中國儲能網(wǎng)訊：氫能作為一種重要的綠色清潔可再生能源，具有高能量、零碳排放、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點。加快發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是應(yīng)對全球氣候變化、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、保障國家能源安全和實現(xiàn)經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。近年來，氫能作為新興零碳二次能源在電力行業(yè)得到了快速應(yīng)用發(fā)展，但氫電結(jié)合的產(chǎn)業(yè)鏈正面臨一些關(guān)鍵共性問題亟需深入研究，尤其是氫電耦合應(yīng)用場景下，缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作的頂層設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)支撐。本文將通過分析氫能與電能的耦合關(guān)系，搭建氫電耦合標(biāo)準(zhǔn)體系框架，以凝聚行業(yè)共識，提供政策參考，保障氫電耦合發(fā)展的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)供給。
氫能與電能的耦合關(guān)系
“綠氫”是未來氫能的發(fā)展方向，而“綠氫”是由水電解而來，可以認(rèn)為是間接的電氣化，同時氫氣的可存儲特性也為電力系統(tǒng)提供了大規(guī)模、長時間的能量存儲方式，通過氫燃燒發(fā)電還可為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供寶貴的轉(zhuǎn)動慣量，在今后以新能源高比例并網(wǎng)、高電力電子設(shè)備高比例并網(wǎng)為特點的新型電力系統(tǒng)中具有特殊重要作用。因此，通過“綠氫”和碳中和的兩大支柱，電與氫就耦合在了一起，氫電耦合系統(tǒng)將在未來能源系統(tǒng)中扮演重要的角色。
制氫促進可再生能源消納
隨著大規(guī)?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展及用戶側(cè)負(fù)荷的多樣性變化，電網(wǎng)面臨諸多問題與挑戰(zhàn)。新能源的消納問題會進一步顯現(xiàn)，利用可再生能源制氫可有效提升我國可再生能源消納水平?；赑EM（質(zhì)子交換膜）的電解水制氫裝備具有較寬的功率波動適應(yīng)性，與可再生能源的快速波動特性非常匹配，可實現(xiàn)輸入功率秒級、毫秒級響應(yīng)，同時可適應(yīng)10%～150%的寬功率輸入，為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)。將氫能與可再生能源耦合，可有效降低可再生能源對電網(wǎng)的沖擊，促進可再生能源消納，提高電力系統(tǒng)安全性、可靠性、靈活性，是構(gòu)建零碳電網(wǎng)和新型電力系統(tǒng)的重要手段。
氫儲能實現(xiàn)電能大規(guī)模長周期存儲
電化學(xué)儲能存在儲能時間短、容量規(guī)模等級小等不足，目前主要用于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、平滑新能源出力波動性，實現(xiàn)小時級別的短周期響應(yīng)與調(diào)節(jié)。氫可以在保證經(jīng)濟性的條件下實現(xiàn)大規(guī)模長周期儲能，存儲時間從小時到季節(jié)，能夠在電化學(xué)儲能不適用的場景發(fā)揮優(yōu)勢，存儲特性與電化學(xué)儲能互補。在大容量長周期調(diào)節(jié)的場景中，氫儲能在經(jīng)濟性上更具有競爭力。通過構(gòu)建氫儲能、抽水蓄能等混合儲能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全社會負(fù)荷從秒級到季節(jié)的輸出特性平移與優(yōu)化，對于碳中和場景下全時段源荷能量平衡具有重要的意義。
氫燃料電池促進清潔高效分布式供能
燃料電池?zé)犭娐?lián)供綜合效率高，是發(fā)展綜合能源的重要技術(shù)手段。針對海島、邊防等偏遠(yuǎn)地區(qū)，可構(gòu)建分布式電源-氫耦合清潔供能系統(tǒng)，利用分布式電源制取氫氣，利用燃料電池進行熱電聯(lián)供。在風(fēng)光資源不足時，持續(xù)向微網(wǎng)用戶供電，解決無電區(qū)域供電困難的問題，并輔助供給生活熱水，滿足用戶多種用能需求。整個過程不產(chǎn)生任何污染，環(huán)境友好性強。
天然氣混氫燃燒發(fā)電直接降低碳排放
氫可以直接替代或間接替代化石燃料用于發(fā)電，通過升級改造后的燃?xì)廨啓C，用清潔的氫燃料部分或全部替換天然氣發(fā)電,可實現(xiàn)低碳甚至零碳排放。目前，氫燃料燃?xì)廨啓C的發(fā)展除了開發(fā)全新的機型,常規(guī)燃機上氫燃料替代天然氣的改造也是重要研究方向，其中富氫燃料燃?xì)廨啓C已有較多的應(yīng)用，主要是合成氣擴散燃燒模式的IGCC電廠系統(tǒng)。2018年，三菱日立在700兆瓦輸出功率的J系列重型燃?xì)廨啓C上使用含氫30%的混合燃料測試成功，測試結(jié)果證實該公司最新研發(fā)的新型預(yù)混燃燒器可實現(xiàn)30%氫氣和天然氣混合氣體的穩(wěn)定燃燒,二氧化碳排放可降低10%。在低碳目標(biāo)的驅(qū)動下，氫將成為燃?xì)獍l(fā)電中一種日趨重要的零碳燃料。
