氫電綜合利用價值及模式分析

徐飛 李曉霞 程麗敏

（1.中廣核研究院有限公司 2.中廣核太陽能開發有限公司）

0 引言

雙碳背景下，我國將持續建設多元化、清潔化、現代能源體系，可再生能源將作為能源轉型的主要方向，光伏、風電等可再生能源發電量將不斷擴大[1]。截至2021年底，光伏、風電裝機規模分別達到3.06億kW、3.28億kW。目前我國7個省（區）的新能源裝機占比達到20%，高比例新能源電力系統在局部電網已經形成，正向以新能源為主體電源的新型電力系統邁進。新能源將替代傳統能源成為主體能源是發展趨勢[2]。

氫能是未來能源的重要構成部分，具有低碳、易存儲和大規模運輸的優勢。隨著電解水制氫技術的進步，電解制氫裝置的寬功率運行，有利于適應新能源的波動性。將新能源與氫能結合利用，將優化新型電力系統的穩定性安全性，支撐高比例可再生能源電力的發展。

1 高比例可再生能源電力系統面臨挑戰

風電、光伏等可再生能源的發電伴隨著波動性與隨機性，給高比例可再生能用電力系統帶來了以下挑戰。

1）可再生能源日內功率波動大，對常規電源調節能力提出更高要求。根據《2020年中國風電行業深度報告》顯示，2019年新能源日最大功率波動在1億kW以上，山東、山西、寧夏、新疆等地區日最大功率波動在超過1000萬kW以上。由于電的瞬時性，電力系統需要保證電能供應與電能消費的基本平衡，這一平衡過程一般通過常規電源出力調節來維持。然而，隨著新能源占比的提高和常規電源占比的下降，只有少量常規電源能配合新能源靈活調節，因此高比例新能源并網存在電力平衡的問題[3]。

2）受自然條件制約，新能源出力曲線與負荷相關性弱。例如，青海電網2019年6月日均晚高峰最大負荷為821萬kW，但新能源最大出力僅占2.8%[4]。可再生能源低出力時間長，與負荷需求同時率低，不可調控，無法滿足用戶側功率需求。

3）可再生能源出力的季節性變化明顯，反調峰特性突出。2020年，某省電網全年可再生能源發電量最低為1064GWh，僅占可再生能源裝機容量的39%，新能源月發電量特性規律與月用電量特性規律相差較大[5]。

4）可再生能源對電網支撐性弱。對比常規電源，可再生能源發電支撐能力弱、抗干擾能力低、慣量低。且由于新能源發電單體容量小、總體數量多的特征，接入電網后管理難度大，支撐能力弱。

國外的高比例可再生能源電力系統已出現一些由于可再生能源波動造成的事故。國內外新能源并網技術要求見表1。2021年2月，美國多地遭逢雪災，德州大面積停電，部分地區斷電長達30小時，數百萬人遭逢斷電。德州的風電裝機規模是美國最大的，寒流突襲，凍住了風力發電機組的渦輪機，導致發電量驟然下降。2020年8月14日，美國加州的天氣連續高溫，加大了電力需求。而光伏在夜間不發電、風力因為天氣影響發電量顯著下降，整個加州可再生能源發電出力不到光伏裝機的12%，造成電力嚴重不足，40萬以上居民持續斷電時間1h 左右；次日，20萬以上居民被輪流限電[6]。

表1 新能源并網技術要求

2 氫電綜合利用是建設現代能源體系的重要途經

現代能量系統是基于可再生能源和氣體能量相互融合的多元能量架構，由傳統能量體系逐漸演進產生的嶄新能量系統。優先可再生能源、支持氣體再生能源、供求互動、資源有序分配、節能有效的平衡用能方案，是中國現代能源制度的核心特點。

氫能與電能同屬于二次能源，可與電能共建為互聯互通的現代能源網絡。通過新能源電解制氫以及氫能多途徑綜合利用（包括發電、汽車燃料、化工等），可實現電能載體與氫能載體的靈活互轉，擺脫新能源對電網單一依賴性，促進新能源大規模消納，融合電網、氣網、熱網、交通、化工等形成多元化能源網絡，契合未來能源架構。

