中國儲能網訊：氫能是現代能源體系的重要組成部分，將深刻影響中國能源應用的前景。氫儲能是解決可再生能源消納和緩解峰谷電差的有效方式之一，通過電轉氫技術可以實現規(guī)模化、長期、廣域的儲能。氫儲能或將成為未來重大創(chuàng)新技術，可有效彌補電能存儲性能差的短板，有力支撐高比例可再生能源發(fā)展，有助于優(yōu)化能源結構，提升能源系統整體效率，促進能源革命。
氫儲能概述
目前氫氣制取主要有以下三種較為成熟的技術路線：一是化石燃料制氫；二是工業(yè)副產氫尾氣提純制氫；三是電解水制氫?；茉春透碑a氫提純制取的氫氣本質來源都是含碳化石原料，無法擺脫碳排放問題；并且這兩種技術路線都是從一種易儲存的能量物質，轉換成另一種可存儲的能量物質，不適用于氫儲能，也不利于降低排放。而通過可再生能源電解水制氫，可實現電-氫綠色轉換，將不易儲存的電能轉換為氫能存儲起來，實現能源轉換和存儲。
儲能發(fā)展的必要性
國家能源局統計結果顯示，2019 年底，可再生能源發(fā)電裝機達到 7.94 億 kW，占比 39.5%；2019 年可再生能源發(fā)電量達 2.04 萬億 kWh，占比 27.9%。可再生能源快速發(fā)展的同時也帶來了大量的問題，水力發(fā)電的季節(jié)性、風光發(fā)電的波動性和不確定性，對電力系統資源配置、安全穩(wěn)定運行提出了更高要求。2019 年全年主要流域棄水電量 300 億 kWh、棄風電量 169 億 kWh，棄風率 4%；棄光電量 46 億 kWh，棄光率 2%。發(fā)展切實有效的大規(guī)模儲能技術，對消納棄電、保障電力系統穩(wěn)定具有重要意義。
儲能的種類和特點
下表給出了幾種儲能方式的綜合比較：
（注：* 表示電站通常設計使用壽命；** 堿性電解設備壽命15 年，燃料電池發(fā)電受制于現階段的技術成熟度，壽命約 6年，綜合取 10 年。）
目前較為成熟的儲能方式主要有抽水蓄能和電化學儲能兩大類。抽水蓄能電站需要具有發(fā)達的水系和優(yōu)良的地質條件，并且建設周期長；電化學儲能近些年發(fā)展迅速，但由于成本較高，電池壽命只有五年左右，并且廢舊電池處理面臨諸多環(huán)保問題，目前在容量需求小的調頻率儲能應用較多，大規(guī)模調峰儲能應用不具有經濟可行性。其他方式的儲能包括壓縮空氣儲能、電磁儲能（超級電容器、超導儲能）和熱儲能等，受制于技術成熟度、成本、效率等方面因素影響，目前難以做到大規(guī)模商業(yè)化應用。
氫儲能優(yōu)缺點
氫儲能技術是利用電力和氫能的互變性而發(fā)展起來的。利用電解制氫，將間歇波動、富余電能轉化為氫能儲存起來；在電力輸出不足時，利用氫氣通過燃料電池或其他發(fā)電裝置發(fā)電回饋至電網系統。電解水制氫技術成熟，工藝簡單，清潔環(huán)保，制取的氫氣和氧氣純度高，而且設備單機容量大，市場成熟產品可做到 5 MW/ 臺，制氫量 1000 Nm3/h，可大規(guī)模使用。
氫儲能目前存在的問題是效率較低、造價高。電解水制氫效率達 65%~75%，燃料電池發(fā)電效率為 50%~60%，單過程轉換效率相對較高，但電 - 氫 -電過程存在兩次能量轉換，整體效率較低。制氫設備的單位造價約 2000 元 /kW，儲氫和輔助系統造價為 2000 元 /kW，燃料電池發(fā)電系統造價約9000 元 /kW，燃料電池的投資占到氫儲能系統總投資的接近 70%；且現階段規(guī)模化燃料電池發(fā)電系統應用較少，技術成熟度、系統壽命有待驗證。
廣義氫儲能
