中國儲能網(wǎng)訊：文 | 張絲鈺 張寧 劉林 代紅才 作者供職于國網(wǎng)能源研究院有限公司
在中央財經(jīng)委第九次會議上，習近平總書記作出重要部署，強調(diào)要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，這將是一場戰(zhàn)略性、全局性、革命性的變革。面對新能源即將到來的爆發(fā)性增長，重構(gòu)電力系統(tǒng)的物理形態(tài)與體制機制至關重要，其關鍵在于解決更大范圍和更長周期的電力電量平衡問題。
氫能為大范圍、長周期的電力電量平衡問題提供了新的解決方案。氫能可作為電力系統(tǒng)的靈活性資源、長周期儲能和外送新載體，為新型電力系統(tǒng)緩解高效消納與穩(wěn)定外送的壓力。電氫耦合有望破解新能源大規(guī)模發(fā)展后電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)問題，成為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分。
氫能對構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的價值
首先，電制氫可以作為高度可調(diào)節(jié)負荷，有效提升電力系統(tǒng)靈活性和安全性，促進新能源消納利用。預計2030年、2060年，我國 新能源裝機容量分別達到16億、40億千瓦以上，對系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力提出極高要求。當前主流的堿 性電解水制氫負荷在50%-100% 內(nèi)可調(diào)；未來質(zhì)子交換膜電制氫設 備的調(diào)節(jié)范圍有望達到300%，冷啟動時間小于5分鐘，爬坡速率為100%/秒，可以實時追蹤新能源出力，是實現(xiàn)“荷隨源動”的最佳技術選項之一。預計2030年、2060 年，電制氫設備容量分別達到0.6億、7億千瓦左右，充分發(fā)揮其運行功率可調(diào)節(jié)范圍較大的優(yōu)勢，為電力系統(tǒng)提供可觀的靈活性調(diào)節(jié)資源，有效支撐新能源發(fā)展。
其次，電制氫可以與儲氫設備、燃氫機組或燃料電池相結(jié)合，實現(xiàn)新能源的大規(guī)模、長時段存儲與轉(zhuǎn)換，有效保障新能源的可持續(xù)開發(fā)利用。新能源裝機出力存在不同時間尺度的波動，電化學儲能放電時間僅為小時級，因此只適合日內(nèi)短時調(diào)節(jié)，且存儲容量受限。儲氫方式非常多元化，包括壓縮氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、吸附儲氫、化學儲氫和鹽穴儲氫等，充放周期最高可達1000小時以上，規(guī)?？蛇_到百萬千瓦級，可提供日、周、月、季等多個時間尺度上的儲能方案，保障新能源為主體下電力系統(tǒng)的全時段電力電量平衡。
此外，燃氫機組還可以為電力系統(tǒng)提供大量的轉(zhuǎn)動慣量，保證運行電壓與頻率的穩(wěn)定；氫能發(fā)電機可以快速快速啟停，為電網(wǎng)提供事故備用。目前，氫能發(fā)電技術已相對成熟，美國俄亥俄州的漢尼拔小鎮(zhèn)已使用摻氫燃氣輪機（80% 天然氣+20%氫氣），通用電氣預計2030年將建成100%燃氫汽輪機，實現(xiàn)零碳排放發(fā)電。
從國內(nèi)來看，國家電投荊門綠動電廠在運重型燃機商業(yè)機組成功實現(xiàn)15%摻氫燃燒改造和商業(yè)運行，具備了純天然氣和天然氣摻氫兩種運行模式兼容的能力，是全球范圍內(nèi)首個在天然氣商業(yè)機組中進行摻氫燃燒的聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供示范項目。
電-氫協(xié)同的典型模式
