中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：摘要
氫是可儲(chǔ)存、可移動(dòng)、能控制的二次清潔能源，是理想的電力能源載體。把氫作為能源進(jìn)行開發(fā)利用，是應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保障國家能源安全、實(shí)現(xiàn)全社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型的重要手段。作為重要的溫室氣體排放行業(yè)，電力行業(yè)尤其是發(fā)電行業(yè)，應(yīng)盡快發(fā)展包括氫能在內(nèi)的新型能源應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的能源零碳轉(zhuǎn)型。為此，根據(jù)“雙碳”目標(biāo)要求，分析了我國電力行業(yè)氫能應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了當(dāng)前氫能應(yīng)用存在的主要問題。借鑒國際主要?dú)淠車译娏?yīng)用發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合“再電氣化”要求，從法規(guī)制定、政策支持、金融創(chuàng)新以及電力行業(yè)場景應(yīng)用等角度為氫能電力應(yīng)用提出發(fā)展建議，即“十四五”期間電力企業(yè)應(yīng)做好氫能發(fā)展技術(shù)儲(chǔ)備，抓住行業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)，積極推動(dòng)電力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)。
引言
根據(jù)國際能源署預(yù)測，2050年全球的氫能應(yīng)用總量預(yù)計(jì)將占到能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)總量的20%，相當(dāng)于每年替換熱值為78 EJ的化石燃料，對(duì)應(yīng)將每年減少 6 Gt的CO2排放量，相當(dāng)于2019年全球排放量的18%。由此可見，氫能替代化石燃料對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球經(jīng)濟(jì)脫碳轉(zhuǎn)型作用顯著。
電力行業(yè)尤其是發(fā)電行業(yè)，是重要的溫室氣體排放領(lǐng)域。我國作為全球最大的煤電國家，推動(dòng)電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型對(duì)于未來實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和社會(huì)的綠色低碳發(fā)展非常關(guān)鍵。因此，積極推動(dòng)電力行業(yè)的控煤和去煤，推動(dòng)對(duì)氫能等新型可再生能源發(fā)電資源的替代應(yīng)用試點(diǎn)研究，是我國電力行業(yè)發(fā)展新型電力系統(tǒng)的重點(diǎn)。未來隨著風(fēng)、光為主的可再生能源建設(shè)項(xiàng)目大規(guī)模開展，電解制綠氫將會(huì)成為氫能的主要來源。屆時(shí)，氫能將會(huì)作為發(fā)電、儲(chǔ)能和實(shí)現(xiàn)不同能源間大范圍、多品種、大規(guī)?；ヂ?lián)互補(bǔ)的重要新型綠色能源。
本文通過總結(jié)分析國內(nèi)外氫能電力應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，從電力企業(yè)角度出發(fā)，展望氫能在電力行業(yè)應(yīng)用前景，借鑒國外氫能發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)目前我國電力行業(yè)氫能發(fā)展存在的問題提出建議，以期推動(dòng)電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。
1 電力行業(yè)氫能應(yīng)用現(xiàn)狀分析
我國作為全球第一大產(chǎn)氫大國，具備良好的氫工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，擁有較為成熟的氫產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。目前，我國在制氫、燃料電池以及燃?xì)淦嚨确矫婢休^好的應(yīng)用研究成果，2020年氫產(chǎn)量和消費(fèi)量均突破2500萬t。隨著通信、能源管理技術(shù)的進(jìn)步，以及“雙碳”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，氫勢必會(huì)成為未來理想的清潔能源或能源載體，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)和跨地區(qū)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能，以及電力系統(tǒng)的能源替代，全面推動(dòng)電力系統(tǒng)的零碳轉(zhuǎn)型。
