文 | 章雷其 馬瑜涵 江航 汪冬輝
作為一種二次能源，利用氫能是綠色且環(huán)保的。但生產(chǎn)端則未必。目前，96%以上的氫氣來(lái)自碳基化合物（如煤氣化、天然氣裂解和甲醇重整），制取過(guò)程會(huì)釋放大量的二氧化碳，這樣制取的氫能被稱為灰氫。只有用風(fēng)、光等可再生能源產(chǎn)生的綠電制取的綠氫，才算實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。也正是通過(guò)綠氫，電與氫耦合在一起。
氫電耦合是未來(lái)氫能應(yīng)用的主要方向之一。根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)組織的估算，到2060年，中國(guó)電制氫的規(guī)模將達(dá)到6000萬(wàn)噸，折合電能約為36000億千瓦時(shí)，將是2019年全國(guó)用電量的50%。
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對(duì)于電網(wǎng)，氫能的兩大功能值得關(guān)注。一方面，氫能可以實(shí)現(xiàn)脫碳電力的消納，增加電網(wǎng)的彈性；另一方面，氫能可減少對(duì)化石能源的依賴，幫助交通、工業(yè)、建筑等難以深度脫碳的領(lǐng)域脫碳，助力電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型。
助力“高彈性電網(wǎng)”
“雙碳”目標(biāo)對(duì)能源體系提出了根本性的變革要求，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將在此過(guò)程中扮演重要角色。
當(dāng)下在浙江，光伏發(fā)電已經(jīng)超過(guò)水電，成為浙江第二大電源。到2025年，浙江規(guī)劃新能源裝機(jī)總量為3700萬(wàn)千瓦，同比2020年增長(zhǎng)近100%。
隨著新能源滲透率的快速提高，電網(wǎng)形態(tài)及運(yùn)行特性將發(fā)生變化，電力電子化特征逐漸凸顯，浙江電網(wǎng)將面臨電力電量平衡困難、穩(wěn)定控制難度大、調(diào)節(jié)能力不足等挑戰(zhàn)，需要新的應(yīng)對(duì)策略。
氫電耦合則是可以選取的策略之一。當(dāng)前，氫電耦合已經(jīng)在能量調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、能源互聯(lián)等方面體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。
目前，國(guó)網(wǎng)浙江電力正全面推進(jìn)“高彈性電網(wǎng)”建設(shè)，聚焦氫能等儲(chǔ)能載體與電網(wǎng)耦合發(fā)展，通過(guò)以下四方面，支撐浙江省率先實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。
第一，氫電耦合助力高比例新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
浙江分布式新能源發(fā)展迅猛，電制氫裝置功率運(yùn)行范圍寬，與新能源的波動(dòng)特性相匹配。將氫能與新能源耦合，可有效優(yōu)化新能源多時(shí)間尺度的并網(wǎng)特性，提升高比例新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性；同時(shí)，可參與系統(tǒng)深度調(diào)峰與調(diào)頻，提升系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，促進(jìn)新能源消納。
第二，氫電耦合助力電能的大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。
隨著新能源滲透率提高，長(zhǎng)時(shí)間尺度（如季節(jié)性）的源荷不平衡問(wèn)題將越來(lái)越突出，而氫能是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的最佳途徑之一。氫及衍生氣體的能量存儲(chǔ)規(guī)模從百千瓦到吉瓦，存儲(chǔ)時(shí)間從小時(shí)到季，存儲(chǔ)特性與電化學(xué)儲(chǔ)能互補(bǔ)。從成本看，規(guī)?；瘍?chǔ)氫比電池儲(chǔ)電的成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)。氫電耦合對(duì)于“碳中和”場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)全時(shí)段能量平衡具有重要意義，可以顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的彈性。
