儲(chǔ)氫在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵問題及建議

電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院黨委書記、院長 杜忠明

大規(guī)模高比例可再生能源電力的接入，對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。首先，風(fēng)電和光伏在時(shí)間維度上具有周期特征的間歇波動(dòng)性、在空間維度上具有資源稟賦的差異性，新型電力系統(tǒng)承擔(dān)著復(fù)雜繁重的消納任務(wù)，需要在不同時(shí)間尺度、以不同能源載體形式提高系統(tǒng)靈活響應(yīng)能力；其次，當(dāng)前我國電力系統(tǒng)的新型儲(chǔ)能技術(shù)形式以儲(chǔ)電尤其是電化學(xué)儲(chǔ)能為主，難以滿足大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)的電力調(diào)節(jié)需求；第三，提高煤電機(jī)組靈活調(diào)節(jié)能力、降低煤電機(jī)組最小技術(shù)出力同樣是現(xiàn)階段讓渡可再生能源電力、提高可再生能源利用水平的重要手段之一。但是隨著我國碳中和進(jìn)程的不斷推進(jìn)，提高非化石能源消費(fèi)占比是降低碳排放最直接有效的方式。因此，新型電力系統(tǒng)亟需挖掘多元穩(wěn)定的清潔低碳能源載體，為構(gòu)建安全可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行體系提供堅(jiān)強(qiáng)支撐和有力保障。

氫能作為一種來源廣泛、清潔靈活、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，在化工、交通、能源電力、建筑等領(lǐng)域均涉及應(yīng)用。在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的背景下，氫能是電能的重要能量轉(zhuǎn)換載體，基于各類可再生能源制氫技術(shù)為基礎(chǔ)的電氫應(yīng)用體系可以靈活地實(shí)現(xiàn)電能-氫能的雙向互動(dòng)轉(zhuǎn)化，因地制宜形成滿足電、熱、冷多元化能源需求的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，是可再生能源電力的有力補(bǔ)充。

儲(chǔ)氫是電氫應(yīng)用體系中的重要環(huán)節(jié)，可以克服新能源電力存儲(chǔ)難以大規(guī)模、長周期、跨季節(jié)的局限性，助力提高新型電力系統(tǒng)的低碳電源支撐能力。下面主要從構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的角度對(duì)儲(chǔ)氫規(guī)模和儲(chǔ)氫形式兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行討論，并提出儲(chǔ)氫技術(shù)應(yīng)用在電力領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展建議。

儲(chǔ)氫規(guī)模宜合理優(yōu)化、按需配置形式應(yīng)因地制宜、經(jīng)濟(jì)可行

隨著構(gòu)建新型電力系統(tǒng)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，發(fā)展長時(shí)間尺度、大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的緊迫性逐漸凸顯。已經(jīng)商業(yè)化的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、熱水/熔鹽等儲(chǔ)熱技術(shù)。但抽水蓄能的建設(shè)受廠址條件嚴(yán)格限制，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)主要應(yīng)用于光熱發(fā)電領(lǐng)域，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)正在商業(yè)化示范的初期。鑒于氫能具有靈活應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)并且可以進(jìn)行大規(guī)模、長周期儲(chǔ)存，儲(chǔ)氫技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。

幾種主要儲(chǔ)能形式的儲(chǔ)能容量和儲(chǔ)能時(shí)長

雖然儲(chǔ)氫從時(shí)間尺度角度講具有長周期、跨季節(jié)的優(yōu)勢(shì)，但是電-氫-電的轉(zhuǎn)化效率實(shí)際僅有40%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰離子儲(chǔ)能的效率。因此，如果一味增加儲(chǔ)氫規(guī)模會(huì)顯著降低系統(tǒng)整體發(fā)電效率，減少可再生能源電量，直接影響經(jīng)濟(jì)性；但如果儲(chǔ)氫規(guī)模過小則會(huì)難以滿足長時(shí)間儲(chǔ)氫的需求，不利于提高可再生能源消納水平。因此，按需合理配置儲(chǔ)氫規(guī)模是充分發(fā)揮儲(chǔ)氫技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)的重要方面。

以內(nèi)蒙古風(fēng)光資源較好的地區(qū)為例，以電源基地風(fēng)電/光伏/火電裝機(jī)規(guī)模為4000MW/8000MW/4000MW、 配置1000MW/2000MWh鋰離子儲(chǔ)能為基礎(chǔ)條件，當(dāng)固定配置500MW 電解水制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫時(shí)長從以2小時(shí)為間隔從2小時(shí)增加到16小時(shí)，氫電系統(tǒng)發(fā)電量隨儲(chǔ)氫時(shí)長的變化依次為1.05、1.77、1.98、1.99、1.99、2.00、2.00、2.00。可以看出，當(dāng)儲(chǔ)氫時(shí)長從2小時(shí)增加至6小時(shí)時(shí)儲(chǔ)氫發(fā)電量增加明顯，之后隨著儲(chǔ)氫時(shí)長的增加發(fā)電量增加并不明顯，這說明大規(guī)模儲(chǔ)氫的時(shí)長存在一個(gè)最優(yōu)值，并非時(shí)間越長越好；第二，在給定的資源條件下氫能量存儲(chǔ)可以跨天，從而實(shí)現(xiàn)長周期儲(chǔ)能，而鋰電是日內(nèi)、日間充放電，這說明相比于鋰電儲(chǔ)能儲(chǔ)氫具有長時(shí)間尺度儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)；第三，電氫系統(tǒng)的充放電效率遠(yuǎn)小于鋰電，這也導(dǎo)致了電氫系統(tǒng)的能量利用率低，因此，電氫循環(huán)系統(tǒng)適用于峰谷價(jià)差較大或需要長周期、大規(guī)模消納棄風(fēng)棄光的場(chǎng)景。

