文/張浩 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)
相比傳統(tǒng)能源，氫能源環(huán)保且可持續(xù)發(fā)展，化學(xué)反應(yīng)后只產(chǎn)生水，具有零污染、高效率、適合遠(yuǎn)距離輸送的特點(diǎn)。氫能源可以實(shí)現(xiàn)氣、液、固三態(tài)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)過(guò)程自耗少、能量密度高、生產(chǎn)方式多樣。為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，我國(guó)電力行業(yè)的減碳?jí)毫Σ蝗菪∮U，同時(shí)也孕育著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在“十四五”乃至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，氫能源將會(huì)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)會(huì)，在減碳進(jìn)程中扮演重要角色。
隨著我國(guó)可再生能源發(fā)電量逐年增多、裝機(jī)容量占比不斷增大，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可參與并網(wǎng)消納，有效減少棄風(fēng)棄光率，提高可再生能源綜合收益。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外氫能源發(fā)展現(xiàn)狀，分析當(dāng)前氫儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及制約因素，研究其在電力行業(yè)中的應(yīng)用模式；結(jié)合相關(guān)政策研究，提出未來(lái)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展建議。
1、氫能源發(fā)展概述
目前廣泛推廣的氫能源主要指氫氣的化學(xué)能，即氫氣通過(guò)氧化反應(yīng)所釋放的能量。氫能源可替代傳統(tǒng)化石能源作為交通工具的動(dòng)力燃料，也可替代煤炭、天然氣成為電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)的能源燃料，氫能源的完整產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D如圖1所示。氫氣的熱值是汽油的3倍、焦炭的4.5倍，化學(xué)反應(yīng)后僅產(chǎn)生對(duì)環(huán)境無(wú)污染的水。氫能源是二次能源，需要消耗一次能源來(lái)制取，氫氣的獲取途徑主要有化石能源制氫和可再生能源制氫。
1.1國(guó)外氫能源發(fā)展現(xiàn)狀
日本在燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)化應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先地位，其2017年發(fā)布的《氫能源基本戰(zhàn)略》明確了到2050年建成氫能社會(huì)的目標(biāo)。日本氫能與燃料電池領(lǐng)域技術(shù)全面，專(zhuān)利數(shù)量居全球第一。
美國(guó)將10月8日定為“氫能與燃料電池日”，其對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)的重視可見(jiàn)一斑。美國(guó)規(guī)劃制定了從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的完整發(fā)展路線，時(shí)間從2000年一直持續(xù)到2040年。此外，美國(guó)對(duì)運(yùn)行的氫能基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)行30%~50%的稅收抵免。歐盟規(guī)劃2050年氫燃料電池汽車(chē)占家用車(chē)比重達(dá)35%。2014年，歐盟啟動(dòng)Horizon計(jì)劃，在氫能和燃料電池領(lǐng)域的總預(yù)算達(dá)到220億歐元。目前，歐洲正在運(yùn)行的加氫站數(shù)量居全球第一，氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策效果顯著。
1.2國(guó)內(nèi)氫能源發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)，我國(guó)高度重視氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在科技專(zhuān)項(xiàng)、創(chuàng)新工程等方面進(jìn)行了重點(diǎn)布局，取得了一定成效。當(dāng)前國(guó)內(nèi)制氫主要還是依靠化石能源，電解水制氫占比非常有限。隨著氫儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和建造成本的下降，未來(lái)風(fēng)、光等可再生能源制氫的規(guī)模會(huì)越來(lái)越大，我國(guó)氫能源結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越清潔。
總體來(lái)說(shuō)，制約我國(guó)氫能源發(fā)展的還是燃料電池電堆和關(guān)鍵材料。國(guó)產(chǎn)電堆在功率密度、系統(tǒng)功率、壽命等方面與先進(jìn)水平相比還有差距；質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極等關(guān)鍵材料和高壓比空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口，產(chǎn)品價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)外燃料電池關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示。因此，我國(guó)需注重核心材料和關(guān)鍵技術(shù)的突破，補(bǔ)足短板。
2、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
