文 | 章雷其 馬瑜涵 江航 汪冬輝
作為一種二次能源，利用氫能是綠色且環(huán)保的。但生產端則未必。目前，96%以上的氫氣來自碳基化合物（如煤氣化、天然氣裂解和甲醇重整），制取過程會釋放大量的二氧化碳，這樣制取的氫能被稱為灰氫。只有用風、光等可再生能源產生的綠電制取的綠氫，才算實現(xiàn)真正的零碳排放。也正是通過綠氫，電與氫耦合在一起。
氫電耦合是未來氫能應用的主要方向之一。根據全球能源互聯(lián)網組織的估算，到2060年，中國電制氫的規(guī)模將達到6000萬噸，折合電能約為36000億千瓦時，將是2019年全國用電量的50%。
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對于電網，氫能的兩大功能值得關注。一方面，氫能可以實現(xiàn)脫碳電力的消納，增加電網的彈性；另一方面，氫能可減少對化石能源的依賴，幫助交通、工業(yè)、建筑等難以深度脫碳的領域脫碳，助力電力行業(yè)實現(xiàn)綠色轉型。
助力“高彈性電網”
“雙碳”目標對能源體系提出了根本性的變革要求，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)將在此過程中扮演重要角色。
當下在浙江，光伏發(fā)電已經超過水電，成為浙江第二大電源。到2025年，浙江規(guī)劃新能源裝機總量為3700萬千瓦，同比2020年增長近100%。
隨著新能源滲透率的快速提高，電網形態(tài)及運行特性將發(fā)生變化，電力電子化特征逐漸凸顯，浙江電網將面臨電力電量平衡困難、穩(wěn)定控制難度大、調節(jié)能力不足等挑戰(zhàn)，需要新的應對策略。
氫電耦合則是可以選取的策略之一。當前，氫電耦合已經在能量調節(jié)、轉換與存儲、能源互聯(lián)等方面體現(xiàn)出優(yōu)勢。
目前，國網浙江電力正全面推進“高彈性電網”建設，聚焦氫能等儲能載體與電網耦合發(fā)展，通過以下四方面，支撐浙江省率先實現(xiàn)“雙碳”目標。
第一，氫電耦合助力高比例新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
浙江分布式新能源發(fā)展迅猛，電制氫裝置功率運行范圍寬，與新能源的波動特性相匹配。將氫能與新能源耦合，可有效優(yōu)化新能源多時間尺度的并網特性，提升高比例新能源電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性；同時，可參與系統(tǒng)深度調峰與調頻，提升系統(tǒng)運行靈活性，促進新能源消納。
第二，氫電耦合助力電能的大規(guī)模、長時間存儲。
隨著新能源滲透率提高，長時間尺度（如季節(jié)性）的源荷不平衡問題將越來越突出，而氫能是實現(xiàn)大規(guī)模、長周期儲能的最佳途徑之一。氫及衍生氣體的能量存儲規(guī)模從百千瓦到吉瓦，存儲時間從小時到季，存儲特性與電化學儲能互補。從成本看，規(guī)?；瘍浔入姵貎﹄姷某杀镜鸵粋€數量級。氫電耦合對于“碳中和”場景下實現(xiàn)全時段能量平衡具有重要意義，可以顯著提高電網運行的彈性。
第三，氫電耦合助力分布式供能高效發(fā)展。
燃料電池熱電聯(lián)供綜合效率高，可作為電網公司拓展綜合能源業(yè)務的重要技術手段。針對海島、邊防等偏遠地區(qū)，構建分布式電源—氫耦合清潔供能系統(tǒng)，利用分布式電源制取氫氣，通過燃料電池進行熱電聯(lián)供，在風光資源不足時，持續(xù)向用戶供電，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。整個過程不產生任何污染，環(huán)境友好性強。
第四，氫電耦合助力構建以電為核心的能源互聯(lián)網。
氫燃料電池汽車是對傳統(tǒng)電動汽車的重要補充，電網公司可發(fā)展充電—加氫一體化綜合能源站，拓展業(yè)務范圍，促進電網與交通網的深度融合，構建電氫融合的零碳交通網。以氫能綜合利用為基礎，進一步開展電制甲烷、電制甲醇、電制氨，加強電網與氣網的緊密聯(lián)系，促進更多行業(yè)實現(xiàn)電能替代。
凸顯多元化潛力
目前，氫能應用大多集中在道路交通領域，但實際上，氫能在可再生能源消納、儲能、發(fā)電、建筑等領域均有巨大應用潛力。
