面向新型電力系統(tǒng)的電氫耦合應(yīng)用場(chǎng)景與展望
許傳博 雍星楷
（華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院、新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委與國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》，明確氫能是未來國(guó)家能源體系的重要組成部分，是用能終端實(shí)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(diǎn)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(chǎng)景豐富等優(yōu)點(diǎn)，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。電氫耦合體系能夠有機(jī)結(jié)合電能與氫能的優(yōu)勢(shì)特性，推動(dòng)多能源互聯(lián)互濟(jì)與源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度協(xié)同，是“雙碳”目標(biāo)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(duì)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(fù)荷高峰）和“雙隨機(jī)”（供給側(cè)、需求側(cè)隨機(jī)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(dòng)”演進(jìn)為“荷隨源動(dòng)”甚至“源荷互動(dòng)”。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(duì)有限，源荷雙側(cè)靈活性資源潛力尚待進(jìn)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(chǔ)能。新能源成為主體電源后如何實(shí)現(xiàn)和保障不同時(shí)間尺度上的電力電量平衡是核心問題。電化學(xué)儲(chǔ)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(duì)周、月等長(zhǎng)期尺度尤其是季、年等超長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存的儲(chǔ)能技術(shù)。
三是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)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(shí)現(xiàn)重卡運(yùn)輸、鐵路貨運(yùn)、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(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)
在電源側(cè)，利用電解水制氫將間歇波動(dòng)、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(shí)，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(jià)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(chǎng)建設(shè)的不斷成熟，利用新能源富余時(shí)段的低谷電價(jià)制氫，綠氫經(jīng)濟(jì)性會(huì)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(fù)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(fù)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(jìn)行負(fù)荷側(cè)電力需求響應(yīng)，用于“削峰”。
2.氫儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)電能的跨季節(jié)、大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存
儲(chǔ)能對(duì)于促進(jìn)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(yùn)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(chǔ)能持續(xù)放電時(shí)間為分鐘至小時(shí)級(jí)，主要適用于超短周期（毫秒至秒級(jí)）和短周期（分鐘至小時(shí)級(jí)）的調(diào)節(jié)場(chǎng)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(yán)苛且對(duì)生態(tài)影響嚴(yán)重。氫儲(chǔ)能是以氫氣的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，方式多樣化，包括液化儲(chǔ)氫、壓縮儲(chǔ)氫以及金屬氫化物儲(chǔ)氫等，存儲(chǔ)規(guī)?？蛇_(dá)百萬千瓦級(jí)，存儲(chǔ)時(shí)間跨度從小時(shí)到季節(jié)。在大容量長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)的場(chǎng)景中，氫儲(chǔ)能比電化學(xué)儲(chǔ)能更具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。
3.氫能可助力實(shí)現(xiàn)深度脫碳
我國(guó)是工業(yè)化大國(guó)，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(yùn)輸、鐵路貨運(yùn)、航運(yùn)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(chǎng)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(bǔ)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(bǔ)，對(duì)于提升我國(guó)能源系統(tǒng)清潔性和安全性意義重大。
二、氫能“制儲(chǔ)輸用”與電能“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”耦合應(yīng)用場(chǎng)景
2021年10月，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，指出統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制儲(chǔ)輸用”全鏈條發(fā)展。氫能在“制儲(chǔ)輸用”環(huán)節(jié)與電能“源儲(chǔ)網(wǎng)荷”會(huì)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(chǎng)景。第一種場(chǎng)景是利用先進(jìn)電制氫技術(shù)的高度可調(diào)節(jié)負(fù)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(jìn)行儲(chǔ)存，減少棄風(fēng)、棄光的同時(shí)，滿足當(dāng)?shù)鼗S和加氫站的用氫需求；第二種場(chǎng)景是當(dāng)新能源發(fā)電量出現(xiàn)不足時(shí)，采用氫燃料電池將儲(chǔ)氫罐中的高壓氫能轉(zhuǎn)化為清潔電能并網(wǎng)。
2.儲(chǔ)能側(cè)與儲(chǔ)氫耦合
氫儲(chǔ)能被明確納入“新型儲(chǔ)能”，其在能量密度、儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)、地域轉(zhuǎn)移上優(yōu)勢(shì)明顯，而在能量轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度等方面則相對(duì)較差。電化學(xué)儲(chǔ)能性質(zhì)則恰恰相反，因此氫儲(chǔ)能與電化學(xué)儲(chǔ)能在周期上、規(guī)模上、空間上可互為協(xié)同、互為補(bǔ)充，二者有機(jī)形成的混合儲(chǔ)能可以更好地支撐未來新型電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。
3.電網(wǎng)側(cè)與輸氫耦合
我國(guó)綠氫的經(jīng)濟(jì)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(duì)較低，而國(guó)內(nèi)氫能需求主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南沿海地區(qū)，因此涉及到綠氫的長(zhǎng)距離輸送。目前主流的綠氫運(yùn)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(fù)荷側(cè)制氫”。在我國(guó)電力市場(chǎng)機(jī)制日漸成熟的背景下，后者在經(jīng)濟(jì)性方面的競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)提升。
4.負(fù)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(yuǎn)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(chǔ)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(dòng)汽車的負(fù)荷需求時(shí)，采用氫燃料電池裝置發(fā)電；當(dāng)氫需求較高時(shí)，采用電解槽裝置產(chǎn)氫。
三、電氫耦合前景展望
1.加強(qiáng)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(qiáng)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(chǔ)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(yùn)營(yíng)模式，共同推進(jìn)電氫耦合產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。
3.促進(jìn)電力和氫能供應(yīng)鏈的協(xié)同優(yōu)化
目前，我國(guó)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(shí)空變化，構(gòu)建電-氫供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)決策優(yōu)化模型，實(shí)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(yùn)行調(diào)度的協(xié)同優(yōu)化。
4.建立健全電氫耦合標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行調(diào)度等方向，推進(jìn)電氫耦合的標(biāo)準(zhǔn)化工作。國(guó)家層面加強(qiáng)政策頂層設(shè)計(jì)，地方層面出臺(tái)具有針對(duì)性的扶持激勵(lì)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
