面向碳中和電力系統轉型的電氫樞紐靈活性應用

楊馥源，田雪沁，徐彤，王新雷，滕越，王締

(1.國網經濟技術研究院有限公司，北京市102209；2.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥市 230601；3.安徽新力電業科技咨詢有限責任公司，合肥市 230601)

0 引 言

風電、光伏等新能源的隨機波動特性將給我國電力系統運行靈活性帶來前所未有的挑戰，大規模新能源并網將進一步增加電力系統對靈活性資源的需求，電力系統若要提高可再生能源消納能力，關鍵的途徑就是提高靈活性[1]。隨著新能源裝機容量不斷提升，電力系統由以發電側為主要靈活性來源的系統過渡到系統各環節都需要靈活的系統，即從“源隨荷動”的互動模式逐漸過渡到“源荷”雙波動乃至“源網荷儲”協同互動的新型電力系統，彼時，對靈活性資源需求量、種類及相互之間的協同互動關系提出新的要求。大規模新能源接入電網需要的靈活性資源類型沒有統一的、標準的解決方案，靈活性需求取決于不同時空下新能源電力出力變化、用電負荷變化及具體系統狀態。不同類型的靈活性資源在方向性、時間尺度、空間流動、狀態特性方面有各自的優勢和不足。氫能是一種零碳、清潔、可與電雙向轉化的靈活性資源載體，能夠在電力系統各環節發揮調節作用，在面向碳中和的電力系統轉型中必不可少。電制氫負荷、氫儲能以及氫燃料電池或氫燃氣輪機發電作為一種全系統調節解決方案，對于提高系統靈活性的潛力巨大[2]，據估計，為實現碳中和目標，我國用作提供電網靈活性的氫氣生產容量將至少有100 GW[3]。因此，研究氫能在碳中和目標下的高比例新能源電力系統中的靈活性價值，分析其與電力系統互動的具體應用場景和關鍵技術的調節能力，對新型電力系統規劃和工程投資建設具有重要意義。但目前氫能與電網互動仍在發展初期，對電-氫互動的具體場景和電-氫樞紐參與電力系統靈活性調節的具體形態缺乏全面系統的梳理和研究。本研究將系統性分析面向碳中和電力系統轉型中電-氫樞紐關鍵技術的調節特性及電-氫樞紐在電力系統源網荷儲各環節靈活性調節的典型應用場景，為面向碳中和的新型電力系統靈活性資源規劃提供參考。

1 面向碳中和電力系統的靈活性需求展望

1.1 我國電力系統低碳轉型發展趨勢

2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和(以下簡稱“3060目標”)[4]。能源領域碳排放是我國碳排放的主要來源部門，約占排放總量的80%。在能源排放中，電力扮演愈來愈重要的角色，其清潔低碳轉型是能源系統實現碳中和的關鍵。為此，我國電力系統低碳轉型必將轉變一次電力的來源，即由清潔、零碳的可再生能源替代高污染物排放、高碳的化石能源發電。

電力系統低碳轉型的主要路徑是提升風電、光伏等新能源發電量在一次電力中的占比。我國新能源裝機增長迅速，截至2020年底，我國風電、太陽能累計裝機容量分別為2.8億、2.5億kW[5]，合計占全國發電裝機總容量的24.3%，占發電總量的9.5%，新能源裝機未來還將迎來大幅快速增長。2020年12月，習近平書記在氣候雄心峰會上發表重要講話中強調到2030年風電、太陽能發電總裝機容量將達12億kW以上[6]。國際能源署(International Energy Agency, IEA)模擬測算中，低碳情景下2035年風能和太陽能發電總量占比達35%[7]。到2050年，在1.5 ℃和2.0 ℃目標情景下，我國可再生能源發電量占比分別為68.2%和69.1%[8]，風能、太陽能發電量占比接近60%。碳中和目標背景下我國新能源發展趨勢見圖 1。

圖1 我國風能、太陽能發電量占比發展趨勢Fig.1 Development trend of renewable energy power generation in China