在可再生能源高占比的電力系統(tǒng)中，棄風(fēng)棄光問(wèn)題隨著風(fēng)電、光伏裝機(jī)總?cè)萘康牟粩嘣黾佣找嫱怀?。由于風(fēng)電、光伏出力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確程度有限，其出力隨機(jī)性會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定沖擊。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可利用新能源出力富余的電能進(jìn)行制氫，儲(chǔ)存起來(lái)或供下游產(chǎn)業(yè)使用；當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷增大時(shí)，儲(chǔ)存起來(lái)的氫能可利用燃料電池進(jìn)行發(fā)電回饋電網(wǎng)，且此過(guò)程清潔高效、生產(chǎn)靈活。當(dāng)前氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包含制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫和燃料電池技術(shù)3個(gè)方面。
2.1制氫
利用可再生能源發(fā)電制氫是氫能制備的重要途徑，制氫成本約為1.1~2.2元/m3，對(duì)比煤制氫0.69~1.18元/m3和天然氣制氫0.8~1.7元/m3，優(yōu)勢(shì)并不明顯，但因其為“綠氫”，綜合價(jià)值較高。
目前電解水制氫主要分為堿水電解、固體氧化物電解和PEM（ProtonExchangeMembrane，簡(jiǎn)稱PEM）純水電解技術(shù)3種。其中，堿水電解制氫發(fā)展成熟、商業(yè)化程度高、成本較低，是可再生能源制氫項(xiàng)目的首選方式。河北沽源風(fēng)電制氫項(xiàng)目（200MW風(fēng)電、10MW制氫）的建成、吉林舍力風(fēng)光制氫儲(chǔ)能示范項(xiàng)目（50MW風(fēng)電、1MW制氫和1MW/（MW·h）儲(chǔ)能）的核準(zhǔn)批復(fù)均對(duì)提高可再生能源消納、促進(jìn)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展起到引領(lǐng)促進(jìn)作用。未來(lái)隨著可再生能源規(guī)模化裝機(jī)及電解水能源轉(zhuǎn)換效率的提高，“綠氫”制造成本會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。
2.2儲(chǔ)運(yùn)氫
儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)作為氫氣從生產(chǎn)到利用過(guò)程中的橋梁，至關(guān)重要?？赏ㄟ^(guò)氫化物的生成與分解儲(chǔ)氫，或者基于物理吸附過(guò)程儲(chǔ)氫。儲(chǔ)氫方式比較如表2所示。
氫能源具有質(zhì)量能量密度大但體積能量密度小的特點(diǎn)，制約其儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于兼顧安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，提高氫氣的能量密度。綜合表 2 及當(dāng)前行業(yè)情況分析，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)成熟、成本較低、應(yīng)用最多，但并非最佳方案。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫憑借其安全性、便利性及高密度的特點(diǎn)，具有較大發(fā)展?jié)摿?，是?dāng)前研究的重要方向。此外，基于我國(guó)現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行氫氣的傳輸是否可行，也是值得探討的課題。
2.3 燃料電池
燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，清潔無(wú)污染，能量轉(zhuǎn)化效率高，是氫能源的最佳利用方式，在全球范圍內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景。2009—2018 年全球燃料電池出貨量統(tǒng)計(jì)如圖 2 所示，由圖可見(jiàn)出貨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)增勢(shì)明顯。燃料電池類(lèi)型主要包括堿性電解質(zhì)、質(zhì)子交換膜、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物燃料電池，區(qū)別在于電解質(zhì)和工作環(huán)境溫度不同，適合的應(yīng)用場(chǎng)景也有差異。
各類(lèi)型燃料電池相比較，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電效率為 40%~50%，啟動(dòng)快，比功率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處于商業(yè)化前沿，在可再生能源領(lǐng)域的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用較多。固體氧化物燃料電池發(fā)電效率為55%~65%，余熱利用價(jià)值高，熱電聯(lián)供效率高，但運(yùn)行溫度高，啟動(dòng)速度較慢，適用于熱電聯(lián)供模式。近年來(lái)我國(guó)氫能燃料電池技術(shù)整體上取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但存在主要部件依賴進(jìn)口、電堆和系統(tǒng)可靠性需提高、標(biāo)準(zhǔn)體系需健全完善等問(wèn)題，仍是制約氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
3、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力行業(yè)中的應(yīng)用
風(fēng)電、光伏等可再生能源已成為我國(guó)新增電力的主力，新增裝機(jī)容量及累計(jì)裝機(jī)容量均排名世界第一，清潔能源替代作用日益顯現(xiàn)。氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中與能源供給側(cè)配合、與分布式能源發(fā)電和電網(wǎng)發(fā)展相結(jié)合，可減少新能源出力不穩(wěn)定等問(wèn)題，其應(yīng)用價(jià)值愈加突出。
3.1 可再生能源高占比電力系統(tǒng)應(yīng)用模式