從氫能與電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)的耦合協(xié)同關系來看，具體包含兩類典型的電-氫協(xié)同模式：受端電-氫協(xié)同和源端電-氫協(xié)同。
受端電-氫協(xié)同模式是指：在西部北部等新能源資源稟賦豐富的地區(qū)建設集中式新能源發(fā)電基地，通過特高壓輸電線路輸送至中東部地區(qū)，在靠近負荷中心的地方制氫，或就地利用，或通過燃氫機組發(fā)電，作為負荷中心電網(wǎng)的電壓支撐和備用容量。
圖1 受端電氫協(xié)同模式示意圖
受端電-氫協(xié)同模式的主要優(yōu)勢在于：
（1）制氫廠站選址靈活性較強，可以就近滿足終端氫能需求，有力支撐氫能產(chǎn)業(yè)鏈全面發(fā)展。利用發(fā)達的輸配電網(wǎng)絡，將新能源電力及時配置到氫能需求較大的地區(qū)，就近建設制氫場站并利用網(wǎng)電制氫，不僅可以節(jié)省氫氣存儲、轉(zhuǎn)換與運輸成本，還有利于相關配套設施的協(xié)同發(fā)展，在氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期助力完整產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建。此外，就地制氫也避免了氫能分散轉(zhuǎn)化、存儲與利用可能帶來的安全風險與隱患。
（2）可以利用負荷中心較高的電價峰谷差來補償“以電制氫、氫再發(fā)電”的成本。在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，新能源發(fā)電量與用電負荷之間的供需平衡關系將極大地決定電價的高低。例如，在午間光伏發(fā)電量供大于求時，電價價格較低，制氫設備開啟，以氫能的方式存儲電能；在晚間光伏發(fā)電量極低，且用電負荷較大，電價價格飆升，利用燃氫機組或氫燃料電池等設備再發(fā)電，將氫能轉(zhuǎn)化為電能。相較于西部北部地區(qū)，江蘇、浙江等負荷中心地區(qū)的峰谷價差較大（午間和晚間的電價差高達0.4-0.5元/千瓦時），可以彌補部分氫能發(fā)電的成本。
不過目前受端電-氫協(xié)同模式也存在一些問題，其中主要的問題有以下三點：
（1）難以兼顧新能源利用率與通道利用率。在西部北部地區(qū)，新能源發(fā)電后電能的送出可以采用兩種方式：一種是將新能源機組所發(fā)的全部電量按原有曲線送至輸電網(wǎng)，這種方式可以最大程度地保障新能源利用率，但犧牲了通道利用率，且會為受端電網(wǎng)的穩(wěn)定運行與電能調(diào)度帶來一定挑戰(zhàn)。另一種方式是，在源端配置電化學儲能和抽水蓄能機組，與火電、水電等常規(guī)電源所發(fā)電力打捆輸送，采用“兩段式”或“三段式”曲線。這種輸電方案可以保障較高的通道利用 率，但將犧牲部分新能源利用率。
（2）無法充分發(fā)揮電制氫設備的靈活性調(diào)節(jié)潛力。為保障輸電的平穩(wěn)性，宜采用上述第二種輸電方案。在這種情況下，在新能源資源豐富的源端（西部北部）地區(qū)，已經(jīng)通過電化學儲能、抽水蓄能、調(diào)節(jié)電源等手段實現(xiàn)調(diào)峰，源端大 規(guī)模新能源發(fā)電的波動性難以傳達至受端，因此受端電-氫協(xié)同模式吸納源端新能源波動性的效果較為有限，電制氫設備優(yōu)異的動態(tài)響應特性與可以實時追蹤負荷的優(yōu)勢難以凸顯。
而源端電氫協(xié)同可以分為源端電氫協(xié)同 — 輸電、源端電氫協(xié)同—輸氫和源端電氫協(xié)同—就地利用三種模式。
圖2 源端電氫協(xié)同—輸電模式示意圖
源端電氫協(xié)同—輸電模式是指：在風光資源豐富的西部北部地區(qū)大規(guī)模部署電制氫、儲氫、燃氫機組等設備，支撐新能源消納和送出。電制氫設備追蹤新能源波動性出力，生產(chǎn)的氫氣既可供給本地用戶使用，也可通過燃氫機組再次發(fā) 電，作為電化學儲能、抽水蓄能以及調(diào)節(jié)電源的重要補充，與其協(xié)同運行調(diào)峰，保障電網(wǎng)外送功率的相對穩(wěn)定可控。