1.2 電力系統低碳轉型的靈活性需求

高比例新能源電力系統面臨著新能源消納困難和系統靈活不足的難題。2019年棄風電量為168.6億kW·h，棄光電量46億kW·h。隨著新能源裝機占比提升，其間歇性、波動性特征給電力系統安全穩定運行和電力電量平衡帶來極大挑戰；另一方面，新能源大量接入導致系統轉動慣量降低，頻率問題逐漸凸顯，扣除可再生能源出力后的電力系統“凈負荷”短時波動明顯，系統對靈活性需求劇增。

提高電力系統靈活性是保障電力系統安全穩定運行的前提。電力系統靈活性即一定時間尺度下，通過優化調配各類可用資源，以一定的成本適應發電、電網及負荷隨機變化的能力[9]。隨著源側風、光新能源發電裝機容量增長，電力系統特征不斷演變，靈活性資源的需求將持續增長，對不同階段電力系統特征及靈活性需求展望見圖 2。當電力系統中新能源發電量占比至10%～20%，通過已有設施和改進運行方式難以滿足靈活性需求，需要新增靈活性資源，我國“十四五”期間將步入該階段[10]。中期來看，新能源發電量占比在20%～50%之間，靈活性在系統中的重要性進一步提升，需要從監管和運行角度進行靈活性資源配置。此時，氫能作為一種區域靈活性調節資源，在我國三北地區等新能源富集區域和海上風電資源豐富地區具有應用前景。遠期來看，發電系統中新能源發電量占比將超過50%，氫是實現長周期跨季節儲能、雙向靈活調節的主要靈活性資源。

圖2 不同階段電力系統的特征及靈活性需求Fig.2 Characteristics and flexibility requirements of power systems at different stages

1.3 電-氫樞紐在電力系統中的靈活性

電-氫協同是應對電力系統低碳轉型中新能源消納問題和系統靈活性不足的路徑之一[11]。電-氫樞紐是滿足電力系統靈活性需求的電-氫協同方式。電-氫樞紐是以提高可再生能源電力可調度能力、降低系統碳排放為目的組成的調節系統，主要包括可再生能源制氫系統、氫儲存系統、氫燃氣輪機或氫燃料電池等氫發電系統，并與電網和下游氫能應用連接，示意圖如圖 3所示。電制氫系統在源側能夠平緩風光出力，氫儲存系統在長時間尺度下儲能較電儲能有明顯優勢，氫發電系統有較好的調節特性，電-氫樞紐各子系統在源-網-荷空間維度可靈活組合，以實現長周期靈活性調節、促進新能源消納和維護系統穩定低碳運行。

圖3 綠色電-氫樞紐項目示意圖Fig.3 Structure diagram of green electro- -hydrogen hub

目前，丹麥、美國等國家已經開展綠色氫樞紐項目，見表1。丹麥綠色氫樞紐(green hydrogen hub Denmark，GHH)主要目的是確保可再生能源供應，而不受外界天氣影響。該項目將季節儲氫和日常儲氫結合在壓縮空氣儲能(compressed air energy storage, CAES)中，為用戶提供100%綠色電力。美國猶他州可再生能源-氫發電樞紐項目計劃用可再生能源制氫發電替代燃煤發電廠，該發電廠將在2025年使用30%的綠色氫氣，并在2045年之前使用100%的綠色氫氣，實現可再生能源電力并網穩定運行。