如截至 2019 年底，張家口市可再生能源發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá) 1 500 萬(wàn) kW，占區(qū)域內(nèi)全部發(fā)電裝機(jī)容量的 70% 以上，預(yù)計(jì) 2030 年實(shí)現(xiàn)零碳排放，形成以可再生能源為主的能源供應(yīng)體系。在此種可再生能源高占比的電力系統(tǒng)中，風(fēng)電、光伏的出力不確定性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響，將氫儲(chǔ)能系統(tǒng)作為消納高比例可再生能源的重要載體是可行的。
風(fēng)電、光伏出力受限時(shí)，利用富余的可再生能源進(jìn)行制氫，并作為備用能源儲(chǔ)存下來(lái)；在負(fù)荷高峰期發(fā)電并網(wǎng)，提高新能源的消納能力，減少棄風(fēng)、棄光，增強(qiáng)電網(wǎng)可調(diào)度能力并確保電網(wǎng)安全。未來(lái)隨著規(guī)?；臍鋬?chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，可利用儲(chǔ)氫實(shí)現(xiàn)跨季調(diào)峰等應(yīng)用。
此外，利用大規(guī)模不可控的可再生能源來(lái)制氫是完全清潔無(wú)污染的，是真正意義的“綠氫”，同時(shí)可為煤化工和石油化工提供潔凈的原料氫，減少二氧化碳的排放，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)是有利的。
3.2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用模式
氫儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可長(zhǎng)期存儲(chǔ)、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，將其作為一種電能存儲(chǔ)方案進(jìn)行推廣利用，進(jìn)而解決區(qū)域電源和負(fù)荷的匹配問(wèn)題，可一定程度上延緩較為偏遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)的電力設(shè)備投資。例如英國(guó)的柯克沃爾小鎮(zhèn)氫能生態(tài)社區(qū)，因其位置相對(duì)偏遠(yuǎn)，小鎮(zhèn)利用棄風(fēng)和潮汐發(fā)電進(jìn)行制氫，再通過(guò)燃料電池為汽車(chē)、船舶提供動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供。
3.3 熱電聯(lián)供應(yīng)用模式
利用氫燃料電池為建筑、社區(qū)等供熱，并作為備用電源，與電力、熱力等能源品種實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互補(bǔ)，提高能源利用效率。雖然與應(yīng)用較多的供熱鍋爐相比，此模式優(yōu)勢(shì)不夠明顯，但能夠?qū)⒐岱绞綇臒犭姀S集中供熱向分布式供熱轉(zhuǎn)變，可以解決熱力管網(wǎng)、電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高額投資問(wèn)題，是一種值得研究的發(fā)展思路。此外，在滿足供熱需求的同時(shí)，也可承擔(dān)部分負(fù)荷進(jìn)行供電。如日本自2009年開(kāi)始推廣家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，普通家庭 40%~60% 的能源消耗可由此系統(tǒng)供給，商業(yè)化應(yīng)用推廣較為成功。
3.4 能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式
能源互聯(lián)網(wǎng)是充分將互聯(lián)網(wǎng)思想和能源產(chǎn)、輸、儲(chǔ)、用各環(huán)節(jié)以及能源市場(chǎng)深度融合的發(fā)展新形態(tài)。氫能源低碳、環(huán)保，能促進(jìn)可再生能源利用，無(wú)額外環(huán)境負(fù)擔(dān)，可作為能源互聯(lián)媒介實(shí)現(xiàn)跨能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化。
3.5 氫燃料電池汽車(chē)應(yīng)用模式
到 2030 年，我國(guó)燃料電池汽車(chē)保有量預(yù)計(jì)將達(dá)到 200 萬(wàn)輛。利用可再生能源發(fā)電制造“綠氫”，可將富余氫能源供給氫燃料電池汽車(chē)使用，既促進(jìn)了可再生能源與氫儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展，又實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)綠色環(huán)保零排放。通過(guò)氫能源交通的布局發(fā)展，推動(dòng)燃料電池關(guān)鍵材料、核心零部件國(guó)產(chǎn)化，促進(jìn)氫能源產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展。
4、氫儲(chǔ)能展望及建議
4.1 政策支持
在低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。國(guó)家層面，國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)加速規(guī)劃布局，《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等文件均鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2020 年 12 月，國(guó)家發(fā)布的《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書(shū)明確提出：加速發(fā)展“綠氫”制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)鏈發(fā)展；支持能源各環(huán)節(jié)各場(chǎng)景儲(chǔ)能應(yīng)用，著力推進(jìn)儲(chǔ)能與可再生能源互補(bǔ)發(fā)展。在國(guó)家政策的引領(lǐng)下，氫能源的應(yīng)用會(huì)被愈加重視，“十四五”期間將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。
