中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3月23日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十五屆儲(chǔ)能大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱“CIES2025”）在杭州國(guó)際博覽中心召開。
CIES大會(huì)以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、國(guó)際市場(chǎng)、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)?；こ虘?yīng)用。
在3月24日下午的儲(chǔ)熱與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能專場(chǎng)中，中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司儲(chǔ)能高級(jí)工程師梁丹曦作了題為《新型電力系統(tǒng)下氫能技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新探索》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理提煉，僅供參考。
梁丹曦
各位專家、同仁：
下午好！我是來自于中國(guó)電科院儲(chǔ)能所的梁丹曦，我分享的主題是氫能，也是在新型電力系統(tǒng)視角下，尤其是在今天這個(gè)主題“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能”下來做一些氫能技術(shù)的分享。
氫能是兼具物質(zhì)和能量屬性的技術(shù)，它在傳統(tǒng)的歷程中，之前主要是用于化工或者冶金的工業(yè)原料，在近幾年里，它作為能源的屬性也越來越受到重視。
2022年發(fā)布的氫能中長(zhǎng)期規(guī)劃，把氫能定位成未來能源體系的重要組成部分，也是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。
2024年的《能源法》，氫能也作為能源被納入，和石油、天然氣同級(jí)管理。預(yù)測(cè)2060年，氫能在終端能源消費(fèi)中的占比將達(dá)到20%。尤其是在“雙碳”模式下，氫能被看作交通、化工深度脫碳的重要路徑，油氣等化石能源替代的重要手段，發(fā)展氫能是國(guó)家雙碳及能源安全戰(zhàn)略的必然選擇。
氫能在現(xiàn)在的快速發(fā)展趨勢(shì)下，它在電力系統(tǒng)中也是一個(gè)靈活性的調(diào)節(jié)資源，我今天想談一下氫能支撐電網(wǎng)的作用和它的一些應(yīng)用構(gòu)想。
一、氫能支撐電網(wǎng)作用分析
1.新型電力系統(tǒng)特點(diǎn)
“雙碳”目標(biāo)下，新型電力系統(tǒng)中，新能源的快速發(fā)展會(huì)有一些風(fēng)光出力的波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性的特征，給電力系統(tǒng)帶來的除了秒級(jí)、分鐘級(jí)的波動(dòng)，也會(huì)有日、周的能量缺口，甚至有一些季節(jié)性的差異。對(duì)于電力系統(tǒng)來講，帶來多時(shí)間尺度的電力電量平衡的需求。
預(yù)測(cè)2025年電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的缺口是2億千瓦，2030年進(jìn)一步達(dá)到6億千瓦，電力系統(tǒng)面臨的是消納和保供的雙重挑戰(zhàn)，對(duì)靈活性資源的需求也十分旺盛。
這是美國(guó)的一個(gè)研究機(jī)構(gòu)做的半定量的分析。在這個(gè)圖里顯示了不同風(fēng)光占比下，對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的最大需求?？梢钥吹斤L(fēng)光占比達(dá)到70%左右的時(shí)候，需求10小時(shí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。在高占比的情況下，風(fēng)光對(duì)天氣的依賴性比較突出，對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求會(huì)更加明顯。尤其是季節(jié)性的儲(chǔ)能，將是一種難題。對(duì)于氫能，電解制氫和氫發(fā)電，可以根據(jù)不同的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)秒級(jí)和分鐘級(jí)的調(diào)節(jié)能力，它更為突出的是氫能是比較容易進(jìn)行大容量和長(zhǎng)周期儲(chǔ)存的方式。尤其它再轉(zhuǎn)換成氨/醇這些氫的衍生物以后，可以借助氨醇的物流或者倉(cāng)儲(chǔ)的能力來進(jìn)行儲(chǔ)能，可以做到超長(zhǎng)時(shí)的儲(chǔ)能。