表1 國外綠色電-氫樞紐項目Table 1 Green electro-hydrogen hub projects in other countries

2 電-氫樞紐關鍵技術及靈活性特征

電-氫樞紐的調節性能取決于各項關鍵技術的調節特性和研發階段。電-氫樞紐參與電力系統靈活性調節主要涉及電解制氫技術、氫氣儲存技術、氫發電技術。

2.1 電制氫技術的調節特性

目前，主流的電解制氫技術有堿性電解、質子交換膜電解和高溫固體氧化物電解，見表2。堿性電解水制氫技術是目前最成熟的技術，具有最低的制氫成本，單槽最大產氫量可達1 000 m3/h，安全可靠，使用壽命可達15年。目前，國產的堿性電解槽價格約2 000～3 000元/kW，成本在3種技術中最低，但運行過程有腐蝕液體，后期運維復雜，運維成本高。質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解水制氫技術具有響應速度快、電流密度高、耐功率波動范圍大等特性，相較于堿性電解槽有更高的產氣壓力、氫氣純度，以及具有更高的功率密度，較為適合可再生能源電解制氫的應用場景[12-13]。我國PEM電解制氫技術研究起步較晚，目前處于示范初級階段，最大的電解系統可達到MW級，PEM電解槽價格在7 000～12 000元/kW，成本較高。但運行過程無腐蝕液體，運維簡單，運維成本低。固體氧化物(solid oxide electrolyzer，SOE)電解水制氫技術因在高溫下工作，在3種技術中具有最高的制氫效率，但受限于啟動時間及響應速度，適用于具有高溫啟動熱源的穩定制氫應用場景(如核能制氫)。高溫下提高陶瓷材料的耐久性是大規模應用仍需解決的主要問題。目前高溫SOE電解技術國內外差距較大，國外的電解槽已進入示范階段，系統單體規模達到百千瓦級水平，國內尚處于實驗室研究階段。

表2 3種典型制氫技術對比Table 2 Comparison of three typical hydrogen production technologies

堿性電解、質子交換膜電解、固體氧化物電解這3種電解水技術在靈活性調節上各有優劣，必要時可進行組合選型，以實現減緩可再生能源出力的波動性。堿性電解制氫技術存在工作電流密度小、耐功率波動性范圍窄以及響應時間慢等問題，導致堿性電解水技術在電-氫樞紐中設計復雜，工作負載范圍狹小、響應速度不高，較適用于集中型穩定制氫場景。質子交換膜電解水技術在負載范圍、響應速度等方面，較堿性電解水技術均有明顯提升，但設備成本較堿性電解槽略高。質子交換膜電解技術作為新一代電解技術，具有電流密度大、啟動時間快、氣體純度高、功率負載范圍大、產品體積小、耐高壓、安全可靠等技術特點，其啟動時間快和功率負載范圍大的特點使質子交換膜電解系統具有處理電力波動或間歇負載的特點，同時質子交換膜電解技術不存在氣體混合的安全問題，因此適用于電-氫樞紐建設中[14]。高溫固體氧化物電解技術在成本與響應速度方面落后于質子交換膜電解技術。

2.2 氫儲運技術特征

高效儲氫技術是電-氫樞紐在實踐應用中的關鍵環節。儲氫方式分為物理儲氫和化學儲氫兩大類。物理儲氫主要有液氫儲存、高壓氫氣儲存、活性碳吸附儲存、碳纖維和碳納米管儲存等。化學儲氫法主要有金屬氫化物儲氫、有機液氫化物儲氫、無機物儲氫等[15]。目前較為成熟的氫儲存技術主要有高壓儲氫、液態儲氫和金屬氫化物儲氫技術[16]。高壓氣態儲氫是目前應用最為廣泛的儲氫技術，通常采用氣罐作為容器，儲存量與壓力成正比，常用的壓力有35 MPa和70 MPa。低溫液態儲氫將純氫冷卻到20 K使之液化，再裝到“低溫儲罐”儲存，目前該技術主要應用在航空航天領域。金屬氫化物儲氫即利用金屬氫化物儲氫材料來儲存和釋放氫氣，技術原理是利用某些金屬或合金與氫反應后以金屬氫化物形式吸氫，生成的金屬氫化物加熱后釋放氫。

氫的運輸方式有氣氫拖車、鐵路、輪船和管道運輸4種，其中氣氫拖車目前應用最為廣泛，國內長管拖車儲氫罐壓力均在20 MPa，國外儲氫壓力已達到50 MPa。鐵路運輸應用較少，且一般與液氨儲氫技術結合。輪船運輸與液氨儲氫和液氫儲運技術結合已得到實踐應用。管道輸氫在美國和歐洲已分別有超過2 600 km和1 500 km，目前國內氫氣管道較少。

不同儲運技術性能在儲氫體積密度、充放氫的可逆性、充放氫速率、儲存容量、可循環使用壽命及安全性等方面存在差異，詳見表 3，影響電-氫樞紐在電力系統中的調節性能。未來適應大規模可再生能源電力系統波動性的儲氫技術需要具備安全、大容量、儲存效率高、低成本等特點[17-18]。低溫液態儲氫適用于大規模高密度的氫儲存，但需進一步降低液化過程中的能耗，提高液化效率。利用鹽穴、管道儲氫因其容量大、儲存周期長適應于跨季節存儲，但受地理位置和地質條件限制。