第三，氫電耦合助力分布式供能高效發(fā)展。
燃料電池?zé)犭娐?lián)供綜合效率高，可作為電網(wǎng)公司拓展綜合能源業(yè)務(wù)的重要技術(shù)手段。針對(duì)海島、邊防等偏遠(yuǎn)地區(qū)，構(gòu)建分布式電源—?dú)漶詈锨鍧嵐┠芟到y(tǒng)，利用分布式電源制取氫氣，通過(guò)燃料電池進(jìn)行熱電聯(lián)供，在風(fēng)光資源不足時(shí)，持續(xù)向用戶供電，解決無(wú)電區(qū)域供電困難的問(wèn)題，并輔助供給生活熱水，滿足用戶多種用能需求。整個(gè)過(guò)程不產(chǎn)生任何污染，環(huán)境友好性強(qiáng)。
第四，氫電耦合助力構(gòu)建以電為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)。
氫燃料電池汽車是對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的重要補(bǔ)充，電網(wǎng)公司可發(fā)展充電—加氫一體化綜合能源站，拓展業(yè)務(wù)范圍，促進(jìn)電網(wǎng)與交通網(wǎng)的深度融合，構(gòu)建電氫融合的零碳交通網(wǎng)。以氫能綜合利用為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開展電制甲烷、電制甲醇、電制氨，加強(qiáng)電網(wǎng)與氣網(wǎng)的緊密聯(lián)系，促進(jìn)更多行業(yè)實(shí)現(xiàn)電能替代。
凸顯多元化潛力
目前，氫能應(yīng)用大多集中在道路交通領(lǐng)域，但實(shí)際上，氫能在可再生能源消納、儲(chǔ)能、發(fā)電、建筑等領(lǐng)域均有巨大應(yīng)用潛力。
國(guó)網(wǎng)浙江電力一直在密切跟蹤氫電耦合系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，于2019年成功申請(qǐng)國(guó)家電網(wǎng)有限公司科技項(xiàng)目《百千瓦級(jí)氫利用關(guān)鍵技術(shù)研究及示范》；2020年，成功立項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《可離網(wǎng)型風(fēng)/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術(shù)》。目前，國(guó)網(wǎng)浙江電力正在寧波、杭州、麗水、臺(tái)州等地開展氫電耦合基于工業(yè)園區(qū)、產(chǎn)業(yè)基地、農(nóng)村、海島等的多場(chǎng)景示范與應(yīng)用。
在寧波，國(guó)網(wǎng)浙江電力基于工業(yè)園區(qū)的氫電耦合直流微網(wǎng)示范工程，助力產(chǎn)業(yè)升級(jí)。塊狀經(jīng)濟(jì)量大面廣，是浙江工業(yè)最突出的特點(diǎn)之一，工業(yè)園區(qū)是塊狀經(jīng)濟(jì)向產(chǎn)業(yè)集群轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要載體。國(guó)網(wǎng)浙江電力選址寧波慈溪市氫能產(chǎn)業(yè)園，開展基于工業(yè)園區(qū)的氫電耦合直流微網(wǎng)示范工程。該工程是上述《可離網(wǎng)型風(fēng)/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術(shù)》的配套示范工程，將建成首個(gè)電—?dú)洹獰帷囻詈系闹袎褐绷骰ヂ?lián)系統(tǒng)，開發(fā)支撐互聯(lián)系統(tǒng)靈活運(yùn)行的能量管理系統(tǒng)，研制效率領(lǐng)先的電—?dú)洹洹姛崮芰哭D(zhuǎn)換裝置，滿足用戶對(duì)電、氫、熱多種能源需求，實(shí)現(xiàn)清潔能源生產(chǎn)到終端能源消費(fèi)的全過(guò)程零碳。
在杭州，國(guó)網(wǎng)浙江電力基于產(chǎn)業(yè)基地的低碳?xì)淠苁痉豆こ?，助力低碳亞運(yùn)。
