電氫耦合典型應用場景分析及經(jīng)濟性評估

曾一鳴，馬瑜涵，吳啟亮

（1.浙江省能源業(yè)聯(lián)合會，杭州 310063；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

在經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和“雙碳”背景下，中國能源發(fā)展面臨保障持續(xù)穩(wěn)定供應和加快清潔低碳轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)。2020年12月12日，國家主席習近平在氣候雄心峰會上宣布，到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到1.2×109kW以上。在能源資源、生態(tài)環(huán)境容量等多重約束下，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進程中，以可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源是中國能源發(fā)展的必經(jīng)之路。

氫能被廣泛視為21世紀終極常規(guī)清潔能源，具有零污染物排放、零碳排放、水-水可再生循環(huán)等特點［1］。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》［2］，明確了氫的能源屬性，其是未來國家能源體系的組成部分，因此，需要充分發(fā)揮氫能清潔低碳的特點，推動交通、工業(yè)等用能終端和高耗能、高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

不同于風能、太陽能等新能源發(fā)電形式的間歇性與高波動性，利用可再生能源余電及電網(wǎng)谷電制作“綠氫”，不僅可以削峰填谷、平滑負荷，還可以提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動。此外，相比于傳統(tǒng)電化學儲能，儲氫儲能具有更高的能量密度、更小的設備體積以及更高的儲能效率，可以實現(xiàn)大規(guī)模、長時間的存儲，與現(xiàn)代電網(wǎng)中大規(guī)模接入的風/光電源形成良好互補，能夠促進可再生能源發(fā)電的有效消納和高效利用［3-7］。因此，電氫耦合將為中國實現(xiàn)碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標提供行之有效的技術方案。

然而，目前電氫耦合的發(fā)展與應用仍處于起步階段，國內(nèi)外氫能裝備技術水平差距較大，國內(nèi)相關技術驗證示范較少，面臨技術、成本和基礎設施等多方面的挑戰(zhàn)。基于此，本文闡述了電氫耦合系統(tǒng)的概念及其關鍵特征，結合國內(nèi)培育氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃與激勵政策，歸納總結了電氫耦合5種典型應用場景并進行經(jīng)濟可行性評估，論證其在中長期運行下的可盈利潛力，分析當前影響其經(jīng)濟效益的主要因素，旨在為電氫耦合協(xié)同供能的未來發(fā)展提出路徑建議，助力上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展和“雙碳”目標的實現(xiàn)。

1 電氫耦合系統(tǒng)概念與特征分析

1.1 系統(tǒng)概念

電氫耦合系統(tǒng)主要由電制氫、儲氫、氫發(fā)電、氫電接口變換器、管理系統(tǒng)等組成，可實現(xiàn)利用可再生能源余電及電網(wǎng)谷電制作“綠氫”，支撐長時存儲，助力可再生能源消納，其結構如圖1所示。

圖1 電氫耦合系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of electricity-hydrogen coupling system

根據(jù)是否涉及不同能量之間的轉(zhuǎn)換，電氫耦合系統(tǒng)能夠分為氫電轉(zhuǎn)換核心設備及輔助系統(tǒng)。

電氫耦合的首要步驟是電制氫，目前應用最廣泛、效率最高的設備是水電解制氫槽。電氫耦合的核心環(huán)節(jié)是儲氫，現(xiàn)階段儲氫密度已經(jīng)能夠達到常態(tài)時的千倍以上。電氫耦合的閉環(huán)手段是氫發(fā)電，可通過氫燃料電池或氫燃機實現(xiàn)，前者是依靠電化學方式在溫和條件下將氫氣中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，后者是先利用燃燒將化學能轉(zhuǎn)化為熱能再進行發(fā)電，因此，前者的流程更短，氫-電轉(zhuǎn)化效率更高，通常為50%～70%。電氫耦合的互動基礎是接口變換器，以滿足電解槽所需的穩(wěn)定直流電，以及將燃料電池的直流電轉(zhuǎn)換為所需的電氣條件［8］。

電氫耦合的輔助系統(tǒng)是保障氫利用安全、保證電氫高效轉(zhuǎn)換、強化運行維護手段的重要技術手段，可分為氫電安全與保護系統(tǒng)、電-氫-熱綜合能量管理系統(tǒng)及關鍵設備運維管理系統(tǒng)。氫電安全與保護系統(tǒng)應具備完善的氫氣濃度監(jiān)測和氫泄漏安全動作等保護措施，還需具備對事故風險評價及定位的能力；電-氫-熱綜合能量管理系統(tǒng)通過制定效率最優(yōu)化、安全最大化的運行策略，綜合管理及協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)水、電、氣、熱的路徑；關鍵設備運維管理系統(tǒng)則是在設備個體層面，開展壽命預測、狀態(tài)評估等分析，強化系統(tǒng)執(zhí)行過程的穩(wěn)定性。