1.1 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用
氫是能儲(chǔ)存百吉瓦時(shí)以上，可適用于極短或極長時(shí)間供電的儲(chǔ)能介質(zhì)，具有大規(guī)模儲(chǔ)能能力的新型能源載體。與其他儲(chǔ)能方式相比，氫儲(chǔ)能具有以下優(yōu)勢：
1）氫可與電通過電解水和燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效可逆轉(zhuǎn)換；
2）單位質(zhì)量氫能的能量密度高；
3）具有成比例放大到電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的潛力；
4）氫可以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的形式進(jìn)行長久儲(chǔ)存和運(yùn)輸，非常適合與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能配套。
從其優(yōu)勢可見，氫能非常適合應(yīng)用在分布式發(fā)電儲(chǔ)能配套系統(tǒng)上，如大型風(fēng)電、光伏的儲(chǔ)能配套，水電站的儲(chǔ)能配套，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的可再生能源就地消納配套等電力領(lǐng)域的應(yīng)用。通過氫電耦合實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、跨區(qū)域調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能以及互聯(lián)互補(bǔ)，解決區(qū)域間歇性能源供求不匹配的問題，降低可再生能源給電網(wǎng)帶來的沖擊。
2020 年 8 月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”的指導(dǎo)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(yīng)能力，挖掘新能源消納能力，發(fā)揮我國電網(wǎng)基建優(yōu)勢，通過“西電東送”“北電南送”特高壓通道，將三北地區(qū)的低負(fù)荷清潔能源輸送到需求端，通過電解制氫儲(chǔ)能，再變氫能輸送為電能輸送，解決可再生能源消納和氫儲(chǔ)運(yùn)面臨的技術(shù)、成本、安全等難題。當(dāng)前相關(guān)電力企業(yè)正依托烏蘭察布風(fēng)電基地項(xiàng)目，實(shí)施“蒙電進(jìn)京、谷電制氫、用氫示范”，為京津冀地區(qū)提供氫氣保障，可預(yù)見“十四五”氫能作為重要的電力能源載體將會(huì)迎來重要的發(fā)展機(jī)遇。
1.2 燃料電池發(fā)電應(yīng)用
燃料電池可將氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，是氫能利用的主流技術(shù)之一。根據(jù)不同工作溫度和不同電解質(zhì)材料，氫燃料電池分為中低溫條件下質(zhì)子交換膜燃料電池 (proton exchange membrane fuel cell， PEMFC)、堿性燃料電池(alkaline fuel cell， AFC)和磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)。此外，還有在高溫工況下工作的熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)。表1列出了主要的燃料電池特性和應(yīng)用場景。
從表1可以看出，PEMFC具有低溫運(yùn)行、快速啟動(dòng)特性，是理想的分布式燃?xì)潆娫?。通過配套氫儲(chǔ)能應(yīng)用，在風(fēng)光資源豐富但無法并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，系統(tǒng)就地制儲(chǔ)氫，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、跨地區(qū)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能，減少可再生能源發(fā)電間歇性、波動(dòng)性帶來的沖擊，提高系統(tǒng)靈活性。