仍以內(nèi)蒙古風(fēng)光資源較好的地區(qū)為例，以電源基地風(fēng)電/光伏/火電裝機(jī)規(guī)模為4000MW/8000MW/4000MW、 配置1000MW/2000MWh鋰離子儲(chǔ)能為基礎(chǔ)條件，儲(chǔ)氫時(shí)長6小時(shí)、儲(chǔ)氫容量以100MW 為間隔從200MW 增加至1000MW，以可再生能源電解水制氫—?dú)怏w儲(chǔ)氫—?dú)淙剂想姵匕l(fā)電體系的氫電系統(tǒng)發(fā)電量隨儲(chǔ)氫容量變化依次為0.83、1.23、1.61、1.99、2.35、2.69、3.03、3.34、3.67。

可以看出，隨著儲(chǔ)氫容量的增加氫電系統(tǒng)的發(fā)電量明顯增加，這主要是因?yàn)閮?chǔ)氫容量增加后，平抑瞬時(shí)風(fēng)電、光伏波動(dòng)性的能力增強(qiáng)了，但氫電循環(huán)裝置的利用小時(shí)數(shù)并不是隨之增加的，而呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)閮?chǔ)氫容量存在一個(gè)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性確定的最佳儲(chǔ)氫容量，當(dāng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)氫容量小于最佳儲(chǔ)氫容量時(shí)不能滿足消納風(fēng)光的需求；而當(dāng)設(shè)計(jì)容量大于最佳儲(chǔ)氫容量時(shí)，雖然氫電循環(huán)發(fā)電量增加、可再生能源利用水平提高，但氫電循環(huán)裝置利用小時(shí)數(shù)下降，實(shí)際運(yùn)行過程中部分裝置可能僅在少數(shù)風(fēng)電峰值時(shí)刻運(yùn)行，其他時(shí)間備用或停機(jī)從而導(dǎo)致全年閑置時(shí)間較長，由此增加的建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用有可能難以滿足項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性要求。因此，合理優(yōu)化儲(chǔ)氫容量是兼顧可再生能源消納利用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的必然要求。

儲(chǔ)氫形式的劃分有多種說法，一種是以物理形態(tài)區(qū)分，即氣態(tài)儲(chǔ)氫（氣瓶壓縮儲(chǔ)氫，地質(zhì)儲(chǔ)氫）、液態(tài)儲(chǔ)氫（低溫液態(tài)儲(chǔ)氫，有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫）、固態(tài)儲(chǔ)氫（金屬氫化物儲(chǔ)氫）；一種是以化合狀態(tài)區(qū)分，即氫單質(zhì)狀態(tài)（氣瓶壓縮儲(chǔ)氫，地質(zhì)儲(chǔ)氫，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫）、氫化合狀態(tài)（有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫，金屬氫化物儲(chǔ)氫，氨、甲醇等儲(chǔ)氫）。最早期國內(nèi)均是以物理形態(tài)區(qū)分儲(chǔ)氫形式，當(dāng)時(shí)氨和甲醇尚未被納入到儲(chǔ)氫體系中。近年來，隨著對(duì)儲(chǔ)氫技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷加深，鑒于氨和甲醇等氫化合物作為儲(chǔ)氫方式具有運(yùn)輸便捷經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，逐漸也被納入了儲(chǔ)氫體系中。在新型電力系統(tǒng)中，氫電循環(huán)中儲(chǔ)氫的上游制取環(huán)節(jié)為可再生能源電解水制氫，下游利用環(huán)節(jié)一般為燃料電池和氫燃機(jī)，因此，儲(chǔ)氫被視為是一種提高電力系統(tǒng)靈活性和增加可再生能源電量的方式，且不同類型的燃料電池和氫燃機(jī)對(duì)氫氣入口的純度要求也有所差異。