源端電氫協(xié)同—輸電模式的主要優(yōu)勢主要在于：可以實現(xiàn) 新能源利用率和輸電通道利用率的“雙保障”。未來，隨著煤電、氣電等配套電源的減少，新能源基地送出將面臨新能源利用率與輸電通道利用率的矛盾。源端電制氫設備作為重要的調(diào)峰手段，可以在午間新能源富集時段實時追蹤新能 源出力，將電力轉(zhuǎn)換為氫氣存于儲氫裝置；在夜間新能源出力低谷時段，儲氫向燃氫機組供氫，燃氫機組再發(fā)電，確保輸電外送功率相對平穩(wěn)，在保障新能源利用率的前提下盡可能地提高輸電通道利用率?？梢钥闯?，源端電—氫協(xié)同模式可 以在功能上實現(xiàn)對電化學儲能的部分替代。
源端電氫協(xié)同—輸電模式的潛在問題在于：電 — 氫 — 電包含 兩 次 能量轉(zhuǎn)換過程，綜合效率較低，能量損失較大。堿性電解水和質(zhì)子交換膜制氫效率約為70%， 燃氣輪機發(fā)電的效率僅為50%左右，電 — 氫— 電整體效率僅為35%，65%的能量耗散于能量轉(zhuǎn)換過程中，僅適用于新能源波動性極大、孤島等特殊場景中。源端電-氫協(xié)同模式無法完全取代電化學儲能，二者互為補充。
圖3 源端電氫協(xié)同—輸氫模式示意圖
源端電氫協(xié)同—輸氫模式是指：在新能源富集地區(qū)制氫后，通過管道進行遠距離輸送，形成新能源多元化配置體系。
源端電氫協(xié)同—輸氫模式的優(yōu)點在于：形成新能源多元化遠距離輸送體系，有效緩解電網(wǎng)外送新能源的壓力，更好地支撐新能源大規(guī)模開發(fā)利用。新能源通過氫氣或天然氣系統(tǒng)實現(xiàn)大范圍配置，其對供需波動的容許度高于電力系統(tǒng)，可以通過配置適當規(guī)模的儲氫裝置以保障供需的大致平穩(wěn)。
此外，當電網(wǎng)容量不足或電力基礎設施建設成本較高時，利用氫能可以實現(xiàn)可再生能源的遠距離、低成本輸送。例如，海底電纜高昂的敷設成本是制約海上風電大規(guī)模發(fā)展的關鍵因素，可以轉(zhuǎn)而利用海上風電就地電解海水制氫，再通過已有油氣管道輸送回陸地。據(jù)測算，遠期管道輸氫能夠以海底電纜1/8的成本輸送10倍能量，并充分利用現(xiàn)有天然氣基礎設施，滿足迅速擴張的海上風電電力外送需求。
源端電氫協(xié)同—輸氫模式的問題在于：由于我國遠距離管道輸氫基礎設施還處于建設初期，非常不完善，短期內(nèi)將限制氫能的大范圍優(yōu)化配置?，F(xiàn)階段中國普遍采用氣態(tài)高壓儲氫與集束車的運輸方式，運輸效率較低，且可變成本較高，約為7-8元/（千克·百公 里），僅適用于小規(guī)模、短距離運輸。遠期來看，可以通過新建輸氫 管道或利用西氣東輸管道摻氫輸送，但輸氫管道建設成本較高，約為500-600萬元/千米；而西氣東輸管道摻氫比例不得超過10%，且輸送規(guī)模和起落點受到一定限制。
源端電氫協(xié)同-就地利用模式是指：在新能源富集地區(qū)制氫后，在附近的化工廠或交通樞紐站等 直接利用，滿足本地用氫需求。源端電氫協(xié)同—就地利用模式的主要優(yōu)勢在于：經(jīng)濟競爭力較強。相較于源端電氫協(xié)同 — 輸氫模式，就地 利用可以大幅縮減氫氣儲運成本；相較于源端電氫協(xié)同 — 輸電模式，就地利用可以避免電—氫—電多個能源轉(zhuǎn)換過程的損耗，提高能源利用效率，間接地降低用能成本。
源端電氫協(xié)同—就地利用模式的主要問題在于：極度依賴于本地的終端用氫需求。若本地的終端用能場景不夠豐富，氫能需求不大，無法消化新能源發(fā)電制備所得的氫氣，則不可避免地還是要將氫氣輸送至其他區(qū)域。因此，新能源富集地區(qū)應適當規(guī)劃氫能消費相關產(chǎn)業(yè)，例如在西部發(fā)展煤化工、 鋼鐵、重卡運輸?shù)取?
