合起来，跟踪高不确定性的新能源出力，保障源荷完全平衡，最终实现发电侧、用户侧和电网侧的“源、网、荷”三赢。

《能源评论》：这是否意味着，能源电力系统将迎来重大变革？

管晓宏：计算机系统结构的变革已经从20世纪70年代的本地计算、21世纪初的网格计算，发展到现在的云计算、边缘计算。统计显示，计算机系统结构每10～15年会伴技术进步产生一次变革。

目前电力系统 “发、输、配、用”的结构是在140年前“特斯拉与爱迪生之争”后形成的。新型电力系统的电源结构、负荷特性、电网形态、技术基础、运行特性等方面都发生了重大改变，呈现出清洁低碳、安全可控、灵活高效、智能友好、开放互动等特点。同时，氢能供应链和系统具备与电力系统形成并重互补结构的潜力，正在展示诱人的前景，为实现能源结构低碳绿色变革奠定基础。

来源：能源评论