加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)、保障國家能源安全和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2060年，氫能在終端能源消費(fèi)中比重約為20%。
在技術(shù)、成本、政策等推動(dòng)下，氫能作為連接可再生能源的紐帶和電力儲(chǔ)能介質(zhì)成為可能，在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。
氫能在新型電力系統(tǒng)中的定位
隨著可再生能源裝機(jī)快速增長(zhǎng)以及用戶側(cè)負(fù)荷的多樣性變化，電網(wǎng)面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。在碳中和目標(biāo)下，氫能作為新興零碳二次能源得到快速發(fā)展，為電力系統(tǒng)發(fā)展帶來了難得的機(jī)遇。
一是利用可再生能源電制氫，促進(jìn)可再生能源消納。我國可再生能源發(fā)展領(lǐng)先全球，水、風(fēng)、光裝機(jī)量均為世界第一，據(jù)國家能源局發(fā)布的2020年可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行情況可知，目前國內(nèi)風(fēng)電、光伏利用率分別為97%和98%，隨著大規(guī)?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展，其運(yùn)行消納問題會(huì)進(jìn)一步顯現(xiàn)，利用可再生能源制氫可有效提升我國可再生能源消納水平。
二是利用氫儲(chǔ)能特性，實(shí)現(xiàn)電能跨季節(jié)長(zhǎng)周期大規(guī)模存儲(chǔ)。電化學(xué)儲(chǔ)能存在儲(chǔ)能時(shí)間短，容量規(guī)模等級(jí)小等不足，目前主要用于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、平滑新能源出力波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)別的短周期響應(yīng)與調(diào)節(jié)，而氫儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，能夠在電化學(xué)儲(chǔ)能不適用的場(chǎng)景發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，在大容量長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)的場(chǎng)景中，氫儲(chǔ)能在經(jīng)濟(jì)性上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
三是利用氫能電站快速響應(yīng)能力，為新型電力系統(tǒng)提供靈活調(diào)節(jié)手段?；赑EM（質(zhì)子交換膜）的電解水制氫裝備具有較寬的功率波動(dòng)適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)輸入功率秒級(jí)、毫秒級(jí)響應(yīng)，同時(shí)可適應(yīng)10%—150%的寬功率輸入，為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)，提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性，是構(gòu)建零碳電網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的重要手段。
四是推動(dòng)跨領(lǐng)域多類型能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，拓展電能綜合利用途徑。氫能作為靈活高效的二次能源，在能源消費(fèi)端可以利用電解槽和燃料電池，通過電氫轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電力、供熱、燃料等多種能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互補(bǔ)和協(xié)同優(yōu)化，推動(dòng)分布式能源發(fā)展，提升終端能源利用效率。
電氫耦合的應(yīng)用場(chǎng)景與分析
氫能在能源、交通、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可以作為能源互聯(lián)轉(zhuǎn)化的重要媒介，推動(dòng)能源清潔高效利用，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模深度脫碳。氫能發(fā)展的初衷是解決低碳和生態(tài)環(huán)保等問題，可再生能源電制氫是未來氫能發(fā)展的主要方向，將應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)“源、網(wǎng)、荷”各環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)電氫耦合發(fā)展態(tài)勢(shì)。
一是應(yīng)用于電源側(cè)。利用可再生能源綠色制氫技術(shù)，將風(fēng)能、太陽能等可再生能源電力清潔高效地轉(zhuǎn)換為氫能，推動(dòng)氫能在電源側(cè)與可再生能源耦合，促進(jìn)大規(guī)?？稍偕茉聪{，提高可再生能源利用率。
二是應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)。利用氫能具有跨季節(jié)、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能特性，發(fā)揮氫儲(chǔ)能作用，可積極參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)，提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性，實(shí)現(xiàn)能源跨地域和跨季節(jié)的能源優(yōu)化配置。
三是應(yīng)用于用戶側(cè)。通過氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供、區(qū)域電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻及建筑深度脫碳減排的應(yīng)用，可擴(kuò)展氫能在終端用能領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和綜合能源業(yè)務(wù)發(fā)展，推動(dòng)冷-熱-電-氣多能融合互補(bǔ)，提升終端能源效率和低碳化水平。
