大規(guī)模高比例可再生能源電力的接入，對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。首先，風電和光伏在時間維度上具有周期特征的間歇波動性、在空間維度上具有資源稟賦的差異性，新型電力系統(tǒng)承擔著復雜繁重的消納任務，需要在不同時間尺度、以不同能源載體形式提高系統(tǒng)靈活響應能力。其次，當前我國電力系統(tǒng)的新型儲能技術(shù)形式以儲電尤其是電化學儲能為主，難以滿足大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)的電力調(diào)節(jié)需求。第三，提高煤電機組靈活調(diào)節(jié)能力、降低煤電機組最小技術(shù)出力同樣是現(xiàn)階段讓渡可再生能源電力、提高可再生能源利用水平的重要手段之一。但是，隨著我國碳中和進程的不斷推進，提高非化石能源消費占比是降低碳排放最直接有效的方式。因此，新型電力系統(tǒng)亟需挖掘多元穩(wěn)定的清潔低碳能源載體，為構(gòu)建安全可靠的電力系統(tǒng)運行體系提供堅強支撐和有力保障。
氫能作為一種來源廣泛、清潔靈活、應用場景豐富的二次能源，在化工、交通、能源電力、建筑等領(lǐng)域均涉及應用。在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的背景下，氫能是電能的重要能量轉(zhuǎn)換載體，基于各類可再生能源制氫技術(shù)為基礎的電氫應用體系可以靈活地實現(xiàn)電能-氫能的雙向互動轉(zhuǎn)化，因地制宜形成滿足電、熱、冷多元化能源需求的多能互補系統(tǒng)，是可再生能源電力的有力補充。
儲氫是電氫應用體系中的重要環(huán)節(jié)，可以克服新能源電力存儲難以大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)的局限性，助力提高新型電力系統(tǒng)的低碳電源支撐能力。下面主要從構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的角度對儲氫規(guī)模和儲氫形式兩個關(guān)鍵問題進行討論，并提出儲氫技術(shù)應用在電力領(lǐng)域應用的發(fā)展建議。
圖1 氫電應用體系
一
儲氫規(guī)模宜合理優(yōu)化、按需配置
隨著構(gòu)建新型電力系統(tǒng)進程的不斷推進，發(fā)展長時間尺度、大規(guī)模儲能技術(shù)的緊迫性逐漸凸顯。已經(jīng)商業(yè)化的大規(guī)模儲能技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、熱水/熔鹽等儲熱技術(shù)。但抽水蓄能的建設受廠址條件嚴格限制，熔鹽儲熱技術(shù)主要應用于光熱發(fā)電領(lǐng)域，壓縮空氣儲能技術(shù)正在商業(yè)化示范的初期。鑒于氫能具有靈活應用的優(yōu)勢并且可以進行大規(guī)模、長周期儲存，儲氫技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。
圖2 幾種主要儲能形式的儲能容量和儲能時長
雖然儲氫從時間尺度角度講具有長周期、跨季節(jié)的優(yōu)勢，但是電-氫-電的轉(zhuǎn)化效率實際僅有40%左右，遠遠低于鋰離子儲能的效率。因此，如果一味增加儲氫規(guī)模，會顯著降低系統(tǒng)整體發(fā)電效率，減少可再生能源電量，直接影響經(jīng)濟性；但如果儲氫規(guī)模過小，則會難以滿足長時間儲氫的需求，不利于提高可再生能源消納水平。因此，按需合理配置儲氫規(guī)模是充分發(fā)揮儲氫技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中優(yōu)勢的重要方面。