MCFC和SOFC常規(guī)的裝機(jī)容量相對(duì)較大，對(duì)燃料品質(zhì)要求相對(duì)較低，發(fā)電效率則高達(dá)60%，且這2種燃料電池在常規(guī)情況下運(yùn)行溫度均超過600 ℃，適合使用熱電聯(lián)技術(shù)。在同等裝機(jī)規(guī)模下，固體燃料電池可接近于傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組作用，作為備用或離網(wǎng)分布式電源系統(tǒng)，為偏遠(yuǎn)易停電地區(qū)的關(guān)鍵設(shè)施(如醫(yī)院、通信基礎(chǔ)設(shè)施等)提供靈活的供電保障。同時(shí)，氫燃料電池還能與電力、熱力等能源品種實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互補(bǔ)，為建筑和居民社區(qū)提供供熱與供電服務(wù)，達(dá)到系統(tǒng)綜合能效最大化的目的。
1.3 燃料替代應(yīng)用
氫能也是傳統(tǒng)電廠實(shí)現(xiàn)碳中和、零碳排放的理想燃料之一。目前燃?xì)廨啓C(jī)的主要燃料是天然氣，1kW CO2排放當(dāng)量相當(dāng)于標(biāo)煤的一半左右，溫室氣體排放顯著。在發(fā)展新型電力系統(tǒng)、利用更多可再生能源的要求下，燃?xì)廨啓C(jī)的氫能替代也將是實(shí)現(xiàn)“3060”發(fā)電企業(yè)脫碳發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)路徑。采用混氫天然氣可以改善燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒穩(wěn)定性及聲學(xué)情況，同時(shí)降低廢氣排放量，減少化石燃料消耗和達(dá)到減排的目的。根據(jù)中摻氫燃燒實(shí)驗(yàn)，向甲烷/空氣混合物摻入氫氣能夠增加 OH 自由基的濃度，提高火焰的穩(wěn)定性、降低 CO 含量，并通過反應(yīng)控制可有效降低氮氧化合物的形成。
現(xiàn)階段全球主要的燃?xì)廨啓C(jī)廠家已相繼開展燃?xì)廨啓C(jī)的摻氫改造，改造后項(xiàng)目摻氫率可達(dá)到5%左右。同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)廠商也積極開展燃?xì)錂C(jī)組的研發(fā)工作，西門子和通用電氣均在氫能燃?xì)廨啓C(jī)方面投入研發(fā)并形成相關(guān)產(chǎn)品。例如，西門子SGT系列配有干式低排(dry low emission，DLE)燃燒器的重型燃?xì)廨啓C(jī)(E級(jí)以上)，摻氫率可達(dá) 30% 左右，而部分配備濕式低排(wet low emission，WLE)燃燒器的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和航改機(jī)則可達(dá)100%的摻氫率。
此外，綠氫制氨或合成甲醇也被視為實(shí)現(xiàn)凈零排放的新一代燃料。通過綠氫制氨與煤粉共燃，替代部分燃煤，或使用氫合成甲醇替代分布式燃機(jī)柴油應(yīng)用，可以有效降低傳統(tǒng)化石燃料的碳排放強(qiáng)度。目前，日本已經(jīng)開始摻氨發(fā)電，預(yù)計(jì)到2030年利用氨與煤混燃，替代20%的燃煤，相應(yīng)減少4 000萬t溫室氣體排放，占日本當(dāng)前電力排放的10%以上，可預(yù)見氫合成燃料對(duì)電廠脫碳發(fā)展意義重大，未來將有可能成為新型電力系統(tǒng)中重要的燃料組成。
2 電力行業(yè)氫能應(yīng)用存在的主要問題
目前我國電力行業(yè)的氫能脫碳應(yīng)用暫處于初期發(fā)展階段，行業(yè)發(fā)展面臨問題較多，通過綜合分析氫能發(fā)展的5大問題10個(gè)方面可知，電力行業(yè)氫能發(fā)展應(yīng)用主要存在以下問題。
2.1 缺少國家頂層設(shè)計(jì)，行業(yè)應(yīng)用發(fā)展緩慢
目前，我國在氫能發(fā)展方面缺乏頂層設(shè)計(jì)與規(guī)范。國家尚未建立氫能行業(yè)發(fā)展主管部門，未出臺(tái)氫能總體規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展路線，產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向不夠明確。有關(guān)氫能的專項(xiàng)法規(guī)體系也尚未建立健全，雖然新版能源法提及要體現(xiàn)氫的能源屬性，但目前氫氣仍從屬于化學(xué)品，未被明確列入能源范疇，以致氫在行業(yè)發(fā)展應(yīng)用方面存在諸多限制。
