氫電耦合系統(tǒng)的應(yīng)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(shè)計(jì)總院）
為充分發(fā)揮氫能助力能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、支撐實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要作用，源端通過可再生能源電解水制取清潔低碳?xì)湟呀?jīng)成為行業(yè)共識(shí)，用戶端電能和氫能的互補(bǔ)協(xié)同應(yīng)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(guān)、協(xié)調(diào)互補(bǔ)，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(bǔ)特性，統(tǒng)籌研究可發(fā)揮協(xié)同優(yōu)勢
發(fā)展氫能，構(gòu)建氫電耦合系統(tǒng)是加快能源低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)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(guān)技術(shù)加速迭代和產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電解水制氫技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有望不斷提高，由清潔電能轉(zhuǎn)化為綠色氫能的比例將逐步提升。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)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(fèi)端，電能和氫能均為重要的二次能源，在交通、儲(chǔ)能、建筑等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用場景，氫能和電能互補(bǔ)應(yīng)用潛力巨大；氫燃料電池發(fā)電、氫燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等技術(shù)實(shí)現(xiàn)氫能到電能的轉(zhuǎn)化，支撐氫能發(fā)揮其長周期、大規(guī)模儲(chǔ)能的獨(dú)特優(yōu)勢，彌補(bǔ)電能不易長時(shí)間、大容量儲(chǔ)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(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫；國內(nèi)多個(gè)省份發(fā)布?xì)淠芟嚓P(guān)政策文件，均對(duì)可再生能源制氫及氫能多元應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)部署?？梢灶A(yù)見，“十四五”及中長期，隨著氫能在能源電力領(lǐng)域的應(yīng)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(diào)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(nèi)涵豐富，應(yīng)用場景多元
氫電耦合系統(tǒng)涉及氫能制儲(chǔ)輸運(yùn)、電能發(fā)輸配用的各個(gè)環(huán)節(jié)，涵蓋兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的全鏈條。筆者認(rèn)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(biāo)，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(shù)，實(shí)現(xiàn)氫能和電能雙向靈活轉(zhuǎn)化、高效互補(bǔ)發(fā)展，支撐氫能綠色供給、脫碳應(yīng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)，也可以是實(shí)現(xiàn)電能和氫能雙向轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。
根據(jù)氫能和電能生產(chǎn)-儲(chǔ)存-輸送-使用的多個(gè)環(huán)節(jié)，氫電耦合系統(tǒng)可組合為三大類典型耦合應(yīng)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(dāng)?shù)貧淠苄枨筝^大地區(qū)，設(shè)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(yīng)用場景包括石化、化工、交通、電力等應(yīng)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(huì)期間為交通用氫提供保障。二是用戶端氫電互補(bǔ)應(yīng)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(jìn)萬家”科技示范項(xiàng)目。
典型場景三為能源遠(yuǎn)距離運(yùn)輸耦合場景，即針對(duì)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(shù)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)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(shè)立制氫專區(qū)，采用氫能輸運(yùn)技術(shù)，滿足遠(yuǎn)端用戶側(cè)用氫需求的場景（見圖3a）；也包括將可再生能源發(fā)電遠(yuǎn)距離輸?shù)接脩魝?cè)，通過用戶側(cè)電解水制氫，滿足遠(yuǎn)端用戶側(cè)多元化用氫和用電等能源需求（見圖3b）。
三、科學(xué)構(gòu)建氫電耦合系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題
科學(xué)構(gòu)建氫電耦合系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)氫能和電能協(xié)調(diào)互補(bǔ)優(yōu)勢的關(guān)鍵。需結(jié)合用戶需求，統(tǒng)籌資源條件和基礎(chǔ)設(shè)施情況，深入系統(tǒng)開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，因地制宜推進(jìn)工程實(shí)踐。在此過程中，建議把握“四個(gè)結(jié)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(biāo)相結(jié)合。堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向，將是否有利于推動(dòng)綠色低碳發(fā)展作為發(fā)展氫電耦合系統(tǒng)的目標(biāo)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，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(diào)發(fā)展相結(jié)合。以滿足能源需求為導(dǎo)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(diào)互濟(jì)發(fā)展相結(jié)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(jié)合。氫能作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，尚有很多技術(shù)裝備難題需要攻關(guān)，在產(chǎn)業(yè)布局過程中，需要持續(xù)提升科技自立自強(qiáng)能力，科學(xué)判斷氫電耦合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)裝備的自主化水平和攻關(guān)能力，避免將國內(nèi)市場變?yōu)閲饧夹g(shù)裝備的試驗(yàn)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(jié)合。堅(jiān)持系統(tǒng)思維，將定性分析和定量分析相結(jié)合，統(tǒng)籌氫能制儲(chǔ)輸運(yùn)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(yuǎn)賬和經(jīng)濟(jì)賬，以安全、經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)，推進(jìn)氫電耦合系統(tǒng)穩(wěn)步持續(xù)健康發(fā)展。
四、推進(jìn)氫能和電能協(xié)同有序發(fā)展的路徑建議
當(dāng)前，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于起步期，能源轉(zhuǎn)型將加快氫能技術(shù)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(biāo)實(shí)現(xiàn)的能力不斷增強(qiáng)。在這個(gè)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(duì)此，提出以下四方面建議：
一是科學(xué)研究，明確發(fā)展路線。建議進(jìn)一步以國家氫能規(guī)劃為綱領(lǐng)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(jìn)行部署，構(gòu)建促進(jìn)氫電耦合系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)體系，制定更加詳細(xì)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)目標(biāo)，分階段、有序推動(dòng)氫能和電能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。
二是標(biāo)準(zhǔn)先行，健全標(biāo)準(zhǔn)體系。建議盡快構(gòu)建滿足氫電耦合系統(tǒng)發(fā)展的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，健全規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)行、驗(yàn)收評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)分析等全過程標(biāo)準(zhǔn)，逐步解決標(biāo)準(zhǔn)滯后問題，夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)，推進(jìn)國標(biāo)、行標(biāo)、團(tuán)標(biāo)協(xié)同發(fā)展，并依托典型工程開展先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用和示范。
三是穩(wěn)慎有序，推動(dòng)試點(diǎn)示范。加強(qiáng)國家級(jí)-省級(jí)-項(xiàng)目級(jí)規(guī)劃的統(tǒng)籌銜接，以系統(tǒng)思維對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析。建議在全國氫能資源豐富、應(yīng)用場景明確、基礎(chǔ)設(shè)施較好的地區(qū)先行先試，以需求牽引帶動(dòng)可再生能源電解水制氫規(guī)?；?、低成本發(fā)展，示范開展技術(shù)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(dòng)技術(shù)攻關(guān)。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(guān)，提高可再生能源電解水制氫、燃料電池、摻氫燃機(jī)、大規(guī)模儲(chǔ)氫、長距離輸氫等技術(shù)裝備水平；運(yùn)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(shè)計(jì)能力，從技術(shù)研發(fā)-裝備制造-系統(tǒng)優(yōu)化-協(xié)同控制的全流程進(jìn)行攻關(guān)，提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。