表3 氫儲存技術對比Table 3 Comparison of hydrogen storage technology

2.3 氫發電技術的調節特性

將氫轉化為電能的主要技術有氫燃料電池發電和氫燃料內燃機發電技術。氫燃料電池發電效率高、過程綠色清潔，在面向碳中和的電力轉型中有實用性和發展前景[16]。氫燃料電池有堿性燃料電池(alkaline fuel cell，AFC)、質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)和磷酸型燃料電池(phosphoric acid fuel cell，PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(molten carbonate fuel cell，MCFC)和固體氧化型燃料電池(solid oxidation fuel cell，SOFC)，其中，AFC技術成熟度高，已商業化應用。PEMFC和PAFC處于商業化前期階段，MCFC和SOFC技術仍處于示范階段。從調節性能上看，PEMFC因具備啟動及動態響應快、高能量轉換效率、低溫啟動等特性，因此參與系統調節時具有優勢。成本方面，當前氫燃料電池發展尚未規模化，沒有相對固定的生產成本和統一的市場定價。據美國能源部對2020年固定式燃料電池發電系統的設備成本預測，1～25 kW民用熱電聯產分布式燃料電池發電系統設備成本為1 500美元/kW，0.1～3.0 MW熱電聯產分布式燃料電池發電系統中，燃燒天然氣的設備成本為1 000美元/kW，燃燒沼氣的設備成本為1 500美元/kW[19]。

氫氣轉換為電能的另一種重要技術是氫燃料燃氣輪機，氫單獨或氫與天然氣形成混合氣體作為燃料燃燒發電。燃氣輪機具有快速啟停特性和快速負荷調節特性，可與風電機組組成風氣互補系統，補償風電廠出力波動，使得整個電力系統出力較為穩定[20]。目前，氫燃料燃氣輪機技術在處于試驗和初期應用階段。2018年，日本三菱公司成功測試700 MW輸出功率的J系列重型燃氣輪機可使用含氫30%的混合燃料[21]。

3 電-氫樞紐在系統中的應用場景

氫參與電力系統靈活性調節是指通過電制氫或氫發電實現向下調節或向上調節，維持電網實時功率平衡，其原理如圖 4所示。氫作為一種靈活性資源載體參與電網調節時，一方面，通過電制氫平衡功率，并將產生的氫氣結合不同領域的下游應用，如工業原料、氫燃料電池汽車、建筑供熱等，提高能源系統的減碳效率；另一方面，電-氫樞紐調節系統具有時空平移特性，電制氫和氫發電兩環節能夠異地運行，滿足系統在空間上的調節資源靈活調動，實現系統性調節。按照電-氫互動方式，其應用場景主要有電-氫樞紐作為儲能系統參與電網長周期調節、在新能源并網發電場景中電-氫樞紐參與靈活性調節、電氫樞紐在離網系統中的靈活性調節。

圖4 氫參與靈活性調節原理示意圖Fig.4 Principle diagram of hydrogen participating in flexibility adjustment

3.1 電-氫樞紐參與系統性靈活性調節

電-氫樞紐參與電力系統全環節調節時，可實現在用電低谷時段制氫儲存，在用電高峰時段利用氫燃料電池或氫燃料燃氣輪機發電提高新能源出力，并實現不同子系統異地運行[22]，此時電-氫樞紐調節系統包括電制氫、氫儲存、氫燃料電池/氫燃氣輪機發電設備，如圖 5所示。從時間維度上，日內調節中，電制氫負荷在負荷低谷時電解水制氫向下調節，將多余的可再生能源電力儲存來增加供應側的靈活性；在用電高峰也可采取氫燃料電池/氫燃氣輪機發電進行向上調節，滿足突發性高峰用電需求。年內調節中，我國可再生能源隨季節波動特性與用電負荷需求存在錯峰現象，例如我國東北地區新能源出力呈現“風電春冬高發，光伏秋季多發”，電-氫樞紐因其儲能效率高，在長周期跨季節儲存中相較于電儲能具有明顯優勢，能夠適應可再生能源季節波動性調節。從空間維度上，新能源富集區域的可再生能源電能可以通過特高壓等電網互聯的形式傳輸到氫能需求高的地區，在需求側電制氫可實現電網靈活性調節目標并滿足當地氫能需求，如需求側電制氫結合下游氫燃料電池汽車的應用等場景。歐盟INGRID項目，由3.5 GW的太陽能、風能和生物能資源組成的發電系統，儲氫容量超過1 t的固態儲氫系統和一套1.2 MW的氫發電機組成，通過電-氫樞紐不僅提升了可再生能源系統的利用效率，同時優化了間歇性可再生能源電力的發電品質，保證了電網的安全性和穩定性[23]。目前電-氫樞紐中風電耦合制氫結合燃料電池發電技術的應用經濟性主要受風電預測準確性、制氫和儲氫成本的制約。