傳統意義的氫儲能是電 -氫 -電的轉換，前文已論述存在效率低、價格高的問題。效率主要問題是兩次能量轉換，整體效率低；價格主要問題是燃料電池投資占比高。相較于傳統儲能，廣義氫儲能強調電-氫單向轉換，由于廣義氫儲能系統效率高和成本低，上游與可再生能源發(fā)電結合，下游瞄準高純氫市場需求，具有廣闊的應用場景，受到國內外學術界、產業(yè)界的廣泛關注和研究。電解制氫將難以儲存的電能轉化為可存儲的氫氣，氫作為能源和原料，供氫燃料電池交通、燃料電池應急備用電源、天然氣摻氫燃料、化工原料、工業(yè)還原保護氣體等場景使用。
氫儲能調峰站
中國三北地區(qū)風光資源豐富，西南部水資源豐富。但是由于我國的經濟發(fā)展存在地域間的較大差異，西部地區(qū)的經濟發(fā)展程度相對較為落后，可再生能源在中西部地區(qū)難以就地消納；另外，可再生能源具有季節(jié)性、波動性特點，使其無法在市場中準確申報電量，造成了可再生能源一定程度上的棄電浪費。電網系統為應對大規(guī)?？稍偕茉瓷暇W，保障配套投資增加，火電、燃機深度調峰，無法高效最優(yōu)運行，以至排放增加。
在可再生資源豐富地區(qū)就近建設大規(guī)模電解水制氫站，消納清潔能源，減緩風光發(fā)電間歇波動，對電網穩(wěn)壓性的影響是廣義氫儲能的一種應用方式。
氫儲能調峰站系統
據國家能源局統計，2017 年我國大部分特高壓工程利用小時數不足 5000 h，部分工程投運后最大輸電功率未達到預期；谷電時段電網通道負荷率更低，而此時段正是風資源發(fā)電量高峰時段。2020 年 8 月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯合發(fā)布《關于開展“風光水火儲一體化”“源網荷儲一體化”的指導意見（征求意見稿）》，提出要提高輸電通道利用效率、電力需求響應能力，挖掘新能源消納能力。
我國具有強大、完善、覆蓋面廣的電力輸送系統，發(fā)揮我國電網基建優(yōu)勢，谷電時間段通過“西電東送”“北電南送”特高壓通道，將三北地區(qū)的清潔能源輸送到高純氫市場需求端電解制氫儲能，變氫能輸送為電能輸送，解決可再生能源消納和氫儲運面臨的技術、成本、安全等難題。當前國家電投正依托烏蘭察布風電基地項目，實施“蒙電進京、谷電制氫、用氫示范”，為京津冀地區(qū)氫能交通示范運用，提供可再生能源的氫氣保障。
氫儲能調峰站典型設計方案
東部經濟發(fā)達地區(qū)用電負荷量大，峰谷電差也大。以某沿海城市為例，日均用電負荷功率13500 MW，峰谷電差達 4000 MW，調峰問題日益突出。利用氫的儲能特性和電 -氫靈活轉化關系，發(fā)揮氫儲能在電網中“填谷”作用。谷電時段，電網將可再生能源電能輸送到高純氫需求端，通過電解水制氫儲能，供燃料電池交通和電子等行業(yè)使用，提高可再生能源消納和輸電通道利用率。電解制氫的副產氧純度在 98.5% 以上，主要雜質為 H2O 和 H2，提純成本低，經濟價值高。
在峰電時段，由于氫燃料電池發(fā)電成本較高，可以采用天然氣摻氫富氫燃機發(fā)電向電網送電。富氫燃機具有以下優(yōu)點：
造價約 3000 元 /kW，遠低于燃料電池；
可利用城市天然氣管網提供燃料；
天然氣摻氫 20%，可提高燃燒效率，降低碳排放和污染物排放；
摻氫比例可根據需求在 0~20% 之間調節(jié)；
可熱電聯供，提高綜合效率。日本川崎、三菱、西門子等公司在天然氣摻氫、純氫燃氣輪機方面，都具有相應的成功應用示范。
氫儲能調峰站配套質子膜氫燃料電池（PEMFC）發(fā)電作為應急備用電源，替代傳統的柴油發(fā)電機備電。PEMFC 燃料電池利用儲存的氫氣發(fā)電，相比柴油發(fā)電具有運行安靜、零排放、燃料成本低（PEMFC 度電成本 1 元，柴油發(fā)電度電成本 2 元）等優(yōu)點。
氫儲能調峰站潛在挑戰(zhàn)
用地性質制約
雖然 2020 年 3 月修訂的《能源法》將氫氣作為能源一詞列入諸種能源之一，但仍未改變其危化品管控屬性，規(guī)?；茪湔卷毴朐诨@區(qū)，這限制了氫儲能調峰站的選址，尤其在電、氫負荷中心的東部經濟發(fā)達城市選址更加困難。