以內(nèi)蒙古風光資源較好的地區(qū)為例，以電源基地風電/光伏/火電裝機規(guī)模為4000MW/8000MW/4000MW、配置1000MW/2000MWh鋰離子儲能為基礎條件，當固定配置500MW電解水制氫系統(tǒng)、儲氫時長從2小時增加到16小時，考慮以可再生能源電解水制氫—氣體儲氫—氫燃料電池發(fā)電體系的氫電系統(tǒng)的發(fā)電量隨儲氫時長的變化如表1所示。
第一，從表中可以看出，當儲氫時長從2小時增加至6小時的時候，儲氫發(fā)電量增加明顯，之后隨著儲氫時長的增加，發(fā)電量增加并不明顯，這說明大規(guī)模儲氫的時長存在一個最優(yōu)值，并非時間越長越好；第二，在給定的資源條件下，氫能量存儲可以跨天，從而實現(xiàn)長周期儲能，而鋰電是日內(nèi)、日間充放電，這說明相比于鋰電儲能，儲氫具有長時間尺度儲能的優(yōu)勢；第三，電氫系統(tǒng)的充放電效率遠遠小于鋰電，這也導致了電氫系統(tǒng)的能量利用率低，因此，電氫循環(huán)系統(tǒng)適用于峰谷價差較大或需要長周期、大規(guī)模消納棄風棄光的場景。
仍以內(nèi)蒙古風光資源較好的地區(qū)為例，以電源基地風電/光伏/火電裝機規(guī)模為4000MW/8000MW/4000MW、配置1000MW/2000MWh鋰離子儲能為基礎條件，儲氫時長6小時，儲氫容量從200MW增加至1000MW，以可再生能源電解水制氫—氣體儲氫—氫燃料電池發(fā)電體系的氫電系統(tǒng)發(fā)電量隨儲氫容量變化如表2所示。
隨著儲氫容量的增加，氫電系統(tǒng)的發(fā)電量明顯增加，這主要是因為儲氫容量增加后，平抑瞬時風電、光伏波動性的能力增強了，但是氫電循環(huán)裝置的利用小時數(shù)并不是隨之增加的，而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這是因為儲氫容量存在一個結(jié)合經(jīng)濟性確定的最佳儲氫容量，當設計儲氫容量小于最佳儲氫容量時，不能滿足消納風光的需求；而當設計容量大于最佳儲氫容量時，雖然氫電循環(huán)發(fā)電量增加、可再生能源利用水平提高，但是氫電循環(huán)裝置利用小時數(shù)下降，實際運行過程中部分裝置可能僅在少數(shù)風電峰值時刻運行，其他時間備用或停機從而導致全年閑置時間較長，由此增加的建設運行費用有可能難以滿足項目經(jīng)濟性要求。因此，合理優(yōu)化儲氫容量是兼顧可再生能源消納利用和技術(shù)經(jīng)濟性的必然要求。
二
儲氫形式應因地制宜、經(jīng)濟可行
儲氫形式的劃分有多種說法，一種是以物理形態(tài)區(qū)分，即氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫；一種是以化合狀態(tài)區(qū)分，氫單質(zhì)狀態(tài)、氫化合物狀態(tài)。最早期國內(nèi)均是以物理形態(tài)區(qū)分儲氫形式，當時氨和甲醇尚未被納入到儲氫體系中。近年來，隨著對儲氫技術(shù)認識的不斷加深，鑒于氨和甲醇等氫化合物作為儲氫方式具有運輸便捷經(jīng)濟的優(yōu)勢，逐漸也被納入了儲氫體系中。
在新型電力系統(tǒng)中，氫電循環(huán)中儲氫的上游制取環(huán)節(jié)為可再生能源電解水制氫，下游利用環(huán)節(jié)一般為燃料電池和氫燃機，因此，儲氫被視為是一種提高電力系統(tǒng)靈活性和增加可再生能源電量的方式，且不同類型的燃料電池和氫燃機對氫氣入口的純度要求也有所差異。
圖3 以物理形態(tài)區(qū)分的儲氫形式 圖4 以化合狀態(tài)區(qū)分的儲氫形式