再則，由于氫能發(fā)展缺少統(tǒng)一的規(guī)劃，在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等環(huán)節(jié)的產(chǎn)業(yè)不協(xié)調(diào)矛盾比較突出，例如，當(dāng)前主要集中在制氫和燃料電池環(huán)節(jié)，而氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)儲(chǔ)備不足，電力行業(yè)應(yīng)用也相對(duì)缺失。同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)缺少相應(yīng)的行業(yè)政策引導(dǎo)和市場培育機(jī)制，產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備有限，產(chǎn)業(yè)發(fā)展更多地集中在制氫和燃料電池產(chǎn)品研發(fā)方面，行業(yè)應(yīng)用的深度和廣度方面均不夠成熟，作為二次清潔能源在電力行業(yè)應(yīng)用方面推進(jìn)緩慢。
2.2 缺少核心技術(shù)與設(shè)備，技術(shù)降本不可控
雖然我國燃料電池國產(chǎn)化進(jìn)程正在加快，在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈有所布局，甚至在某些方面已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，但由于缺乏核心技術(shù)，氫能大規(guī)模推廣應(yīng)用暫不具經(jīng)濟(jì)可行性，技術(shù)降本路徑依然不可控。
具體來說，在制氫核心組件和制備工藝方面與國際水平存在較大差距，如質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解槽、膜電極、雙極板、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等設(shè)備和部件與國際主流技術(shù)存在一定差距。同時(shí)一些關(guān)鍵材料(如催化劑、PEM 和碳紙等)暫時(shí)也要依賴進(jìn)口，由于國際壟斷價(jià)格較高，目前平均綠電制氫成本昂貴，非常不利于通過大規(guī)模普及綠電制綠氫的方式來推動(dòng)能源的綠色轉(zhuǎn)型，極大地影響電力行業(yè)的氫能發(fā)展應(yīng)用。
另外，由于國內(nèi)沒有統(tǒng)一規(guī)劃，氫能發(fā)展同質(zhì)化問題嚴(yán)重，差異性和互補(bǔ)性不夠，所設(shè)計(jì)研發(fā)產(chǎn)品主要依靠政府和國企通過科技項(xiàng)目的方式進(jìn)行消化，缺少可持續(xù)的商業(yè)化模式，嚴(yán)重影響氫能應(yīng)用在電力行業(yè)大規(guī)模地推廣布局。
2.3 電力行業(yè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈配套不足
在電力行業(yè)發(fā)展可再生資源發(fā)電制氫方面存在下游產(chǎn)業(yè)配套問題。首先，具備可再生發(fā)電資源的地區(qū)往往缺少下游用氫產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致綠電所制氫氣需要通過儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)存和外運(yùn)，綠電制氫的整體經(jīng)濟(jì)性不高。
其次，對(duì)比油氣行業(yè)，電力行業(yè)氫能應(yīng)用在儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備和技術(shù)的儲(chǔ)備方面明顯不足，缺少成熟的儲(chǔ)運(yùn)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)施資源。例如，目前氫能在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)上產(chǎn)業(yè)配套不足，國產(chǎn)氫儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)品設(shè)備在技術(shù)上相對(duì)落后，目前國內(nèi)對(duì)于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)僅掌握 35 MPa儲(chǔ)氣，而 70 MPa儲(chǔ)氣主要依賴技術(shù)引進(jìn)，國產(chǎn)技術(shù)有待突破。
最后，相對(duì)于油氣而言，氫能缺少油氣儲(chǔ)運(yùn)的輸送管道、場站和網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，單位儲(chǔ)運(yùn)能力與天然氣差距巨大，儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用昂貴。目前氫能的儲(chǔ)運(yùn)費(fèi)用大致占到氫能總體成本的一半左右，這嚴(yán)重制約了可再生資源發(fā)電制氫實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨季節(jié)儲(chǔ)能的發(fā)展。