電—氫協(xié)同發(fā)展趨勢研判
電—氫協(xié)同發(fā)展將大致分為兩個階段。近期（當前—2030 年），電制氫設施將作為靈活性負荷，實現(xiàn)電—氫“單向耦合”。中遠期（2030 —2060年），電制氫設備作為靈活性負荷的規(guī)模進一步增長，部分氫能通過儲氫、燃氫發(fā)電或氨發(fā)電，實現(xiàn)電—氫—電“雙 向耦合”
從近期來看，電制氫設備是氫能與電網(wǎng)的主要互動環(huán)節(jié)。電制氫設備可接受波動性電源供電，可作為電力系統(tǒng)的靈活性資源，提供調(diào)峰、調(diào)頻服務。一方面，源側(cè)電制氫項目直接追蹤新能源波動性出力，就近消納利用新能源；另一方 面，電制氫設備接入電網(wǎng)，通過靈活運行方式參與大電網(wǎng)調(diào)峰，助力新能源消納。
未來儲氫有望成為促進新能源消納的重要長時段儲能技術，結(jié)合燃氫發(fā)電或氨發(fā)電在新能源出力不足、電力供應緊張時“反 哺”電力系統(tǒng)。在高比例新能源的新型電力系統(tǒng)建設中，新能源出力在周、月、季、年等時間尺度上的不均衡性逐漸凸顯，長時段調(diào)節(jié)需求將日益迫切。抽水蓄能和電化學儲能的放電時間通常在6小時以內(nèi)，主要作為日調(diào)節(jié)手段。儲氫充放時間最長可達1000小時 以上，容量可達百萬千瓦級，可解決周、月、季等長時間尺度調(diào)節(jié)問題。但電制氫再發(fā)電存在由兩重能源轉(zhuǎn)換造成的效率損失問題， 因此僅在在連續(xù)數(shù)日新能源出力不足等少數(shù)場景下，部分氫能通過燃氣機組摻氫燃燒或燃氫機組提供發(fā)電出力，或者氫轉(zhuǎn)化為氨后作為燃料發(fā)電，保障全時段電力電量平衡。
從遠期來看，電—氫協(xié)同將分別從源端、受端同步發(fā)力，平滑新能源發(fā)電和用戶用電之間的時空大范圍不平衡。其中，源端電—氫協(xié)同模式將廣泛應用于新能源發(fā)電基地，受端 電 — 氫協(xié)同模式將規(guī)?；瘧糜诜植际侥茉聪到y(tǒng)和微網(wǎng)中，通過電能與氫能的深度耦合互動，實現(xiàn)高比例新能源情景下 電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的大幅提升。
此外，通過電轉(zhuǎn)氫轉(zhuǎn)其他能源的形式，氫能將成為連接電力行業(yè) 與其他終端消費行業(yè)的重要媒介， 有利于加強電網(wǎng)的能源樞紐作用，推動電力行業(yè)與工業(yè)、建筑、交通等行業(yè)的緊密耦合。電力與工業(yè)領域的耦合方面，在發(fā)揮電制氫靈活 調(diào)節(jié)性能的基礎上，通過在煤電機組加裝 CCUS，為系統(tǒng)保留轉(zhuǎn) 動慣量的同時可捕捉二氧化碳，與綠氫廣泛結(jié)合大規(guī)模制取甲烷或甲醇等多種化工原料或高品質(zhì)燃料。電力與建筑領域耦合方面，以氫燃料電池、氫能供暖、摻氫燃氣多聯(lián)供等作為多元供能形式的分布式能源和微網(wǎng)為基礎，結(jié)合多能耦合技術和源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制技術，就地平抑新能源高滲透率下的不可控性和隨機波動性。電力與交通領域的耦合方面，以氫燃料電池汽車為載體，有效支撐交通領域的綠色發(fā)展。