國網浙江電力一直在密切跟蹤氫電耦合系統(tǒng)相關技術的發(fā)展，于2019年成功申請國家電網有限公司科技項目《百千瓦級氫利用關鍵技術研究及示范》；2020年，成功立項國家重點研發(fā)計劃項目《可離網型風/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術》。目前，國網浙江電力正在寧波、杭州、麗水、臺州等地開展氫電耦合基于工業(yè)園區(qū)、產業(yè)基地、農村、海島等的多場景示范與應用。
在寧波，國網浙江電力基于工業(yè)園區(qū)的氫電耦合直流微網示范工程，助力產業(yè)升級。塊狀經濟量大面廣，是浙江工業(yè)最突出的特點之一，工業(yè)園區(qū)是塊狀經濟向產業(yè)集群轉型升級的重要載體。國網浙江電力選址寧波慈溪市氫能產業(yè)園，開展基于工業(yè)園區(qū)的氫電耦合直流微網示范工程。該工程是上述《可離網型風/光/氫燃料電池直流互聯(lián)與穩(wěn)定控制技術》的配套示范工程，將建成首個電—氫—熱—車耦合的中壓直流互聯(lián)系統(tǒng)，開發(fā)支撐互聯(lián)系統(tǒng)靈活運行的能量管理系統(tǒng)，研制效率領先的電—氫、氫—電熱能量轉換裝置，滿足用戶對電、氫、熱多種能源需求，實現(xiàn)清潔能源生產到終端能源消費的全過程零碳。
在杭州，國網浙江電力基于產業(yè)基地的低碳氫能示范工程，助力低碳亞運。
結合2022年杭州亞運會“綠色、智能、節(jié)儉、文明”的辦會理念，國網浙江電力選址于格力電器園區(qū)，開展基于產業(yè)基地的亞運低碳氫能示范工程。工程擬構建高效、可靠和穩(wěn)定供電的“可再生能源制氫—氫能儲運—氫燃料電池熱電聯(lián)供”能源綜合利用系統(tǒng)，形成以氫能支撐交通、建筑領域電能替代、碳減排的先進工程樣本，提升氫電熱綜合供能方面的系統(tǒng)集成與工程建設能力，促進氫能產業(yè)發(fā)展，助力低碳亞運。
在麗水，國網浙江電力基于鄉(xiāng)村場景的水氫生物質近零碳示范工程，助力鄉(xiāng)村振興。
結合浙江省“共同富裕示范區(qū)”建設目標以及麗水市碳中和先行示范區(qū)的建設要求，國網浙江電力選點麗水縉云，建設國內首個基于鄉(xiāng)村場景的電-氫-生物質綜合利用示范工程。工程將構建以電為核心的多能轉換系統(tǒng)，實現(xiàn)水電制氫、生物質制氣，滿足建筑、交通、工業(yè)多樣化用能及深度脫碳需求，促進富余水電就地消納，農村廢棄物循環(huán)利用，形成電氫生物質協(xié)同的鄉(xiāng)村碳中和樣本，助力鄉(xiāng)村振興。
在臺州，國網浙江電力基于海島場景的氫能綜合利用示范工程，助力綠色海島建設。
浙江是中國島嶼數量最多的省份，陸地面積大于500平方米的海島有3061個，約占全國總數的40%，目前有100多萬人居住于海島之上，海洋綠色經濟已經成為浙江國民經濟的重要組成部分。國網浙江電力選址臺州大陳島，開展國內首個基于海島場景的氫能綜合利用示范工程。工程充分利用海島豐富的清潔能源制氫，促進海島清潔能源消納與電網潮流優(yōu)化，應用制氫/發(fā)電一體化變換裝置等先進裝備，提高系統(tǒng)針對波動性源荷的適應性與安全性，提升綜合能效至72%，實現(xiàn)清潔可靠備電、供熱、供氣，打造綠色海島。
國網浙江電力建設的四個氫能示范工程覆蓋了氫電耦合主要應用場景，展現(xiàn)了在“雙碳”目標下電能與氫能的協(xié)同方式。通過示范工程建設，搭建國內領先的產學研用團隊，集中突破氫能領域核心技術與裝備研發(fā)應用，帶動制氫—儲氫—燃料電池—能量管控系統(tǒng)全產業(yè)鏈的發(fā)展。同時，示范工程的應用落地將為氫電耦合商業(yè)模式的探索提供重要平臺，逐步明確氫利用市場定位、目標客戶群體與用氫特征，搶占氫電耦合發(fā)展市場制高點。
未來，國網浙江電力將繼續(xù)開展綠電制氫、高效儲氫、生物質制氣、高效熱電聯(lián)供、氫能支撐微網等氫電耦合關鍵領域研究，研制氫能與電池混合儲能、直流換流器等核心裝備，開發(fā)綜合能量管理系統(tǒng)，助力氫能關鍵設備的國產化發(fā)展。同時，國網浙江電力將加快推進氫電耦合綜合應用的浙江“示范”，打破氫能多場景高效綜合利用的瓶頸，有效支撐高彈性電網建設。
（作者均供職于國網浙江電科院）