工信部2025年發(fā)布的《高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》中也提出適當(dāng)超前布局氫儲(chǔ)能等道長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。氫儲(chǔ)能為高占比下季節(jié)性的新能源電力波動(dòng)給電網(wǎng)帶來長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)資源匱乏的問題提供了一個(gè)解決方案。
2.氫能支撐電網(wǎng)潛力分析
通過電氫轉(zhuǎn)化可以把氫能作為一個(gè)“能量庫(kù)”來進(jìn)行電量的超長(zhǎng)周期的存儲(chǔ)和跨時(shí)空轉(zhuǎn)移。右圖是國(guó)網(wǎng)能源研究院做的預(yù)測(cè)，2030年和2060年通過氫能的方式，包括制氫和燃?xì)錂C(jī)組發(fā)電，可以為新型電力系統(tǒng)提供4%和30%以上的靈活性的調(diào)節(jié)資源的能力。
3.氫能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用模式
談到氫儲(chǔ)能，其實(shí)它也是一個(gè)廣義的儲(chǔ)能方式，有通過“電-氫”、“氫-電”進(jìn)行單向儲(chǔ)能的方式，也有“電-氫-電”的氫儲(chǔ)能，有不同的應(yīng)用模式。
電-氫單向儲(chǔ)能主要是通過電解制氫的靈活調(diào)節(jié)的能力，再和后端化工、交通的用氫方式構(gòu)成長(zhǎng)鏈條的儲(chǔ)能，來進(jìn)行新能源的就地消納和利用，也可以作為靈活調(diào)節(jié)資源來參與調(diào)峰調(diào)頻或者需求側(cè)響應(yīng)。
對(duì)于氫-電來說，之前是燃料電池，現(xiàn)在氫/氨/醇燃機(jī)的發(fā)展也很迅速，它可以在電力系統(tǒng)中發(fā)揮調(diào)峰和保供的價(jià)值。尤其是燃機(jī)類的氫發(fā)電，是同步發(fā)電機(jī)的形式，在電力系統(tǒng)中可以做一些慣量、電壓、頻率等支撐，是一個(gè)綠色性的支撐電源。
電-氫-電可以作為長(zhǎng)周期儲(chǔ)能方式來發(fā)揮作用，包括進(jìn)行保供和調(diào)峰，緩解潮流堵塞。
二、氫儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)狀及面臨技術(shù)挑戰(zhàn)
1.氫儲(chǔ)能技術(shù)挑戰(zhàn)
氫儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用也面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。
對(duì)于電解制氫來講，現(xiàn)在主要發(fā)展的堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水、固體氧化物電解水，還有表格里沒有列的堿性膜電解制氫，這四種技術(shù)路線有一定的調(diào)節(jié)能力。尤其是質(zhì)子交換膜電解，它的范圍可以達(dá)到150%的過載能力，下限也可以到10%以下。這樣的范圍對(duì)于調(diào)峰或者做深度調(diào)峰也可以有一定的優(yōu)勢(shì)，它的爬坡速率在每秒鐘也可以達(dá)到10%。
但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，其實(shí)在調(diào)節(jié)上還受到了一定的限制，在長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下做調(diào)節(jié)對(duì)壽命有多少影響還不明晰，存在頻繁調(diào)控下適應(yīng)性不足的問題。另外，綠氫項(xiàng)目還存在并網(wǎng)特性認(rèn)知不足和并網(wǎng)規(guī)范缺乏的問題，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)增加。
我們現(xiàn)在電解制氫的試驗(yàn)平臺(tái)或者機(jī)構(gòu)，主要還是針對(duì)機(jī)組本身做的一些檢測(cè)，涉網(wǎng)性能還是比較缺乏的。