根據(jù)上文分析，在電力領(lǐng)域可重點利用可再生能源電力制氫以促進富余可再生能源消納，平抑可再生能源的長周期波動性和間歇性，實現(xiàn)最大程度能量儲存和轉(zhuǎn)移利用，同時制氫裝備作為規(guī)模化可控負(fù)荷，其靈活調(diào)節(jié)能力和規(guī)模化效應(yīng)，為電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻提供新的技術(shù)手段，在能源消費端可通過氫電耦合實現(xiàn)電力、供熱、燃料等多種能源網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互補和協(xié)同優(yōu)化，推動分布式能源發(fā)展，提升終端能源利用效率。
氫電耦合標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀與問題分析
放眼世界，各國都在加大氫能的研究利用，而技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展除了需要戰(zhàn)略路線和政策措施的指導(dǎo)和支持以外，也離不開標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支撐。
國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀
國際上關(guān)于制氫產(chǎn)業(yè)鏈方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定較為完善，特別是美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家非常注重標(biāo)準(zhǔn)化工作，根據(jù)自身氫能技術(shù)特點及產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位，紛紛建立標(biāo)準(zhǔn)體系，研究制定氫能相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、美國機械工程師協(xié)會（ANSI）、氫能法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會（HCSCC）、電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）、國際自動機工程師協(xié)會（SAE）等組織做了大量工作。ISO設(shè)有氫能技術(shù)專委會，主要負(fù)責(zé)氫能制取、儲存、運輸、檢測和利用等領(lǐng)域的系統(tǒng)和設(shè)備的國際標(biāo)準(zhǔn)研究與制定。其中，在燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面較為集中，而氫能制備、儲存、運輸、加氫站、檢測等技術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)相對分散，針對性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量相對不足，而上述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對薄弱的領(lǐng)域又是推動氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、氫能技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，各國正在針對于此積極開展相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研制。
國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀
國內(nèi)氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)已初具雛形，國家電網(wǎng)有限公司、南方電網(wǎng)有限公司、中國華能集團、國家電投集團等電力企業(yè)圍繞氫電耦合互動技術(shù)開展了相關(guān)研究，并已瞄準(zhǔn)全產(chǎn)業(yè)鏈著手布局，眾多不同規(guī)模的氫電耦合工程已建成，電力行業(yè)氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進入高潮期。與國際先進技術(shù)相比，我國氫電耦合應(yīng)用方面尚存在基礎(chǔ)設(shè)施不完善、業(yè)務(wù)框架不清晰等問題和挑戰(zhàn)，尤其是在可再生能源制氫、電力系統(tǒng)儲氫、氫電耦合運行控制、氫燃料電池發(fā)電與熱電聯(lián)供方面的標(biāo)準(zhǔn)體系不健全甚至是空白，制約了氫能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的發(fā)展。
存在問題分析