地方層面，我國(guó)數(shù)十個(gè)地方政府紛紛出臺(tái)了支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃。其中，就山東地區(qū)而言，政策支持力度愈來(lái)愈大，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)樂(lè)觀。2020年6月山東發(fā)布《山東省氫能產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2020—2030年）》，助力新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。2020年12月青島發(fā)布山東省內(nèi)第一個(gè)市級(jí)規(guī)劃，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。山東省光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模全國(guó)第一、風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模全國(guó)第四、在運(yùn)在建核電裝機(jī)容量 570 萬(wàn) kW，具備新能源制氫的良好條件，是氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。濟(jì)南打造的“中國(guó)氫谷”建設(shè)工程、青島提出的“東方氫島”都將充分發(fā)揮帶頭引領(lǐng)作用，助力氫能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
4.2 發(fā)展中存在的問(wèn)題及建議
當(dāng)前制約氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的主要因素：我國(guó)在燃料電池關(guān)鍵材料、工藝、核心零部件、耐久性等方面和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距；加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，其相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)尚不完善，管理機(jī)制處在探索研究階段；燃料電池高成本現(xiàn)狀制約商業(yè)化發(fā)展。針對(duì)上述問(wèn)題，提出如下建議：
1）加大政策扶持。建議根據(jù)各省市情況加大政策支持，其中可研究制定氫燃料電池汽車(chē)補(bǔ)貼政策，促進(jìn)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，間接推動(dòng)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)等規(guī)?；瘹淠茉磻?yīng)用模式試點(diǎn)示范。鼓勵(lì)投資建設(shè)加氫站，建議省市研究制定統(tǒng)一規(guī)劃、審批、運(yùn)營(yíng)指導(dǎo)意見(jiàn)，制定標(biāo)準(zhǔn)化加氫站建設(shè)流程，推動(dòng)各省市加氫網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。
2）加強(qiáng)先試先行。各省市先行建設(shè)氫能源綜合應(yīng)用示范園區(qū)，通過(guò)示范引領(lǐng)，探索可持續(xù)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式并推廣，為全國(guó)氫能源綜合利用提供可借鑒、可推廣、可復(fù)制的成熟經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)建立健全示范區(qū)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和氫能應(yīng)用領(lǐng)域的檢測(cè)認(rèn)證、質(zhì)量認(rèn)證、安全監(jiān)測(cè)、環(huán)境評(píng)價(jià)等體系工作，形成示范區(qū)域優(yōu)勢(shì)氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模集群。
3）完善關(guān)鍵環(huán)節(jié)，貫通氫能產(chǎn)業(yè)鏈條。鼓勵(lì)多元化制氫模式以保障氫源供應(yīng)，近中期以工業(yè)副產(chǎn)氫為主，遠(yuǎn)期逐步實(shí)現(xiàn)綠色能源制氫。開(kāi)展可再生能源制氫、低谷電力制氫示范，研究核能等新能源制氫技術(shù)路徑。持續(xù)推進(jìn)加氫站建設(shè)，大力發(fā)展氫能源制造業(yè)，建設(shè)國(guó)內(nèi)燃料電池規(guī)?；a(chǎn)研發(fā)基地。
4）重視研發(fā)創(chuàng)新。確定重大關(guān)鍵技術(shù)，依托高校、科研機(jī)構(gòu)，深化產(chǎn)學(xué)研合作，吸引國(guó)內(nèi)外高端專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，提升技術(shù)創(chuàng)新和科技成果產(chǎn)業(yè)化水平，研究基于可再生能源及先進(jìn)核能的制氫、純化、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，燃料電池電堆及整車(chē)技術(shù)，開(kāi)發(fā)燃料電池及氫能源相關(guān)裝備，探索大容量、長(zhǎng)周期的氫儲(chǔ)能技術(shù)路徑。
5、結(jié)語(yǔ)
“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的確定，彰顯了我國(guó)走綠色低碳發(fā)展道路的雄心和決心，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看也預(yù)示著可再生能源的發(fā)展勢(shì)頭將持續(xù)強(qiáng)勁，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也將迎來(lái)新的機(jī)遇。充分借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)基本情況，探索氫能源產(chǎn)業(yè)鏈和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展道路，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量穩(wěn)健發(fā)展，進(jìn)而助力清潔低碳、安全高效能源體系的構(gòu)建。