對(duì)于氫-電裝備來講，其實(shí)主要有兩大類的技術(shù)：燃料電池和氫發(fā)電。燃料電池，因?yàn)樽钕仁窃诮煌I(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，它在規(guī)模和并網(wǎng)能力上還需要進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于氫和它的衍生物發(fā)電，比如說氫/氨/醇燃機(jī)的技術(shù)路線，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外也都做了裝置類、產(chǎn)品類的探索，但整體還是在前期階段，我們對(duì)它的并網(wǎng)能力、并網(wǎng)控制以及調(diào)峰調(diào)頻測(cè)試方面，還有一些技術(shù)要突破。
儲(chǔ)運(yùn)氫方面，現(xiàn)在還是以氣態(tài)儲(chǔ)氫為主。固態(tài)儲(chǔ)氫，從技術(shù)類型上來講它相對(duì)安全，是適合于集中式大規(guī)模存儲(chǔ)的技術(shù)路線，但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外整體都還在示范初期。
在運(yùn)氫方面，現(xiàn)在還是以公路運(yùn)輸為主，管道輸氫是未來一種低成本和長(zhǎng)距離輸送的技術(shù)。整體儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，尤其是大容量長(zhǎng)距離的儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)，我們可以看到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)石油石化也在很大力地發(fā)展管網(wǎng)等。未來在儲(chǔ)運(yùn)氫大規(guī)模發(fā)展的情況下，結(jié)合電制氫和氫發(fā)電的技術(shù)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在電網(wǎng)中發(fā)揮長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的作用來講，還是很有前景的。
2.氫儲(chǔ)能技術(shù)挑戰(zhàn)
（1）規(guī)模和效率提升
尤其在波動(dòng)工況下，電解制氫、燃料電池內(nèi)部?jī)上嗔鲬B(tài)的形態(tài)演變復(fù)雜，一定程度上也制約了規(guī)模和效率的提升。除了核心裝備電解堆之外，對(duì)于系統(tǒng)來講，它也是一個(gè)電-氫-熱多能流耦合的系統(tǒng)，效率也是受限于很多因素，交互影響以后，效率提升也是有一定難度。
（2）壽命和調(diào)節(jié)性能提升
這也是氫儲(chǔ)能在電網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)核心問題。比如壽命，在波動(dòng)工況下，它對(duì)電解制氫內(nèi)部的催化劑會(huì)造成脫落、膜降解、極板腐蝕等問題，包括多場(chǎng)耦合下一些機(jī)械損傷的加劇。比如我們要做調(diào)峰，它在低載工況下會(huì)有一個(gè)氫滲加劇的問題，也制約了深調(diào)峰的能力。還有快速變載下，電解制氫和氫發(fā)電還是一個(gè)小型的化工廠，存在熱質(zhì)的慣性。以上情況下，波動(dòng)下的控制問題和安全性的保障是技術(shù)挑戰(zhàn)。
（3）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行制氫經(jīng)濟(jì)性
電價(jià)是它的核心影響因素，隨著風(fēng)光成本的降低以及電解制氫設(shè)備本身的技術(shù)進(jìn)步，會(huì)有一定的改善。另外疊加碳市場(chǎng)，以及如果和電力系統(tǒng)進(jìn)行交互，考慮電力市場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)性會(huì)進(jìn)一步提升。但是現(xiàn)在電-氫互動(dòng)平臺(tái)還處于初步研發(fā)階段，氫能運(yùn)行策略缺乏綜合性的考慮。尤其是現(xiàn)在綠電、綠氫耦合化工的應(yīng)用工程，化工是以“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”為運(yùn)行目標(biāo)，和電力系統(tǒng)的波動(dòng)需求、風(fēng)光的波動(dòng)存在矛盾。如何打通這個(gè)鏈條，構(gòu)成電氫化的長(zhǎng)鏈條的儲(chǔ)能還是極具挑戰(zhàn)的。
三、氫儲(chǔ)能未來發(fā)展構(gòu)想
1.未來構(gòu)想