圖5 電-氫樞紐并網調節系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of grid-connected electro-hydrogen adjustment system

電-氫樞紐參與電力系統調節時與其他調節系統在調節能力、系統效率、系統壽命、技術成本存在差異，對比結果如圖6所示，對比發現，電-氫樞紐在儲能效率、儲能容量方面具有優勢，在技術成熟度和系統效率方面存在不足。在響應能力方面，電-氫樞紐與抽水蓄能、電化學儲能、電磁儲能、超導儲能相當，優于壓縮空氣儲能和熔鹽儲能，儲能效率方面，電-氫樞紐在長周期儲能方面具有優勢，且在高寒地區儲氫效率較儲電效率高[24-25]。

圖6 電-氫樞紐與其他儲能特性對比Fig.6 Comparison of characteristics of electro-hydrogen hub and other energy storage

3.2 電-氫樞紐參與新能源并網調節

電-氫樞紐與新能源發電耦合并網時，電-氫樞紐中電制氫系統參與向下調節，此時，將富余的可再生能源電解制氫，調節風光出力特性，改善電能質量，制取的氫氣進行儲存，再次發電參與調峰、調頻或用于下游產業或居民生活，如圖 7所示。文獻[26-27]發現風電耦合制氫結合燃料電池發電系統可以明顯提高并網友好性。但整套電-氫氣-電系統的轉換效率低于40%，且投資成本較高，導致燃料電池發電的成本電價達到13.7元/(kW·h)[28]。目前，采用氫發電調節電力平衡，存在投資回收期長、發電成本高等問題[29]。

圖7 電-氫樞紐參與并網新能源發電調節示意圖Fig.7 Structure diagram of electro-hydrogen hub participating grid-connected wind power system

3.3 電-氫樞紐參與離網系統中的調節

離網系統中電-氫樞紐的調節主要是指風電場或光伏發電場，不經過電網直接供給電解槽設備制氫，制取的氫氣通過儲氫系統儲存應用于下游用氫負荷，或通過燃料電池再發電供能，如圖 8所示。非并網風電、光伏耦合電解槽制氫，多應用于分布式制氫、園區或廠區制氫自用，以提升微網運行穩定性，制取的氫氣還能在下游應用產生經濟效益[29,23]。江蘇大豐市建成日產120 m3非并網風電電解水制氫系統示范工程，利用1臺30 kW和1臺10 kW風機共同給電制氫裝置供電，該系統表明電解水制氫系統對非并網風電系統的波動特性有較好的耦合關系，消除了風電對電網的沖擊，實現了風電100%高效、低成本利用[30-31]。國外學者研究表明，非并網風/光耦合制氫項目，在技術上具有可行性，即電解制氫裝置在不穩定電源下能夠運行，且具有更高的環境友好性，但經濟性欠缺，需要技術升級和降低成本造價來實現[32-33]。

圖8 電-氫樞紐在離網中調節示意圖Fig.8 Structure diagram of electro-hydrogen hub participating grid-off wind power system

4 結 語

氫能因其靈活、零碳的特性，將是能源系統中必不可少的能源載體。電力系統從以化石能源為主向可再生能源占主導地位轉型的過程中，由于新能源的波動性間歇性，亟需挖掘各環節各類型的靈活性資源潛力，同時也面臨著長周期、大規模儲存電能和跨季節調峰的需要。

本研究展望了不同發展階段電力系統的特征及其對靈活性需求的內涵，分析了電力系統低碳轉型背景下電-氫樞紐參與靈活性調節的關鍵技術和主要應用場景，為我國電力系統低碳轉型中靈活性資源系統規劃、電-氫協同發展政策和商業模式制定提供參考。