2.4 氫電技術(shù)應(yīng)用推進(jìn)緩慢
氫能作為非常有前景的清潔燃料，在國內(nèi)的燃料替代應(yīng)用目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，其主要原因如下：一是在燃料電池方面，產(chǎn)品技術(shù)成熟度還不夠，目前還達(dá)不到替代火電或燃?xì)鈾C(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的能力，綜合經(jīng)濟(jì)性差；二是在燃?xì)廨啓C(jī)燃料替代應(yīng)用方面，國內(nèi)在役的主力燃?xì)廨啓C(jī)及配件均由國際廠家生產(chǎn)制造，但由于我國并不掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，更多地要依靠主機(jī)原廠提供技術(shù)和設(shè)備材料，在壽命期內(nèi)進(jìn)行摻氫改造的整體經(jīng)濟(jì)性差。
同時(shí)，我國也尚未掌握大型燃?xì)廨啓C(jī)的核心技術(shù)，在燃?xì)湫腿細(xì)廨啓C(jī)研發(fā)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際廠家，市場主要的燃?xì)湫腿細(xì)廨啓C(jī)均為國際廠家設(shè)計(jì)研發(fā)，并且大部分在役機(jī)組還有很長的壽命。以北京現(xiàn)役燃?xì)怆姀S為例，14座現(xiàn)役燃?xì)怆姀S所配置的燃機(jī)均由國際廠家生產(chǎn)，按常規(guī)設(shè)計(jì)壽命30年計(jì)算(不考慮延壽情況)，最早在2000年左右服役的燃?xì)廨啓C(jī)剩余壽命仍超過10年，因此現(xiàn)階段通過新型燃?xì)漭啓C(jī)替代現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的方案，其經(jīng)濟(jì)性和性價(jià)比不高。
同樣，目前在壽命期內(nèi)對(duì)現(xiàn)有煤電進(jìn)行摻氨等氫化物的燃料替代改造，在缺少相應(yīng)補(bǔ)貼機(jī)制的前提下，方案也將缺乏整體經(jīng)濟(jì)性，不適合在短期內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
除了以上這些因素影響到氫電技術(shù)在國內(nèi)發(fā)電端的推廣應(yīng)用，目前儲(chǔ)能方面也因核心技術(shù)問題制約著氫能在電力行業(yè)的大規(guī)劃應(yīng)用。具體來說，雖然氫電耦合儲(chǔ)能技術(shù)在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能和長周期調(diào)節(jié)需求下，相對(duì)電池儲(chǔ)能更具經(jīng)濟(jì)性，但由于我國目前尚未掌握核心技術(shù)，且在相關(guān)的制氫儲(chǔ)氫關(guān)鍵性設(shè)備上尚不能實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，客觀上嚴(yán)重制約了氫電耦合技術(shù)的降本發(fā)展。同時(shí)，高昂的技術(shù)引進(jìn)成本也提高了氫電耦合項(xiàng)目的綜合投資成本，制約了當(dāng)前氫能在電力系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。
2021年7月，國家發(fā)改委正式發(fā)布《國家能源局關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出要推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展?！兑庖姟分荚谕苿?dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型的同時(shí)增強(qiáng)電力系統(tǒng)的可靠性和靈活性，而探索儲(chǔ)氫則被歸為本次意見要開展研究的重點(diǎn)內(nèi)容。未來通過出臺(tái)補(bǔ)貼扶植政策，鼓勵(lì)和引導(dǎo)社會(huì)資本參與相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)投入，將會(huì)加速推進(jìn)氫能在電力行業(yè)的推廣和應(yīng)用。
3 國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)借鑒
根據(jù)相關(guān)資料，2020年占世界GDP總量70%的18個(gè)國家均已制定國家級(jí)氫能發(fā)展戰(zhàn)略，世界主要經(jīng)濟(jì)體國家和地區(qū)在氫能的電力行業(yè)應(yīng)用發(fā)展方面已處于世界領(lǐng)先水平。
