氫電耦合系統(tǒng)的應用場景分析與發(fā)展建議
王瑩瑩 王世靜 武震 戴劍鋒
（電力規(guī)劃設計總院）
為充分發(fā)揮氫能助力能源綠色低碳轉型、支撐實現(xiàn)碳達峰碳中和目標的重要作用，源端通過可再生能源電解水制取清潔低碳氫已經(jīng)成為行業(yè)共識，用戶端電能和氫能的互補協(xié)同應用也成為能源利用的重要途徑之一。未來，氫能與電能的發(fā)展將緊密相關、協(xié)調互補，氫電耦合系統(tǒng)正成為重要發(fā)展趨勢。
一、氫能和電能存在全鏈條互補特性，統(tǒng)籌研究可發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢
發(fā)展氫能，構建氫電耦合系統(tǒng)是加快能源低碳轉型進程的重要途徑之一。在氫能供給端，可再生能源電解水制氫是未來最有潛力的綠氫制取方式。隨著相關技術加速迭代和產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，電解水制氫技術經(jīng)濟性有望不斷提高，由清潔電能轉化為綠色氫能的比例將逐步提升。根據(jù)國內外有關機構預測，到2060年，我國氫能年需求約1億噸，其中約80%將來自于可再生能源電解水制取的綠氫。在氫能消費端，電能和氫能均為重要的二次能源，在交通、儲能、建筑等領域均具有廣泛的應用場景，氫能和電能互補應用潛力巨大；氫燃料電池發(fā)電、氫燃氣輪機發(fā)電等技術實現(xiàn)氫能到電能的轉化，支撐氫能發(fā)揮其長周期、大規(guī)模儲能的獨特優(yōu)勢，彌補電能不易長時間、大容量儲存的不足。
國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》明確指出將重點發(fā)展可再生能源制氫；國內多個省份發(fā)布氫能相關政策文件，均對可再生能源制氫及氫能多元應用進行重點部署?？梢灶A見，“十四五”及中長期，隨著氫能在能源電力領域的應用場景加速拓寬，氫電耦合系統(tǒng)將在增加新能源消納能力、提升電力系統(tǒng)靈活調節(jié)能力、提高綜合能源利用效率、減少二氧化碳等污染物排放等方面發(fā)揮重要作用，氫電耦合系統(tǒng)將成為氫能發(fā)揮其二次能源優(yōu)勢最重要的方式之一。
二、氫電耦合系統(tǒng)內涵豐富，應用場景多元
氫電耦合系統(tǒng)涉及氫能制儲輸運、電能發(fā)輸配用的各個環(huán)節(jié)，涵蓋兩個產(chǎn)業(yè)的全鏈條。筆者認為氫電耦合系統(tǒng)是以綠色低碳發(fā)展為原則，以資源優(yōu)化配置為目標，依托電解水制氫、氫能發(fā)電、多能源品種協(xié)同控制等技術，實現(xiàn)氫能和電能雙向靈活轉化、高效互補發(fā)展，支撐氫能綠色供給、脫碳應用和高比例可再生能源消納。氫電耦合系統(tǒng)既可以是電能到氫能或氫能到電能的單向轉換系統(tǒng)，也可以是實現(xiàn)電能和氫能雙向轉換的系統(tǒng)。
根據(jù)氫能和電能生產(chǎn)-儲存-輸送-使用的多個環(huán)節(jié)，氫電耦合系統(tǒng)可組合為三大類典型耦合應用場景，各場景主要特征如下：
典型場景一為可再生能源電解水制氫及就近綜合利用耦合場景。一是在可再生能源資源豐富且當?shù)貧淠苄枨筝^大地區(qū)，設立可再生能源電解水制氫專區(qū)，制取的氫作為原料或者燃料就近利用，應用場景包括石化、化工、交通、電力等應用（見圖1a），例如，張家口近年來大力發(fā)展可再生能源制氫，在北京冬奧會期間為交通用氫提供保障。二是用戶端氫電互補應用耦合場景，即通過氫能和電能的協(xié)同支撐，滿足用戶多樣化、低成本、高可靠性用能需求（見圖1b），例如，山東省正在牽頭開展的“氫進萬家”科技示范項目。
典型場景三為能源遠距離運輸耦合場景，即針對可再生能源豐富地區(qū)和氫能需求端逆向分布，綜合論證輸電與輸氫的技術經(jīng)濟性，實現(xiàn)新能源發(fā)電與氫能需求匹配的場景，既包括在可再生能源資源豐富地區(qū)設立制氫專區(qū)，采用氫能輸運技術，滿足遠端用戶側用氫需求的場景（見圖3a）；也包括將可再生能源發(fā)電遠距離輸?shù)接脩魝?，通過用戶側電解水制氫，滿足遠端用戶側多元化用氫和用電等能源需求（見圖3b）。
三、科學構建氫電耦合系統(tǒng)的幾個關鍵問題
科學構建氫電耦合系統(tǒng)是實現(xiàn)氫能和電能協(xié)調互補優(yōu)勢的關鍵。需結合用戶需求，統(tǒng)籌資源條件和基礎設施情況，深入系統(tǒng)開展技術經(jīng)濟論證，因地制宜推進工程實踐。在此過程中，建議把握“四個結合”原則：