通過分析源側(cè)棄電制氫、網(wǎng)側(cè)氫儲(chǔ)能、負(fù)荷側(cè)利用特高壓通道直接制氫三大場(chǎng)景，可以看出，在源端利用富余風(fēng)、光、水等可再生能源制氫，就地銷售到市場(chǎng)上可獲得較好收益，但是輸氫成本較高，長(zhǎng)距離輸送到需求端不具備經(jīng)濟(jì)性；在網(wǎng)側(cè)，氫儲(chǔ)能站通過參與電網(wǎng)輔助服務(wù)和售氫氧收入，具備一定的經(jīng)濟(jì)性；從當(dāng)前風(fēng)電和光伏的整體建設(shè)上來看，西北地區(qū)具有豐富的風(fēng)力和光伏資源，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南地區(qū)是重要的用氫需求地，綠氫的輸送通道和特高壓輸送通道基本重合，合理利用特高通道長(zhǎng)途輸電，在負(fù)荷側(cè)通過特高壓通道直接制氫，在成熟的電力市場(chǎng)價(jià)格機(jī)制下，相比“源側(cè)電制氫+管道輸氫”應(yīng)用場(chǎng)景，“特高壓輸電+負(fù)荷側(cè)制氫”在經(jīng)濟(jì)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
氫能在新型電力系統(tǒng)應(yīng)用挑戰(zhàn)及建議
氫能自身屬性使其具備跨時(shí)間和空間靈活應(yīng)用的潛力，在應(yīng)對(duì)氣候變化、全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，國際上普遍認(rèn)為氫能將成為未來能源的重要載體。
但是，受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化等因素的影響，氫能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)：一是缺少電氫耦合的激勵(lì)政策與電氫協(xié)同規(guī)劃。氫能已被國家作為中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)研究方向，也出臺(tái)了諸多氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策，氫能被明確納入“新型儲(chǔ)能”，但還有待進(jìn)一步明確在新型電力系統(tǒng)中的定位，缺少相應(yīng)的激勵(lì)配套政策，氫能與電網(wǎng)規(guī)劃缺乏跨領(lǐng)域協(xié)同；二是氫能裝備部分零部件卡脖子問題和電氫耦合關(guān)鍵技術(shù)有待突破。核心材料催化劑、質(zhì)子交換膜以及儲(chǔ)氫材料的開發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)較少，國內(nèi)廠家的技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平有一定差距，需要鼓勵(lì)國內(nèi)自主技術(shù)的快速迭代和提升，同時(shí)氫能與電力系統(tǒng)耦合的關(guān)鍵技術(shù)研究較少，在氫能與電網(wǎng)規(guī)劃、風(fēng)光耦合的波動(dòng)性制氫、適用于電力系統(tǒng)的高密度儲(chǔ)氫、電氫耦合運(yùn)行控制、氫能應(yīng)用安全等方向還需進(jìn)一步研究；三是綠氫生產(chǎn)成本較高，氫儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性尚未顯現(xiàn)。當(dāng)前可再生能源生產(chǎn)的綠氫價(jià)格比灰氫高兩到三倍，電制氫與燃料電池效率還有待提升；四是電氫耦合標(biāo)準(zhǔn)體系有待完善。目前，可再生能源制氫、電力系統(tǒng)儲(chǔ)氫、電氫耦合運(yùn)行控制、氫燃料電池發(fā)電與熱電聯(lián)供方面標(biāo)準(zhǔn)體系還存在體系不健全甚至空白等問題，制約了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
因技術(shù)瓶頸和經(jīng)濟(jì)性等原因，氫能當(dāng)前還不具備大規(guī)模推廣的條件，建議示范先行，隨著技術(shù)的進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)的成熟，逐步推廣，有序發(fā)展。針對(duì)電氫耦合產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，建議從頂層設(shè)計(jì)、跨專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)化工作、示范建設(shè)加強(qiáng)布局。
一是加快推進(jìn)電氫協(xié)同和頂層政策設(shè)計(jì)。建議氫能與新型電力系統(tǒng)建設(shè)相結(jié)合，針對(duì)電氫耦合發(fā)展，開展激勵(lì)政策設(shè)計(jì)，進(jìn)行應(yīng)用引導(dǎo)和優(yōu)化補(bǔ)貼；
二是加強(qiáng)跨專業(yè)聯(lián)合攻關(guān)及產(chǎn)學(xué)研協(xié)同研究。建議加強(qiáng)跨領(lǐng)域跨產(chǎn)業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)和卡脖子技術(shù)。加強(qiáng)電氫基礎(chǔ)研究，培育電氫耦合跨專業(yè)聯(lián)合科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)，從產(chǎn)、學(xué)、研、用多方位協(xié)同加速推動(dòng)電氫耦合產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
三是建立健全電氫耦合標(biāo)準(zhǔn)體系。從風(fēng)光可再生能源制氫、氫能電站、電氫耦合運(yùn)行控制等方向，推進(jìn)能源電力領(lǐng)域電氫耦合的標(biāo)準(zhǔn)化工作，構(gòu)建并進(jìn)一步完善氫能與電網(wǎng)耦合領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系，促進(jìn)氫能在電力系統(tǒng)應(yīng)用工程的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和規(guī)范化管理。
四是加快典型示范工程建設(shè)。圍繞綠氫生產(chǎn)基地，開展風(fēng)光氫儲(chǔ)試驗(yàn)和示范工程，提升可再生能源利用率；在新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)省市，建設(shè)氫儲(chǔ)能電站，參與電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)；在國家氫能試點(diǎn)城市，重點(diǎn)在重卡、物流需求密集區(qū)，因地制宜建設(shè)分布式制氫和充電站融合綜合能源服務(wù)站，開展電氫耦合技術(shù)的工程化示范，打造電氫耦合精品示范工程。
（作者均供職于中國電力科學(xué)研究院技術(shù)戰(zhàn)略研究中心）
