面向新型電力系統(tǒng)的電氫耦合應(yīng)用場景與展望
許傳博 雍星楷
（華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院、新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點實驗室）
2022年3月，國家發(fā)展改革委與國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，明確氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)被確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。氫能與電能同為二次能源，具有來源廣泛、燃燒熱值高、低碳環(huán)保及應(yīng)用場景豐富等優(yōu)點，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。電氫耦合體系能夠有機結(jié)合電能與氫能的優(yōu)勢特性，推動多能源互聯(lián)互濟與源網(wǎng)荷儲深度協(xié)同，是“雙碳”目標下新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的重要載體。
一、新型電力系統(tǒng)對氫能的訴求
隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng)和新型用能設(shè)備的廣泛接入，新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)“雙高”（高比例新能源接入、高電力電子設(shè)備）、“雙峰”（夏、冬季負荷高峰）和“雙隨機”（供給側(cè)、需求側(cè)隨機性）的特性。因此，新型電力系統(tǒng)的建設(shè)存在以下三方面迫切需求：
一是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建理念將由傳統(tǒng)的“源隨荷動”演進為“荷隨源動”甚至“源荷互動”。傳統(tǒng)靈活性資源以源側(cè)各類可調(diào)節(jié)電源及抽水蓄能電站為主，調(diào)節(jié)能力相對有限，源荷雙側(cè)靈活性資源潛力尚待進一步挖掘。
二是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵在于統(tǒng)籌發(fā)展不同功能定位的儲能。新能源成為主體電源后如何實現(xiàn)和保障不同時間尺度上的電力電量平衡是核心問題。電化學(xué)儲能主要解決電力系統(tǒng)中短期尺度的削峰填谷，但難以應(yīng)對周、月等長期尺度尤其是季、年等超長期尺度下電力電量的不平衡問題，亟需引入跨季節(jié)、大規(guī)模、長時間儲存的儲能技術(shù)。
三是實現(xiàn)碳中和目標將高度依賴電氣化，尤其是新能源電力。然而，單純依靠電氣化難以實現(xiàn)重卡運輸、鐵路貨運、航空航天等交通領(lǐng)域和冶金、水泥、化工等工業(yè)領(lǐng)域的深度脫碳。因此，廣義的新型電力系統(tǒng)亟需集成深度脫碳的能源品種。
面對以上訴求，氫能恰好可發(fā)揮關(guān)鍵作用：
1.源側(cè)富余新能源就地制氫、荷側(cè)分布式動態(tài)響應(yīng)
在電源側(cè)，利用電解水制氫將間歇波動、富余電能就地轉(zhuǎn)化為綠氫，在提高新能源消納水平，解決棄風(fēng)、棄光問題的同時，還可滿足當(dāng)?shù)氐墓I(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域的氫能需求。當(dāng)前綠氫平均制取成本是灰氫的2～3倍，利用廉價的棄電制氫可以大幅降低綠氫的制取成本。此外，隨著電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的不斷成熟，利用新能源富余時段的低谷電價制氫，綠氫經(jīng)濟性會得到提升，從而幫助綠氫產(chǎn)業(yè)快速度過成本瓶頸期。
在負荷側(cè)，氫燃料電池分布式電站和分布式制氫加氫一體站可作為高彈性可調(diào)節(jié)負荷，快速響應(yīng)不匹配電量。前者直接將氫能的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，用于“填谷”；后者通過調(diào)節(jié)站內(nèi)電制氫功率進行負荷側(cè)電力需求響應(yīng)，用于“削峰”。
2.氫儲能可實現(xiàn)電能的跨季節(jié)、大規(guī)模、長時間儲存
儲能對于促進新能源高比例消納、保障電力安全供應(yīng)和提高電力系統(tǒng)運行效率具有重要作用。電力系統(tǒng)中應(yīng)用較多的電化學(xué)儲能持續(xù)放電時間為分鐘至小時級，主要適用于超短周期（毫秒至秒級）和短周期（分鐘至小時級）的調(diào)節(jié)場景。抽水蓄能具有大規(guī)模能量吞吐能力，但其開發(fā)建設(shè)條件非常嚴苛且對生態(tài)影響嚴重。氫儲能是以氫氣的形式進行存儲，方式多樣化，包括液化儲氫、壓縮儲氫以及金屬氫化物儲氫等，存儲規(guī)模可達百萬千瓦級，存儲時間跨度從小時到季節(jié)。在大容量長周期調(diào)節(jié)的場景中，氫儲能比電化學(xué)儲能更具有經(jīng)濟競爭力。
3.氫能可助力實現(xiàn)深度脫碳
我國是工業(yè)化大國，冶金、水泥、化工等工業(yè)領(lǐng)域需要使用化石能源作為還原劑或原料等，這些領(lǐng)域所消耗的化石能源無法用電力來替代。氫能具有兩重屬性，它不僅是一種能源，還是一種重要的工業(yè)原料，可替代化石燃料作為還原劑。此外，在重卡運輸、鐵路貨運、航運和航天等交通領(lǐng)域，電能替代難以規(guī)?；瘧?yīng)用，而液態(tài)氫能作為高能量密度、高燃燒熱值的燃料，可在這些場景發(fā)揮重要作用。