一是將氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展與能源綠色低碳發(fā)展目標相結合。堅持目標導向，將是否有利于推動綠色低碳發(fā)展作為發(fā)展氫電耦合系統(tǒng)的目標和檢驗標準，從是否有利于節(jié)能、減排、提效、減碳的角度分析論證發(fā)展氫電系統(tǒng)的必要性。
二是將氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展與能源布局和區(qū)域協(xié)調發(fā)展相結合。以滿足能源需求為導向，將氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展與地方能源布局和不同區(qū)域協(xié)調互濟發(fā)展相結合，因地制宜，宜電則電、宜氫則氫、氫電協(xié)同，為解決能源供給和需求的逆向分配矛盾提供新的解決方案。
三是將氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展與科技創(chuàng)新能力相結合。氫能作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，尚有很多技術裝備難題需要攻關，在產(chǎn)業(yè)布局過程中，需要持續(xù)提升科技自立自強能力，科學判斷氫電耦合系統(tǒng)關鍵技術裝備的自主化水平和攻關能力，避免將國內市場變?yōu)閲饧夹g裝備的試驗場。
四是將氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展能力相結合。堅持系統(tǒng)思維，將定性分析和定量分析相結合，統(tǒng)籌氫能制儲輸運和電能發(fā)輸配用全鏈條，算好氫電耦合系統(tǒng)的綜合賬、長遠賬和經(jīng)濟賬，以安全、經(jīng)濟為基礎，推進氫電耦合系統(tǒng)穩(wěn)步持續(xù)健康發(fā)展。
四、推進氫能和電能協(xié)同有序發(fā)展的路徑建議
當前，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于起步期，能源轉型將加快氫能技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐，使氫能產(chǎn)業(yè)不斷成長、成熟，其支撐“雙碳”目標實現(xiàn)的能力不斷增強。在這個過程中，氫電耦合系統(tǒng)的發(fā)展路徑將不斷演化，并向著多元化方向發(fā)展。對此，提出以下四方面建議：
一是科學研究，明確發(fā)展路線。建議進一步以國家氫能規(guī)劃為綱領和指引，深入研究我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路線圖，尤其是將氫電耦合系統(tǒng)納入氫能發(fā)展全局進行部署，構建促進氫電耦合系統(tǒng)科學發(fā)展的產(chǎn)業(yè)體系，制定更加詳細的技術和經(jīng)濟指標目標，分階段、有序推動氫能和電能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。
二是標準先行，健全標準體系。建議盡快構建滿足氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展的相關標準體系，健全規(guī)劃設計、建設運行、驗收評價、經(jīng)濟分析等全過程標準，逐步解決標準滯后問題，夯實技術基礎，推進國標、行標、團標協(xié)同發(fā)展，并依托典型工程開展先進標準應用和示范。
三是穩(wěn)慎有序，推動試點示范。加強國家級-省級-項目級規(guī)劃的統(tǒng)籌銜接，以系統(tǒng)思維對具體問題進行具體分析。建議在全國氫能資源豐富、應用場景明確、基礎設施較好的地區(qū)先行先試，以需求牽引帶動可再生能源電解水制氫規(guī)?；?、低成本發(fā)展，示范開展技術創(chuàng)新、模式創(chuàng)新，為全國的政策、法規(guī)、模式等的制定提供樣板和借鑒。
四是超前部署，推動技術攻關。圍繞制約氫-電耦合系統(tǒng)發(fā)展的具體問題超前部署、集中攻關，提高可再生能源電解水制氫、燃料電池、摻氫燃機、大規(guī)模儲氫、長距離輸氫等技術裝備水平；運用系統(tǒng)思維破解電氫耦合系統(tǒng)發(fā)展問題，提升系統(tǒng)規(guī)劃設計能力，從技術研發(fā)-裝備制造-系統(tǒng)優(yōu)化-協(xié)同控制的全流程進行攻關，提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。