3.1 德國氫能發(fā)展
德國是歐盟成員國發(fā)展氫能應(yīng)用最快的國家之一，2020年6月，德國政府成立國家氫能委員會(huì)，成員由內(nèi)閣任命，力主國家氫能發(fā)展，并推出具有里程碑意義的全球首個(gè)國家氫能戰(zhàn)略，即《德國國家氫能戰(zhàn)略》，明確可再生能源是唯一可持續(xù)的制氫發(fā)展方向，通過制定國家級(jí)頂層氫能戰(zhàn)略推動(dòng)國家全面脫碳。在國家氫能戰(zhàn)略的指引下，德國圍繞深度脫碳，制定相關(guān)的法律法規(guī)體系，出臺(tái)財(cái)政支持鼓勵(lì)政策，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，并創(chuàng)新性地提出電力多元化轉(zhuǎn)換(Power-to-X)理念，積極探索氫能在電力行業(yè)的綜合應(yīng)用。
同時(shí)，德國又與荷蘭等國開展深度合作，重點(diǎn)開展氫能產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用配套建設(shè)，其中包括：積極推動(dòng)天然氣管道摻氫技術(shù)發(fā)展；建設(shè)氫與天然氣混合燃?xì)?hydrogen and compressed natural gas，HCNG)供應(yīng)管道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行氫能儲(chǔ)運(yùn)；同時(shí)依托本國西門子等在燃?xì)廨啓C(jī)方面具有技術(shù)優(yōu)勢的公司，開展天然氣摻氫熱電聯(lián)產(chǎn)示范項(xiàng)目，利用管輸網(wǎng)絡(luò)和氫電技術(shù)解決氫能消納問題。
截至2019年，德國已有在建和運(yùn)行的“P-to-G”(可再生能源制氫+天然氣管道摻氫)示范項(xiàng)目達(dá)50多項(xiàng)，裝機(jī)總規(guī)模超過55 MW。2020 年，德國漢堡成功改造全球首個(gè)100%氫氣運(yùn)行的兆瓦級(jí)大型燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，以氫為燃料為本地區(qū)居民和建筑提供供暖與電力服務(wù)。
德國這種通過制定國家級(jí)氫能發(fā)展戰(zhàn)略，鼓勵(lì)推動(dòng)發(fā)展“Power-to-X”制氫技術(shù)，并與其他國家開展國際合作，研發(fā)管道混氫技術(shù)進(jìn)行氫能儲(chǔ)運(yùn)，同時(shí)又充分利用在燃?xì)廨啓C(jī)方面的技術(shù)優(yōu)勢，大力發(fā)展基于氫燃?xì)廨啓C(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用的國家氫能方式，值得我國學(xué)習(xí)和借鑒。
3.2 日本氫能發(fā)展
日本是最早開發(fā)氫能應(yīng)用的國家之一，自2014 年先后制定《第四次能源基本計(jì)劃》《氫能基本戰(zhàn)略》《第五次能源基本計(jì)劃》《氫能與燃料電池路線圖》等多項(xiàng)國家戰(zhàn)略規(guī)劃，把“氫能社會(huì)”納入國家發(fā)展戰(zhàn)略。
經(jīng)過政府長年的資金扶持和企業(yè)的技術(shù)積累，日本在氫能的技術(shù)、材料、設(shè)備等方面均處于世界領(lǐng)先水平。根據(jù)2019年數(shù)據(jù)顯示，日本企業(yè)研發(fā)擁有全球83%的氫能專利，并有多項(xiàng)氫能關(guān)鍵技術(shù)處于世界絕對(duì)領(lǐng)先地位。
日本目前在高壓儲(chǔ)氫、液體儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫以及管道運(yùn)輸氫等方面擁有世界領(lǐng)先技術(shù)，并且液氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是日本重點(diǎn)發(fā)展方向。同時(shí)，日本積極研發(fā)投入純氫燃料發(fā)電，重點(diǎn)是要解決穩(wěn)定燃燒技術(shù)，該技術(shù)是日本未來火力發(fā)電戰(zhàn)略布局最重要的一項(xiàng)技術(shù)。
2017年，日本的大林組和川崎重工基于川崎重工的1 MW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)搭建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，成功開發(fā)全球首個(gè)氫能發(fā)電項(xiàng)目，通過燃燒2:8的氫和天然氣混合氣體進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，為居民和商業(yè)用戶供熱發(fā)電，通過該項(xiàng)目有效減少 20% 以上的二氧化碳排放。