未來終端能源體系將是“綠電+綠氫”的互補穩(wěn)健體系，廣義上的新型電力系統(tǒng)是電網(wǎng)和氫網(wǎng)的互補，對于提升我國能源系統(tǒng)清潔性和安全性意義重大。
二、氫能“制儲輸用”與電能“源儲網(wǎng)荷”耦合應(yīng)用場景
2021年10月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，指出統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展。氫能在“制儲輸用”環(huán)節(jié)與電能“源儲網(wǎng)荷”會產(chǎn)生緊密的耦合關(guān)系。
1.電源側(cè)與制氫耦合
電源側(cè)與制氫耦合包括“電-氫”和“電-氫-電”兩種應(yīng)用場景。第一種場景是利用先進電制氫技術(shù)的高度可調(diào)節(jié)負荷特性，將風(fēng)、光等新能源發(fā)電產(chǎn)生的富余電量轉(zhuǎn)換為氫能進行儲存，減少棄風(fēng)、棄光的同時，滿足當(dāng)?shù)鼗S和加氫站的用氫需求；第二種場景是當(dāng)新能源發(fā)電量出現(xiàn)不足時，采用氫燃料電池將儲氫罐中的高壓氫能轉(zhuǎn)化為清潔電能并網(wǎng)。
2.儲能側(cè)與儲氫耦合
氫儲能被明確納入“新型儲能”，其在能量密度、儲能時長、地域轉(zhuǎn)移上優(yōu)勢明顯，而在能量轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度等方面則相對較差。電化學(xué)儲能性質(zhì)則恰恰相反，因此氫儲能與電化學(xué)儲能在周期上、規(guī)模上、空間上可互為協(xié)同、互為補充，二者有機形成的混合儲能可以更好地支撐未來新型電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。
3.電網(wǎng)側(cè)與輸氫耦合
我國綠氫的經(jīng)濟性資源與氫能的需求呈地理上的逆向分布。西北地區(qū)由于風(fēng)、光資源豐富，綠氫制取成本相對較低，而國內(nèi)氫能需求主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的東南沿海地區(qū)，因此涉及到綠氫的長距離輸送。目前主流的綠氫運輸有兩種模式，即“源側(cè)綠電制氫+管道輸氫”和“特高壓輸綠電+負荷側(cè)制氫”。在我國電力市場機制日漸成熟的背景下，后者在經(jīng)濟性方面的競爭力持續(xù)提升。
4.負荷側(cè)與用氫耦合
在建筑行業(yè)，通過氫燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)為城市居民用戶和海島、邊防等偏遠地區(qū)居民用戶提供電能和熱能，助力建筑業(yè)低碳發(fā)展。在交通行業(yè)，在現(xiàn)有充電站的基礎(chǔ)上增設(shè)電氫雙向轉(zhuǎn)換以及儲能一體化設(shè)備，構(gòu)建“充電站+加氫站”合建站模式，為汽車用戶提供多能源服務(wù)。當(dāng)公共電網(wǎng)不能滿足電動汽車的負荷需求時，采用氫燃料電池裝置發(fā)電；當(dāng)氫需求較高時，采用電解槽裝置產(chǎn)氫。
三、電氫耦合前景展望
1.加強核心技術(shù)研發(fā)以提升轉(zhuǎn)化效率
轉(zhuǎn)化效率較低是制約電氫耦合的主要因素之一。電制氫環(huán)節(jié)，電解水整體效率為65%～85%，氫發(fā)電環(huán)節(jié)，燃料電池系統(tǒng)整體發(fā)電效率為40%～60%?！半?氫-電”過程存在兩次能量轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致整體效率較低。因此，需要加強電解水和燃料電池核心技術(shù)的研發(fā)水平。
2.探索合作共贏的電氫耦合商業(yè)模式
拓展電網(wǎng)企業(yè)、石化企業(yè)和發(fā)電企業(yè)等能源企業(yè)的合作模式，探索新能源谷電、棄電制氫和氫儲能參與電力調(diào)峰的商業(yè)模式，探索交通領(lǐng)域的氫電一體化供能服務(wù)站和建筑領(lǐng)域綜合能源供應(yīng)站的建設(shè)運營模式，共同推進電氫耦合產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。
3.促進電力和氫能供應(yīng)鏈的協(xié)同優(yōu)化
目前，我國電力供應(yīng)鏈和氫能供應(yīng)鏈仍各自為戰(zhàn)，協(xié)同耦合程度較低。亟需考慮氫網(wǎng)與電網(wǎng)的相互作用以及能源需求和供應(yīng)的時空變化，構(gòu)建電-氫供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)決策優(yōu)化模型，實現(xiàn)電力和氫能供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)和運行調(diào)度的協(xié)同優(yōu)化。
4.建立健全電氫耦合標準和政策體系
從綠電制氫、充電加氫一體站、電氫耦合系統(tǒng)容量規(guī)劃、運行調(diào)度等方向，推進電氫耦合的標準化工作。國家層面加強政策頂層設(shè)計，地方層面出臺具有針對性的扶持激勵政策，逐步建立完善的電氫耦合產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展政策體系。
作者： 許傳博 雍星楷