氫儲(chǔ)能未來可以從上述的幾個(gè)挑戰(zhàn)來進(jìn)行突破：一是提升電-氫裝備的調(diào)節(jié)能力；二是超大規(guī)模集成技術(shù)，我們現(xiàn)在氫能項(xiàng)目也是百兆瓦級(jí)，國(guó)外已經(jīng)有幾個(gè)吉瓦級(jí)的氫能工程，涉及到超大規(guī)模的集成能力的提升；三是電-氫，包括后端化工、交通、天然氣的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)能力的構(gòu)建；四是友好安全的并網(wǎng)，最終來實(shí)現(xiàn)大容量高效率、寬范圍快調(diào)節(jié)、高安全高收益，通過電-氫的友好互動(dòng)發(fā)展來支撐新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行。
2.電氫裝備調(diào)節(jié)能力提升
主要是電解堆、工藝和寬范圍快速控制的技術(shù)，解決現(xiàn)在電氫裝備“調(diào)不了”的問題。
3.超大規(guī)模集成技術(shù)提升
主要是提供場(chǎng)站級(jí)的應(yīng)用方案，突破柔性組網(wǎng)、串并聯(lián)集成技術(shù)，把“用得了”的裝備進(jìn)一步打造成典型的范式。
4.電-氫（化）聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)能力構(gòu)建
突破電-氫化工或者交通的柔性鏈條控制技術(shù)，還有與電網(wǎng)深度互動(dòng)的調(diào)節(jié)技術(shù)，包括整個(gè)集群優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，形成電氫互動(dòng)體系化的解決方案，提供“調(diào)的好”的一個(gè)方案。
5.友好并網(wǎng)規(guī)范
規(guī)范化氫能的發(fā)展，形成制氫和氫發(fā)電的涉網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，為示范項(xiàng)目提供支撐，保障可以“放心用”。
四、中國(guó)電科院的實(shí)踐與探索
我們的團(tuán)隊(duì)從2014年開始，從10kW的氫儲(chǔ)能開始做起，從材料部件到系統(tǒng)全鏈條進(jìn)行研究，也取得了一些研發(fā)成果。
在裝備調(diào)節(jié)能力方面，構(gòu)建了考慮氫、能耗、后端儲(chǔ)氫需求的模型，并進(jìn)行全工況的運(yùn)行尋優(yōu)，以及工藝的優(yōu)化。并提出了溫度/壓力自適應(yīng)控制的寬范圍運(yùn)行技術(shù)，來拓寬運(yùn)行范圍。在快速控制方面，提出針對(duì)壓力的抗干擾策略、溫度和溫差的解耦控制。
相應(yīng)的控制策略也形成了制氫的控制裝置及制氫裝置。圖中是我們國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃產(chǎn)出的長(zhǎng)壽命的電解制氫裝置，現(xiàn)在也是針對(duì)壽命問題，提了一些緩解策略，現(xiàn)在在做5000小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行試驗(yàn)。
在互動(dòng)調(diào)控方面，針對(duì)涉及的多堆運(yùn)行、多機(jī)組協(xié)調(diào)、功率分配和自適應(yīng)機(jī)組啟停的問題，我們也是考慮壽命和安全性，提出了多堆優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)?？紤]風(fēng)光氫的多能系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化，也做了一些策略優(yōu)化。
在試驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫?，?gòu)建了從材料到堆到系統(tǒng)的全鏈條的試驗(yàn)驗(yàn)證能力?？紤]到在電網(wǎng)運(yùn)行，構(gòu)建了一個(gè)源網(wǎng)氫的電網(wǎng)模擬環(huán)境，來進(jìn)行涉網(wǎng)性能的測(cè)試。
標(biāo)準(zhǔn)方面，編制了電解制氫功率波動(dòng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)、寬范圍調(diào)節(jié)的電解制氫的技術(shù)規(guī)范、性能試驗(yàn)方法等，包括壽命測(cè)試評(píng)價(jià)方面的標(biāo)準(zhǔn)。
在工程方面，核心推動(dòng)了兩個(gè)工程：一個(gè)安徽六安兆瓦級(jí)氫能綜合利用工程，也進(jìn)行了一些支撐電網(wǎng)調(diào)峰能力的驗(yàn)證。
另一個(gè)是浙江海島綠氫工程，自主研制的百千瓦制氫裝置進(jìn)行了應(yīng)用，并做了變工況、調(diào)節(jié)速率的實(shí)際工程驗(yàn)證。
我的匯報(bào)就到這里，謝謝各位專家，歡迎指導(dǎo)合作。