不斷提升氫儲運、可再生能源制氫及氫綜合應用技術，進一步開發風力、光伏等可再生能源電站進行就地制氫，可以有效降低制氫成本，促進氫能消納，從而促進可再生能源消納。

氫電綜合利用可以促進新能源規模化發展，增大能源系統中可再生能源的占比。

3 制氫技術發展現狀

3.1 主要制氫技術現狀

目前，制氫技術主要有以下三種較成熟的路線：一是化石能源重整制氫（煤炭、天然氣）；二是工業副產氫（焦爐煤氣）；三是電解水制氫[7]。

與其他制氫技術相比，水電解制氫技術具有零排放、高效率的優勢，在技術不斷升級的情況下，發電成本和制氫成本將不斷減小，綠電制氫將成為未來氫氣來源的主要途徑。

表2 制氫技術對比

3.2 水電解制氫技術現狀分析

目前水電解制氫技術主要有三大類：堿性水電解制氫（AWE），質子交換膜水電解制氫（PEM）及固體氧化物水電解制氫（SOEC）。表3是三種水電解制氫技術的參數對比統計表。

表3 三種水電解制氫技術參數對比

堿性水電解制氫技術商業應用最成熟，使用的材料價格低廉，成本優勢明顯。但該技術也存在一些缺點，比如，在電解水過程中，多孔的催化層會被碳酸鹽阻塞，反應物和產物的傳輸受到阻礙；不能迅速調節制氫速度及啟停電解槽[8]。

質子交換膜水電解制氫技術正在迅速興起并用于商業。與現有的堿性電解水制氫裝置相比，質子交換膜電解裝置在運行中的靈活性和反應效率更高。目前質子交換膜電解槽成本（以每千瓦）已大幅下降，但仍高于堿性電解槽。

固體氧化物水電解制氫技術效率最高，但此技術尚不成熟。與堿性水電解和質子交換膜水電解相比，固體氧化物水電解制氫技術有望進一步提高制氫效率[9]。然而，固體氧化物水電解制氫技術尚不成熟，仍處于實驗室研究階段。

4 氫電綜合利用發展瓶頸

目前氫電綜合利用面臨著制氫用氫成本高、清潔優勢未能得到充分體現、可再生能源制氫尚未大規模推廣以及綠氫消納路徑尚未打通等問題。

制氫成本高。水電解制氫單位能耗較高，達到了4.0~5.5 h/Nm3，在總成本的中用電成本超過了70%。按照市電價格，制氫成本在30~40元/kg左右[6]，遠高于化石燃料重整制氫成本。

用氫成本高。氫氣的運輸存在高成本、低效率等問題，常用的高壓儲氫罐拖車和液氫槽車的價格在160~400萬元之間，它們每運輸100km，儲運價格約為8.66~13.57元/kg。并且運輸距離越長，成本越高，終端氫氣售價也會隨之增加。目前綠氫價格尚不具備市場競爭力，這極大阻礙了可再生能源制氫的規模化發展。

清潔優勢未充分體現。市電中火電比重大，碳排放問題仍然存在，據估算，使用火電進行電解水制得1kg氫氣的碳排放，是化石能源重整制氫的三到四倍（單位碳排放）。綠電制氫沒有碳排放問題，但尚缺乏相應的引導和鼓勵政策機制，未能使環境效益直接轉化為經濟效益，用戶的綠氫替代意愿不高[10]。后續，隨著全國碳交易市場啟動運行，以及碳稅制度落地實施，綠氫清潔優勢突出，市場競爭力將大幅提升，可以促進綠氫產業大規模發展。

可再生能源制氫尚未大規模推廣。通過可再生能源與制氫相互緊密結合，是實現節能減排和碳中和的重要途經。目前國內可再生能源制氫尚處于起步階段，以示范項目為主，未能實現工業大規模推廣應用。究其原因，主要體現在國內主要制氫技術尚不成熟，尚未形成自動化大規模制氫設備生產線，大規模制氫系統集成缺少設計、實施經驗，綠氫應用成本不具備市場競爭力，可推廣復制的商業模式尚未打通，綠氫消納缺少鼓勵政策及市場引導機制等方面。