在送端來說，儲氫可以和電化學儲能配合應用于大型多能互補綜合能源基地中，電化學儲能用于短時調(diào)峰、調(diào)頻，儲氫則在新能源發(fā)生季節(jié)性波動和非常規(guī)天氣狀況時發(fā)揮長周期、大規(guī)模儲能的優(yōu)勢。在這種情況下，采用儲罐儲氫顯然是不經(jīng)濟的，在眾多儲氫技術(shù)路線中，利用鹽穴、廢棄礦井、含水層等特殊地質(zhì)條件進行氫氣存儲是長期規(guī)?；瘍涞淖罴淹緩街?。國際上已經(jīng)開展了利用鹽穴進行規(guī)?；瘍涞膰L試，充分說明了該技術(shù)路線的可行性，四個已經(jīng)建成的鹽穴儲氫項目分別位于美國和英國。
在受端來說，儲氫主要作為削峰填谷、需求側(cè)響應的一種儲能形式，可選擇的儲氫形式比較靈活?？梢愿鶕?jù)具體的應用場景選擇氣罐壓縮氫氣儲氫、金屬氫化物的固態(tài)儲氫形式或低溫液態(tài)、有機液態(tài)等液態(tài)儲氫形式，若氨燃機進一步技術(shù)成熟后，也可以選擇儲氨的形式。但具體儲氫形式的確定應重點考慮儲氫下游氫-電系統(tǒng)的技術(shù)路線，結(jié)合對氫氣純度要求而統(tǒng)籌考慮確定。
三
發(fā)展建議
新型電力系統(tǒng)具有適應大比例可再生能源且全面低碳化的特征，因此，在未來的新型電力系統(tǒng)中，能夠大容量、長時間尺度充分消納利用可再生能源的儲氫技術(shù)是其他儲能形式的有益補充，是推動多能互補和源網(wǎng)荷儲一體化發(fā)展的重要手段。
（一）推動各種儲氫技術(shù)裝備的技術(shù)進步和發(fā)展，鼓勵開展能源電力領(lǐng)域范圍內(nèi)的不同場景、不同規(guī)模的儲氫技術(shù)示范，為高比例可再生能源接入電力系統(tǒng)進行技術(shù)儲備。結(jié)合可再生能源電力制氫為制取環(huán)節(jié)、燃料電池發(fā)電或氫燃機發(fā)電為利用環(huán)節(jié)的不同應用模式，探索在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)因地制宜開展不同儲氫技術(shù)形式的示范，形成不同儲氫技術(shù)的適用應用場景及規(guī)模配置建議。
（二）盡快完善能源電力領(lǐng)域電氫循環(huán)體系的技術(shù)標準規(guī)范，明確氫的能源屬性，建立能源電力領(lǐng)域氫能利用的安全監(jiān)管和風險評價體系。一方面，氫能現(xiàn)階段仍然按?；愤M行管控，由氫合成的甲醇和氨同屬?；?，這使得氫的能源化利用存在諸多障礙；另一方面，氫能尚未建立完整完善的制、儲、運、用各環(huán)節(jié)的技術(shù)標準體系，尤其是在氫電應用方面，如電解水制氫系統(tǒng)的電力系統(tǒng)接入、電氫系統(tǒng)集成優(yōu)化設計規(guī)范、電氫循環(huán)項目的安全管理規(guī)范等，未來仍然需要進一步研究制定相關(guān)標準規(guī)范體系，以支撐氫能的健康、穩(wěn)步發(fā)展。
（三）建立健全電力市場、碳市場的市場機制，客觀反映以可再生能源電解水制氫為基礎的綠氫及儲氫在新型電力系統(tǒng)中的實際價值?，F(xiàn)階段，可再生能源電解水制氫價格仍然較高，規(guī)?；瘍浼夹g(shù)尚未具備技術(shù)經(jīng)濟性，然而在“雙碳”目標下，具有綠色低碳屬性的大規(guī)模、長周期的儲氫及其轉(zhuǎn)化為的電力必將是維持新型電力系統(tǒng)供需平衡和保障系統(tǒng)安全的重要方式，相應地，必須盡快建立健全能源、電力系統(tǒng)輔助服務和價格形成機制，加快完善碳市場相關(guān)機制，客觀反映儲氫的實際價值。