在送端來說，儲(chǔ)氫可以和電化學(xué)儲(chǔ)能配合應(yīng)用于大型多能互補(bǔ)綜合能源基地中，電化學(xué)儲(chǔ)能用于短時(shí)調(diào)峰、調(diào)頻，儲(chǔ)氫則在新能源發(fā)生季節(jié)性波動(dòng)和非常規(guī)天氣狀況時(shí)發(fā)揮長周期、大規(guī)模儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，采用儲(chǔ)罐儲(chǔ)氫顯然是不經(jīng)濟(jì)的，在眾多儲(chǔ)氫技術(shù)路線中，利用鹽穴、廢棄礦井、含水層等特殊地質(zhì)條件進(jìn)行氫氣存儲(chǔ)是長期規(guī)模化儲(chǔ)氫的最佳途徑之一。國際上已經(jīng)開展了利用鹽穴進(jìn)行規(guī)模化儲(chǔ)氫的嘗試，充分說明了該技術(shù)路線的可行性，四個(gè)已經(jīng)建成的鹽穴儲(chǔ)氫項(xiàng)目分別位于美國Clemens Dome（1986年建成、體積容量580×103m3、儲(chǔ)能容量81×103m3）、Moss Bluff（2007年建成、體積容量566×103m3、儲(chǔ)能容量123×103m3）、Spindletop（體積容量906×103m3、儲(chǔ)能容量274×103m3）和英國Tesside（1972年建成、體積容量210×103m3、儲(chǔ)能容量27×103m3）。

在受端來說，儲(chǔ)氫主要作為削峰填谷、需求側(cè)響應(yīng)的一種儲(chǔ)能形式，可選擇的儲(chǔ)氫形式比較靈活。可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇氣罐壓縮氫氣儲(chǔ)氫、金屬氫化物的固態(tài)儲(chǔ)氫形式或低溫液態(tài)、有機(jī)液態(tài)等液態(tài)儲(chǔ)氫形式，若氨燃機(jī)進(jìn)一步技術(shù)成熟后，也可以選擇儲(chǔ)氨的形式。但具體儲(chǔ)氫形式的確定應(yīng)重點(diǎn)考慮儲(chǔ)氫下游氫-電系統(tǒng)的技術(shù)路線，結(jié)合對(duì)氫氣純度要求而統(tǒng)籌考慮確定。

發(fā)展建議

新型電力系統(tǒng)具有適應(yīng)大比例可再生能源且全面低碳化的特征，因此在未來的新型電力系統(tǒng)中，能夠大容量、長時(shí)間尺度充分消納利用可再生能源的儲(chǔ)氫技術(shù)是其他儲(chǔ)能形式的有益補(bǔ)充，是推動(dòng)多能互補(bǔ)和源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化發(fā)展的重要手段。

推動(dòng)各種儲(chǔ)氫技術(shù)裝備的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，鼓勵(lì)開展能源電力領(lǐng)域范圍內(nèi)的不同場(chǎng)景、不同規(guī)模的儲(chǔ)氫技術(shù)示范，為高比例可再生能源接入電力系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。結(jié)合可再生能源電力制氫為制取環(huán)節(jié)、燃料電池發(fā)電或氫燃機(jī)發(fā)電為利用環(huán)節(jié)的不同應(yīng)用模式，探索在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)因地制宜開展不同儲(chǔ)氫技術(shù)形式的示范，形成不同儲(chǔ)氫技術(shù)的適用應(yīng)用場(chǎng)景及規(guī)模配置建議。

盡快完善能源電力領(lǐng)域電氫循環(huán)體系的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，明確氫的能源屬性，建立能源電力領(lǐng)域氫能利用的安全監(jiān)管和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。一方面，氫能現(xiàn)階段仍然按危化品進(jìn)行管控，由氫合成的甲醇和氨同屬危化品，這使得氫的能源化利用存在諸多障礙；另一方面，氫能尚未建立完整完善的制、儲(chǔ)、運(yùn)、用各環(huán)節(jié)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，尤其是在氫電應(yīng)用方面，如電解水制氫系統(tǒng)的電力系統(tǒng)接入、電氫系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)范、電氫循環(huán)項(xiàng)目的安全管理規(guī)范等，未來仍然需要進(jìn)一步研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，以支撐氫能的健康、穩(wěn)步發(fā)展。

建立健全電力市場(chǎng)、碳市場(chǎng)的市場(chǎng)機(jī)制，客觀反映以可再生能源電解水制氫為基礎(chǔ)的綠氫及儲(chǔ)氫在新型電力系統(tǒng)中的實(shí)際價(jià)值。現(xiàn)階段，可再生能源電解水制氫價(jià)格仍然較高，規(guī)模化儲(chǔ)氫技術(shù)尚未具備技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，然而在“雙碳”目標(biāo)下，具有綠色低碳屬性的大規(guī)模、長周期的儲(chǔ)氫及其轉(zhuǎn)化為的電力必將是維持新型電力系統(tǒng)供需平衡和保障系統(tǒng)安全的重要方式，相應(yīng)地，必須盡快建立健全能源、電力系統(tǒng)輔助服務(wù)和價(jià)格形成機(jī)制，加快完善碳市場(chǎng)相關(guān)機(jī)制，客觀反映儲(chǔ)氫的實(shí)際價(jià)值。