綠氫消納路徑尚未打通。綠氫消納問題主要源于政策導向不顯著、技術約束及缺少市場競爭力幾個方面。低碳排放對先進生產力的需求與能源粗獷利用之間存在矛盾，傳統工業、交通領域、熱力行業仍愿意保留化石能源為主要原料與燃料的生產方式，堵塞了綠氫作為原料與燃料的消納路徑。受制于規模化氫儲運技術與經濟性約束，氫能外送的通道被“電能外送”方案壓制。電制氫、氫的輸運、加注、應用等環節的規劃設計、穩定運行、安全控制等技術的標準與規范尚未成熟，制約了氫能在電力、工業、交通等領域的多途徑消納。

5 氫電綜合利用模式分析

氫電綜合利用關鍵技術包括氫電綜合控制與智能優化運行技術，間歇性電能制氫技術以及大容量高密度氫儲技術。為進一步促進氫電耦合在實現碳達峰碳中和目標的過程中充分發揮環境優勢，在國家能源轉型、構架現代能源體系、保障國家能源安全和環境安全方面發揮作用，提出以下兩種可參考的氫電綜合利用模式。

（1）分布式“制-用”一體化氫電綜合利用模式

分布式“制-用”一體化氫電綜合利用模式是指利用分布式新能源制氫，并進行氫能就近消納。主要包括電氫耦合一體化加氫站、就近工業用氫、就地冶金用氫等。分布式“制-用”一體化氫電綜合利用模式產生的直接效益為：利用氫電耦合建設分布式制氫儲氫用氫系統，能夠打破時間和地域限制，既可以隨時隨地充分利用富余清潔能源降低制氫成本，又可以節省運輸費用。此外。“制-用”一體化氫電綜合利用生態鏈還能夠產生諸多間接效益，例如，通過參與調峰調頻等電網輔助服務提高電網穩定性、氫能的生產和使用過程均不產生任何有害氣體，使用可再生能源制氫可以節約化石能源等。

（2）基于大型輸氣管道的氫電綜合模式

西氣東輸天然氣管道及中俄東線天然氣管道形成了“橫跨東西、縱貫南北、聯通境外”的能源輸送格局。清潔能源資源多處西北、東北等電力負荷偏遠地區，而用電負荷中心集中在華北、華中地區。

基于大型輸氣管道的氫電綜合模式是指將富余清潔能源進行就地制氫并利用現有天然氣管道或新建管道進行遠程輸送，在受端區域進行氫的綜合消納。此模式開辟了一條新的清潔能源消納路徑，可有效解決目前清潔能源消納難題，實現清潔能源網和氣網互補轉換，促進清潔能源對于化石能源的替代，促進能源體系向低碳轉型。

6 結束語

綜上，本文分析了高比例可再生能源電力系統面臨的諸多挑戰及氫電綜合利用的優勢，基于我國主要制氫技術現狀，重點探討了氫電綜合利用發展瓶頸并提出了兩種氫電綜合利用模式。目前可再生能源電力系統面臨日內功率波動大、出力與負荷相關性弱、出力的季節性變化明顯及對電網支撐性弱等挑戰。制氫技術上，質子交換膜水電解制氫成本過高，固體氧化物水電解制氫技術仍處于研發階段，堿性水電解制氫技術應用較廣泛。目前，氫能發展的瓶頸主要是制氫用氫成本高、清潔優勢體現弱、可再生能源制氫尚未大規模推廣以及綠氫消納路徑尚未打通等問題。而氫電綜合利用不僅可以提升高比例新能源電力系統運行的穩定性，助力電能的大規模、長時間存儲，同時可以有效降低制氫成本，促進可再生能源消納，有利于能源體系向低碳轉型。其中，分布式“制-用”一體化氫電綜合利用模式和基于大型輸氣管道的這兩種氫電綜合模式未來將具有廣闊的發展前景。