制氫設備技術成熟度
電解水制氫技術根據電解質不同，主要可分為堿性（ALK）、質子交換膜（PEM）、固體氧化物（SOEC）電解三大類，SOEC 電解可以利用外供熱源效率最高，PEM 和 ALK 次之。
電解水制氫設備技術參數表
其中堿性電解技術成熟、成本低，是國內商業(yè)化應用的主流產品；但是其動態(tài)響應速度慢，在需要頻繁啟停、變負荷運行的氫儲能調峰站中應用有較大弊端。PEM 制氫動態(tài)響應速度快、抗電源負荷波動性強，適合在氫儲能調峰站使用；但目前國內 PEM 制氫設備技術成熟待工程化應用驗證，其高昂的價格限制了大規(guī)模工程化推廣。
產業(yè)下游高純氫市場消納風險
電解制取的高純氫，理想的市場消納方式是高純電子氫和能源氫，高純電子氫市場需求相對穩(wěn)定，未來市場增長點集中于能源氫在氫燃料電池領域的應用。2018 年至今，全國諸多省、市紛紛出臺氫能和燃料電池發(fā)展規(guī)劃和激勵政策，中國氫能聯盟 2019 年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產業(yè)白皮書》預測，到 2025 年我國加氫站將達 200 座，按照每座加氫站 800 kg/d 的加氫量，交通領域年氫氣需求 5.84 萬 t，可以消納 50 個20 MW 氫儲能調峰站氫氣量。據目前技術和市場分析，氫能源交通的普及仍然有著巨大的困難：氫燃料電池汽車的技術成熟度和使用壽命有待應用驗證；在政府補貼逐漸退去的情況下，燃料電池車成本能否低至與燃油車、電動車競爭，有待市場檢驗。能源氫終端應用市場的增長仍有一定的不確定性。
結論和建議
氫儲能是支撐高比例可再生能源發(fā)展有效方式之一。傳統電 -氫 -電的儲能方式綜合效率低、造價高，現階段不具備經濟適用性。借助我國跨區(qū)域特高壓輸電通道優(yōu)勢，將可再生資源豐富地區(qū)的電能輸送到高純氫負荷中心，建設氫儲能調峰站，谷電時段制氫儲能（P2H），峰電時段天然氣摻氫富氫燃機發(fā)電回饋電網，可以實現可再生能源消納，提高輸電通道利用率，緩解東部城市峰谷電差大的問題，解決氫氣遠距離運輸成本、安全等難題。
針對氫儲能調峰站發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，建議如下：
開展用戶端制氫試點探索
河北省為發(fā)展氫能產業(yè)，支持可再生能源綠色制氫和風光可再生能源消納，率先發(fā)布風力發(fā)電配套制氫項目可不進化工園區(qū)。建議在認真做好技術評估、滿足安全要求的前提下，有序推進非化工園區(qū)制氫試點探索，開展用戶端制氫的示范，參照天然氣管理方式，在以能源方式利用時，將氫氣納入能源管理范疇。
發(fā)揮電網企業(yè)的作用
氫能和電能同屬于清潔的二次能源，充分發(fā)揮電網企業(yè)在二次能源領域的調度經驗，實現氫電之間深度耦合互補，提高能源綜合利用效率。具體而言，建議電網企業(yè)在電網輸送通道利用率低的谷電時段，降低清潔能源跨區(qū)域輸送過網費；對以削峰填谷為目的的氫儲能調峰站，建議減免容量費。
試點探索多元化商業(yè)模式
建議政府層面的氫能產業(yè)政策從燃料電池交通、加氫站向氫氣清潔高效制取、氫能在能源體系中的耦合利用等“大氫能”產業(yè)擴展延伸。加快對新領域試點項目的論證和規(guī)范審批流程，促進示范落地；通過規(guī)劃政策引領，消除能源行業(yè)間壁壘，促進能源產業(yè)融合，構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系。
來源：國網綜合能源服務集團有限公司：李娜，李志遠，王楠，中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司