2020年5月，川崎重工和大林組又與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(The New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)在“氫社會(huì)構(gòu)筑技術(shù)開發(fā)事業(yè)”下，驗(yàn)證川崎重工基于“微混合燃燒”技術(shù)開發(fā)的干式低NOx氫燃?xì)廨啓C(jī)，獲得全球首次實(shí)驗(yàn)成功。該項(xiàng)目不僅達(dá)到低碳排放的目標(biāo)，而且有效降低了NOx的排放。
日本的氫能應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)同樣說明國家頂層設(shè)計(jì)和政策支持的重要性，同時(shí)研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)氫電技術(shù)，發(fā)展和完善氫能電力應(yīng)用的配套產(chǎn)業(yè)(如氫能的儲(chǔ)輸技術(shù))，以及通過研發(fā)純氫燃料發(fā)電技術(shù)開展電力系統(tǒng)大規(guī)模氫能應(yīng)用，也是值得我國借鑒的電力系統(tǒng)氫能發(fā)展路徑之一。
4 電力行業(yè)氫能應(yīng)用發(fā)展建議
與世界主要?dú)淠馨l(fā)展國家相比，中國在氫制備方面具有良好的工業(yè)基礎(chǔ)，工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫均已開展相關(guān)的示范工程。未來隨著技術(shù)進(jìn)步和可再生能源比重的提升，用氫成本將逐漸降低，氫能將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前“雙碳”形勢及發(fā)展新型電力系統(tǒng)需要，建議“十四五”期間我國電力行業(yè)應(yīng)從以下4方面來推進(jìn)氫能發(fā)展工作。
4.1 加快頂層設(shè)計(jì)，適時(shí)出臺(tái)總體規(guī)劃
針對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)氫能發(fā)展情況，首先，應(yīng)盡快確定氫能在我國能源體系中的定位，加快氫能在生態(tài)綠色生產(chǎn)和消費(fèi)體系的立法，結(jié)束現(xiàn)階段主要以國家產(chǎn)業(yè)規(guī)劃政策和地方試行規(guī)定為法律參考依據(jù)的尷尬局面。其次，建議相關(guān)部門加快明確國家氫能發(fā)展的主管部門，更好地引導(dǎo)和服務(wù)能源相關(guān)企業(yè)，推動(dòng)氫能市場的有序發(fā)展。最后，針對(duì)我國現(xiàn)階段缺少氫能發(fā)展頂層設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域資源、市場、產(chǎn)業(yè)等特點(diǎn)，科學(xué)制定并適時(shí)出臺(tái)適合我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略、行業(yè)規(guī)劃，以及相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展財(cái)政支持政策，自上而下推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)良性有序發(fā)展。
4.2 加快推出氫能電力行業(yè)應(yīng)用發(fā)展路線圖
根據(jù)“雙碳”發(fā)展目標(biāo)、電力中長期發(fā)展規(guī)劃、城市低碳電力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展要求，以及新型電力系統(tǒng)發(fā)展需要，“十四五”期間應(yīng)加快探索適合現(xiàn)階段中國發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)以及能源轉(zhuǎn)型需求的電力行業(yè)氫能發(fā)展路線圖；積極推動(dòng)在分布式可再生能源系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電系統(tǒng)、能源數(shù)字轉(zhuǎn)型項(xiàng)目，以及綜合能源互聯(lián)互通等多個(gè)領(lǐng)域氫電應(yīng)用；掌握并制定氫能電力行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上可接受的電力行業(yè)氫能應(yīng)用技術(shù)路徑，引導(dǎo)氫作為能源在電力及其相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)布局，為未來大規(guī)模部署氫能的電力應(yīng)用做好充分的技術(shù)儲(chǔ)備。