氫電耦合發(fā)展需要專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織作支撐。國內(nèi)對于氫能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作已開展多年，并形成了多個體系成熟的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織，相關(guān)的全國標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會有SAC／TC 309 全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、SAC／TC 342全國燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、SAC／TC 114全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、SAC／TC 31全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會等，工作范圍涵蓋了氫的制取、儲存、運輸、氫燃料電池等全產(chǎn)業(yè)鏈，以及氫能在交通等多領(lǐng)域的綜合應(yīng)用等，但未能涵蓋氫能與電力系統(tǒng)耦合場景下的特殊要求，因此，電力行業(yè)的氫能發(fā)展需要專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)組織支撐相關(guān)工作。
氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在電力行業(yè)的適應(yīng)性有待提高。目前，國內(nèi)現(xiàn)行的涉及到氫能方面的標(biāo)準(zhǔn)多來自于危險化工品、石油、化工行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，針對氫本身特性規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容較少，且適用于電力場景中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理要求嚴(yán)重缺失，目前大部分是參照石化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系，但因為電力系統(tǒng)的特殊性，企業(yè)普遍反映標(biāo)準(zhǔn)不適用，有必要針對電力行業(yè)對氫電耦合場景中的技術(shù)要求開展系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)梳理和制定工作，將波動性電源制氫、氫的發(fā)電與并網(wǎng)及氫能在電力系統(tǒng)的綜合利用等關(guān)鍵工藝和技術(shù)細(xì)節(jié)加以規(guī)范。
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系在滿足電力生產(chǎn)實際應(yīng)用方面亟需完善。雖然氫能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展迅速、技術(shù)迭代更新快，但是目前存在氫電耦合、氫電協(xié)同規(guī)劃、氫燃料發(fā)電等多個方面標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、標(biāo)準(zhǔn)缺失等問題，具體體現(xiàn)在氫能與電網(wǎng)規(guī)劃、風(fēng)光耦合的可再生能源波動性制氫、適用于電力系統(tǒng)的高密度儲氫、氫電耦合運行控制、氫儲能安全應(yīng)用、氫燃料電池發(fā)電與熱電聯(lián)供、氫混燃?xì)廨啓C發(fā)電等方面存在標(biāo)準(zhǔn)空白，制約了氫能在電力行業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
氫的能源屬性有必要通過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進一步明確。2020年9月，國家能源局發(fā)布《加快能源領(lǐng)域新型標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出“在智慧能源、能源互聯(lián)網(wǎng)、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能、儲能、氫能等新興領(lǐng)域，率先推進新型標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，發(fā)揮示范帶動作用”。文件明確把氫列為一種新的能源，但在目前的標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于氫能的界定劃歸于危險化工產(chǎn)品來管理，與發(fā)達(dá)國家相比安全冗余過大，同時體現(xiàn)不出氫的能源屬性。例如氫相關(guān)的防火要求、項目布置條件、產(chǎn)業(yè)選址范圍、低壓固態(tài)儲氫的壓力容器管理等都造成了氫能發(fā)展的成本困境，限制了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在能源、環(huán)保、應(yīng)急等方面有必要梳理現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于氫的安全要求，摸清氫作為能源介質(zhì)的各項技術(shù)邊界，為氫作為能源這一屬性留出更多發(fā)展空間。
氫電耦合標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究
氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游制氫，包括化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫、電解水制氫、新型制氫技術(shù)；中游儲運包括高壓儲運、液氫儲運、固態(tài)儲運、有機液態(tài)儲運；下游利用包括燃料、供暖、電力，具體形式包括燃料電池、燃料電池汽車、燃料電池列車、熱電聯(lián)供、氫能冶金、微電網(wǎng)等。電力行業(yè)所涵蓋的火電、水電、風(fēng)電、光伏、核電及多能互補發(fā)電等方面正尋求與氫能結(jié)合的發(fā)展契機，非常有必要建立一套專業(yè)完整、分級合理、有序適用的氫電耦合標(biāo)準(zhǔn)體系。本文依據(jù)氫電耦合應(yīng)用等示范工程和當(dāng)前氫電耦合標(biāo)準(zhǔn)制修訂情況，初步提出該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方案。
基于目前氫能與電能深度耦合相互支撐的重點研究和發(fā)展方向，標(biāo)準(zhǔn)體系可劃分為基礎(chǔ)綜合、可再生能源電制氫、電力系統(tǒng)儲氫、氫能發(fā)電、氫電互動、評估與碳排放六個部分。其中，基礎(chǔ)綜合技術(shù)領(lǐng)域包括能源電力領(lǐng)域氫電耦合的術(shù)語定義、總體指導(dǎo)規(guī)范、通用技術(shù)要求、信息模型等規(guī)范；可再生能源電制氫領(lǐng)域包括以風(fēng)、光、氫集成為核心的綜合能源制氫系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計，運行控制，并網(wǎng)接入，檢修維護，安裝調(diào)試，測試驗收等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；電力系統(tǒng)儲氫技術(shù)領(lǐng)域包括儲氫材料技術(shù)要求、儲氫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、儲氫系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范、儲氫系統(tǒng)測試評價、儲氫設(shè)備安全等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；氫能發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域包括氫能發(fā)電（熱電聯(lián)供）裝備、氫能發(fā)電（熱電聯(lián)供）系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、運行控制、并網(wǎng)接入、檢修維護、安裝調(diào)試、測試驗收等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；氫電互動領(lǐng)域包括氫電耦合系統(tǒng)與電網(wǎng)的互動接口、接入電網(wǎng)互操作技術(shù)要求及測試與驗證等方面的標(biāo)準(zhǔn)；評估與碳排放領(lǐng)域包括用于規(guī)范氫電耦合系統(tǒng)或工程的經(jīng)濟性評估、碳排放評估、可靠性評價、經(jīng)濟性評價等。
氫電耦合技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化工作展望
“雙碳”目標(biāo)的提出為可再生能源發(fā)展按下“加速鍵”，隨著可再生能源裝機快速增長及用戶側(cè)負(fù)荷的多樣性變化，氫能作為連接可再生能源的紐帶和電力儲能介質(zhì)，將為新型電力系統(tǒng)發(fā)展帶來難得的機遇。氫電耦合也正成為各大電力集團公司布局氫能產(chǎn)業(yè)的重要方向，并將應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)“源、網(wǎng)、荷”各環(huán)節(jié)，這勢必會對新型電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行帶來重大積極影響。我國氫能與新型電力系統(tǒng)的耦合研發(fā)及應(yīng)用方興未艾，相關(guān)示范工程已逐步開展建設(shè)，亟需相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范和引領(lǐng)，同時氫電耦合的特點也決定了標(biāo)準(zhǔn)化工作任重道遠(yuǎn)，電力行業(yè)可匯集當(dāng)前示范工程項目建設(shè)經(jīng)驗的優(yōu)勢，聯(lián)合國際國內(nèi)相關(guān)氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織，逐步研究制定氫電耦合相關(guān)具體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在風(fēng)光電制氫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)儲氫、氫能發(fā)電系統(tǒng)、氫電互動和評估等領(lǐng)域加快步伐，為二者的高效耦合提供技術(shù)依據(jù)，規(guī)范行業(yè)發(fā)展，助力“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。
本文刊載于《中國電力企業(yè)管理》2023年12期，作者單位：中國電力企業(yè)聯(lián)合會