結(jié)合2022年杭州亞運(yùn)會(huì)“綠色、智能、節(jié)儉、文明”的辦會(huì)理念，國(guó)網(wǎng)浙江電力選址于格力電器園區(qū)，開展基于產(chǎn)業(yè)基地的亞運(yùn)低碳?xì)淠苁痉豆こ?。工程擬構(gòu)建高效、可靠和穩(wěn)定供電的“可再生能源制氫—?dú)淠軆?chǔ)運(yùn)—?dú)淙剂想姵責(zé)犭娐?lián)供”能源綜合利用系統(tǒng)，形成以氫能支撐交通、建筑領(lǐng)域電能替代、碳減排的先進(jìn)工程樣本，提升氫電熱綜合供能方面的系統(tǒng)集成與工程建設(shè)能力，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力低碳亞運(yùn)。
在麗水，國(guó)網(wǎng)浙江電力基于鄉(xiāng)村場(chǎng)景的水氫生物質(zhì)近零碳示范工程，助力鄉(xiāng)村振興。
結(jié)合浙江省“共同富裕示范區(qū)”建設(shè)目標(biāo)以及麗水市碳中和先行示范區(qū)的建設(shè)要求，國(guó)網(wǎng)浙江電力選點(diǎn)麗水縉云，建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)基于鄉(xiāng)村場(chǎng)景的電-氫-生物質(zhì)綜合利用示范工程。工程將構(gòu)建以電為核心的多能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水電制氫、生物質(zhì)制氣，滿足建筑、交通、工業(yè)多樣化用能及深度脫碳需求，促進(jìn)富余水電就地消納，農(nóng)村廢棄物循環(huán)利用，形成電氫生物質(zhì)協(xié)同的鄉(xiāng)村碳中和樣本，助力鄉(xiāng)村振興。
在臺(tái)州，國(guó)網(wǎng)浙江電力基于海島場(chǎng)景的氫能綜合利用示范工程，助力綠色海島建設(shè)。
浙江是中國(guó)島嶼數(shù)量最多的省份，陸地面積大于500平方米的海島有3061個(gè)，約占全國(guó)總數(shù)的40%，目前有100多萬(wàn)人居住于海島之上，海洋綠色經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為浙江國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。國(guó)網(wǎng)浙江電力選址臺(tái)州大陳島，開展國(guó)內(nèi)首個(gè)基于海島場(chǎng)景的氫能綜合利用示范工程。工程充分利用海島豐富的清潔能源制氫，促進(jìn)海島清潔能源消納與電網(wǎng)潮流優(yōu)化，應(yīng)用制氫/發(fā)電一體化變換裝置等先進(jìn)裝備，提高系統(tǒng)針對(duì)波動(dòng)性源荷的適應(yīng)性與安全性，提升綜合能效至72%，實(shí)現(xiàn)清潔可靠備電、供熱、供氣，打造綠色海島。
國(guó)網(wǎng)浙江電力建設(shè)的四個(gè)氫能示范工程覆蓋了氫電耦合主要應(yīng)用場(chǎng)景，展現(xiàn)了在“雙碳”目標(biāo)下電能與氫能的協(xié)同方式。通過(guò)示范工程建設(shè)，搭建國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的產(chǎn)學(xué)研用團(tuán)隊(duì)，集中突破氫能領(lǐng)域核心技術(shù)與裝備研發(fā)應(yīng)用，帶動(dòng)制氫—儲(chǔ)氫—燃料電池—能量管控系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。同時(shí)，示范工程的應(yīng)用落地將為氫電耦合商業(yè)模式的探索提供重要平臺(tái)，逐步明確氫利用市場(chǎng)定位、目標(biāo)客戶群體與用氫特征，搶占?xì)潆婑詈习l(fā)展市場(chǎng)制高點(diǎn)。
未來(lái)，國(guó)網(wǎng)浙江電力將繼續(xù)開展綠電制氫、高效儲(chǔ)氫、生物質(zhì)制氣、高效熱電聯(lián)供、氫能支撐微網(wǎng)等氫電耦合關(guān)鍵領(lǐng)域研究，研制氫能與電池混合儲(chǔ)能、直流換流器等核心裝備，開發(fā)綜合能量管理系統(tǒng)，助力氫能關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展。同時(shí)，國(guó)網(wǎng)浙江電力將加快推進(jìn)氫電耦合綜合應(yīng)用的浙江“示范”，打破氫能多場(chǎng)景高效綜合利用的瓶頸，有效支撐高彈性電網(wǎng)建設(shè)。
（作者均供職于國(guó)網(wǎng)浙江電科院）