4.3 鼓勵(lì)電力企業(yè)開展氫能場景應(yīng)用創(chuàng)新
在“雙碳”發(fā)展形勢下，以新型電力系統(tǒng)發(fā)展為導(dǎo)向，依托國家發(fā)展燃料電池綠色交通示范城市為契機(jī)，鼓勵(lì)電力及相關(guān)企業(yè)投資構(gòu)建氫能的綠色供應(yīng)體系。
同時(shí)，應(yīng)積極引導(dǎo)電力企業(yè)布局氫能電力應(yīng)用的各相關(guān)環(huán)節(jié)，積極探索適合中國氫能發(fā)展的場景應(yīng)用方式，如電力系統(tǒng)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用、綠電水制氫應(yīng)用、氫能儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用，以及推廣燃料替代的示范應(yīng)用。建議相關(guān)電力企業(yè)將風(fēng)、光、水等可再生能源項(xiàng)目的儲(chǔ)能配套作為開展氫能電力應(yīng)用的突破口，積極開展技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可接受的風(fēng)、光、水、氫等儲(chǔ)能配套方案研究，打通綠電—綠氫—?dú)鋬?chǔ)—?dú)淠馨l(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈條。
同時(shí)大力推動(dòng)氫氣的管道輸送研究，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的先鋒實(shí)踐，積極探索可復(fù)制、可推廣的氫能發(fā)展盈利模式，帶動(dòng)電解水制氫、氫能儲(chǔ)運(yùn)以及燃料替代等氫能相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。
4.4 積極探索綠色金融低碳創(chuàng)新機(jī)制
在中國碳市場由地區(qū)試點(diǎn)形成全國統(tǒng)一碳市場的宏觀背景下，首先，應(yīng)充分研究利用碳價(jià)機(jī)制，推動(dòng)電力市場發(fā)展，形成有利于氫能電力應(yīng)用的市場價(jià)格和補(bǔ)貼機(jī)制，推進(jìn)現(xiàn)役燃?xì)狻⑷济弘姀S氫能的燃料替代，以及儲(chǔ)能輔助服務(wù)應(yīng)用。其次，深入研究綠色金融發(fā)展機(jī)制，構(gòu)建政策激勵(lì)約束體系，增加低碳發(fā)展優(yōu)惠貸款投放力度，研究相適應(yīng)的融資模式，為氫能的電力應(yīng)用以及相關(guān)氫燃料替代項(xiàng)目改造提供資金貸款。
再次，應(yīng)不斷開發(fā)完善綠色金融產(chǎn)品創(chuàng)新，通過開發(fā)綠電綠氫證，發(fā)放綠色信貸、綠色債券或綠色基金等金融創(chuàng)新產(chǎn)品，鼓勵(lì)電力行業(yè)的氫能應(yīng)用。最后，應(yīng)加快制定并出臺(tái)促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的金融推廣政策，引導(dǎo)并支持社會(huì)資本和相關(guān)企業(yè)在綠氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用等上下游環(huán)節(jié)的研發(fā)投入及產(chǎn)業(yè)鏈布局，推動(dòng)氫作為能源屬性在電力及相關(guān)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。
5 結(jié)論
推動(dòng)氫能在電力行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展，是未來中國實(shí)現(xiàn)“碳中和”的重要路徑之一。通過分析國內(nèi)外氫能應(yīng)用發(fā)展情況，從電力企業(yè)的角度提出電力行業(yè)氫能應(yīng)用發(fā)展的建議，即積極開展國際合作，借鑒國際經(jīng)驗(yàn)，加快頂層設(shè)計(jì)，做好政策研究，適時(shí)出臺(tái)國家氫能整體發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)氫能系統(tǒng)性發(fā)展。同時(shí)應(yīng)抓住國家發(fā)展燃料電池綠色示范城市契機(jī)，在“十四五”期間依托電力行業(yè)的資本和資源優(yōu)勢，積極推動(dòng)制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫和氫能發(fā)電等氫能上下游產(chǎn)業(yè)鏈的投資布局，為未來氫能推動(dòng)電力行業(yè)能源轉(zhuǎn)型升級(jí)做好充分的技術(shù)儲(chǔ)備。
