综述：可再生能源系统中绿色氢能的协同整合：关键技术、研究格局与未来展望综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Synergistic integration of green hydrogen in renewable power systems: A comprehensive review of key technologies, research landscape, and future perspectives

本综述系统探讨了绿色氢能（H2）与可再生能源系统（RES）的协同整合（IEHS）。文章全面梳理了氢能供应链（生产、存储、运输、利用）的关键技术、全球路线图及政策，并重点评述了集成系统在物理建模、优化规划与调度、运行控制及市场交易等领域的最新研究进展。最后，针对关键材料设备、多尺度建模、不确定性管理、系统韧性及市场设计等挑战，提出了未来研究方向。

　　

框架概述

集成电氢系统（Integrated Electricity and Hydrogen Systems, IEHS）是一种旨在协调电力和氢能作为核心能源载体的互补特性的变革性能源架构。其典型结构促成了电力系统（Electric Power Systems, EPS）和氢能系统（Hydrogen Energy Systems, HES）之间通过电解槽和燃料电池等电-氢耦合组件实现深度双向互动。电解槽将来自可再生能源或电力系统的电能转化为氢能，随后氢能被储存并运输至各类用户端，例如化工厂和交通领域。这种集成通过电-氢能量的动态交换，有效提升了整体能源效率，并促进了可再生能源的大规模消纳。

绿色氢能技术与全球路线图

绿色氢能供应链涵盖生产、储存、运输和利用等多个环节。在生产方面，通过可再生能源（如太阳能、风能）驱动水电解（Water Electrolysis）技术是实现零碳排放的关键，主要技术路线包括碱性电解槽（ALK）、质子交换膜电解槽（PEM）等。氢能的储存方式多样，包括高压气态储氢、低温液态储氢以及基于金属氢化物的固态储氢等，以满足不同场景下的能量密度和存储时长需求。运输环节则涉及管道输氢、长管拖车以及将氢转化为其他载体（如氨NH₃）等方式，以实现氢能的跨区域灵活调配。在利用端，氢燃料电池（Fuel Cells）技术可将氢能高效地转化为电能和热能，广泛应用于重型交通、联合热电（CHP）系统以及化工原料等领域。为加速绿色氢能发展，全球多个国家和地区已制定了详细的氢能路线图和支持政策，旨在推动关键技术创新和产业链成熟。

前沿研究格局

当前关于IEHS的研究主要围绕物理建模、优化规划与调度、运行控制以及市场交易等方面展开。在物理建模领域，研究致力于构建能够准确描述电-氢耦合系统动态特性的数学模型，涵盖从设备级到系统级的多个尺度。优化规划与调度研究则聚焦于如何在多时间尺度（从秒级频率调节到季节性储能）上，协调电氢系统的投资配置和日常运行，以提升经济性和可靠性。运行控制策略旨在确保IEHS在面对可再生能源波动和负荷变化时的稳定运行，例如利用电解槽的快速响应能力为电网提供辅助服务。市场交易方面的探索则涉及氢能作为商品参与电力市场、碳市场等机制设计，以激发投资和运营的灵活性。

挑战与未来展望

尽管IEHS展现出巨大潜力，但其发展仍面临诸多挑战。首先，关键材料和设备（如电解槽催化剂、燃料电池膜电极）的性能、寿命和成本仍需进一步提升。其次，需要开发更精确的多尺度动态建模与仿真工具，以应对系统内复杂的物理化学过程和多时间尺度耦合效应。第三，在规划和运行中需充分考虑可再生能源出力和市场需求等多重不确定性。第四，需加强系统的风险分析和韧性增强策略，以应对极端事件。第五，探索氢能与化工合成（如合成氨、甲醇）的灵活协调，拓展氢能的应用场景。第六，应用人工智能、大数据等先进方法提升系统智能化水平。最后，完善市场机制、法规政策和参与模式，为IEHS的规模化发展创造有利环境。

结论

绿色氢能已成为连接可再生电力和难以电气化的终端用能部门的关键能源载体。随着风电和光伏平准化成本的持续下降，由可再生能源驱动的电解水制绿氢提供了零碳的原料和燃料选择。通过实现电力系统与氢能系统之间的双向能量转换，IEHS成为一种增强电网灵活性、支持大规模可再生能源并网、促进深度脱碳的有前景的解决方案。未来的研究和发展需聚焦于克服技术、建模、市场和政策等方面的挑战，以充分发挥IEHS在全球能源转型中的潜力。