1.2 特征分析

基于氫-電能量靈活轉(zhuǎn)化的電氫耦合系統(tǒng)，能夠?qū)淠芗捌洚a(chǎn)業(yè)與電力網(wǎng)絡結合，相較于傳統(tǒng)的氫化工行業(yè)，在多方面具有顯著優(yōu)勢。一是在能源測，利用可再生能源“綠電”實現(xiàn)“綠氫”的制取，摒棄了目前化石燃料制氫現(xiàn)狀，達到全過程零碳的目的；二是在電網(wǎng)側(cè)，基于氫能的大規(guī)模、長時效儲能屬性，能夠增強電網(wǎng)對可再生能源的消納能力，促進跨地域、跨季節(jié)的削峰填谷；三是在負荷側(cè)，通過燃料電池、氫燃機、加氫機等典型用氫方式，能夠?qū)滢D(zhuǎn)化為電、氣、熱等能源產(chǎn)品，滿足用戶多樣化用能需求；四是基于氫氣的強化學屬性，開展泛氫應用，能夠體現(xiàn)為以氫為媒介的化工品合成，實現(xiàn)P2X（電力多元化轉(zhuǎn)換）的電能多途徑利用，從而實現(xiàn)在建筑、工業(yè)、交通等多領域的深度“脫碳”［9-10］。

此外，電氫耦合組織形式多樣。典型的組織形式有：可再生能源基地制氫—氫能就地綜合利用可再生能源基地制氫—管道輸送（含摻氫）或交通輸送至用氫負荷中心—氫能綜合利用可再生能源基地發(fā)電—電能輸送—用氫負荷中心制氫—氫能綜合利用分布式可再生能源就地制氫—氫能綜合利用等。中國幅員遼闊，不同電氫耦合組織形式均有其適用場景，對于西部可再生能源富集區(qū)域，可以考慮大規(guī)模就地制氫+氫氣儲運的模式；對于中東部地區(qū)，可以考慮分布式能源就地制氫，或者利用可再生能源基地輸送來清潔電力制氫并綜合利用［11-14］。

2 電氫耦合典型應用場景分析

結合對于氫能發(fā)展的一系列支持政策及電氫耦合示范應用現(xiàn)狀，本文綜述了電氫耦合在加氫站、鄉(xiāng)村、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、工業(yè)園區(qū)、海島的5種典型應用場景。

2.1 制氫加氫一體站

制氫加氫一體化是指在加氫站內(nèi)設置制氫設備，氫氣制備完成后經(jīng)過純化系統(tǒng)純化后，將氫氣通入壓縮機，儲存加注到加氫車輛的制氫加氫一體的建設方式。以圣圓能源制氫加氫一體化項目為例，其系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 制氫加氫一體站系統(tǒng)Fig.2 Integrated hydrogen production and hydrogenation station system

2.2 水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用鄉(xiāng)村場景

水-光-電-氫-生物質(zhì)是綜合利用鄉(xiāng)村豐富的水電、光伏、生物質(zhì)資源，構建以電為核心的多能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)水電制氫、生物質(zhì)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(nóng)村廢棄物循環(huán)利用。

以國網(wǎng)浙江省電力有限公司選點麗水縉云的水氫生物質(zhì)近零碳工程為例，該工程也是國內(nèi)首個基于鄉(xiāng)村場景的水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用示范工程，其系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 水-光-電-氫-生物質(zhì)綜合利用鄉(xiāng)村場景系統(tǒng)Fig.3 Rural scenario system for comprehensive utilization of water-solar-electricity-hydrogen-biomas

2.3 電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)

電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型應用是指在氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，利用可再生能源發(fā)電、電解水制氫、儲氫、氫燃料電池汽車加氫、氫燃料電池熱電聯(lián)供等環(huán)節(jié)，滿足用戶對電、氫、熱多種能源需求。

國網(wǎng)浙江省電力有限公司選址寧波慈溪市氫能產(chǎn)業(yè)園，開展氫電耦合技術示范應用，其系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電-氫-熱-車耦合氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)場景系統(tǒng)Fig.4 Scenario system of electricity-hydrogen-thermalvehicle coupling hydrogen energy industrial park

2.4 可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)

可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)典型應用是指利用可再生能源制取綠氫、儲氫、氫燃料電池熱電聯(lián)供等環(huán)節(jié)，助力工業(yè)園區(qū)脫碳。國網(wǎng)浙江省電力有限公司選址格力電器園區(qū)，開展園區(qū)低碳氫能示范場景打造，實現(xiàn)用戶側(cè)電、熱、氫、氧的清潔供應，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯(lián)供工業(yè)園區(qū)場景系統(tǒng)Fig.5 Scenario system of renewable energy hydrogen production-hydrogen storage-fuel cell cogeneration industrial park

2.5 風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島

風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島典型應用是指利用海島豐富的風電資源，通過風電制氫、儲氫、加氫站、氫燃料電池汽車（船舶）、氫燃料電池熱電聯(lián)供等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)海島氫能綜合利用。國網(wǎng)浙江省電力有限公司選址臺州大陳島，依托島內(nèi)已有的25.5 MW風電場建設，通過富余風電制氫，實現(xiàn)調(diào)峰儲能與可靠備電，同時為用戶供熱，構建一個多能融合的區(qū)域能源系統(tǒng)，打造電氫耦合低碳綠色島嶼，系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 風-電-氫-燃料電池熱電聯(lián)供海島典型場景系統(tǒng)Fig.6 Typical scenario system of wind power-electricityhydrogen-fuel cell cogeneration island

2.6 5種典型應用場景總結

表1總結了5種電氫耦合示范工程在標準狀態(tài)下的技術特征。在能量來源上，5種場景結合當?shù)乜稍偕茉促Y源稟賦，選擇分布式風、光、水為主要能量來源。在制氫設備方面，關注制氫規(guī)模與可再生能源耦合的需求，分別選擇堿性或質(zhì)子交換膜方式制氫；在儲氫方面，考慮暫無遠距離輸運需求，結合儲氫經(jīng)濟性與安全性，采用高壓氣態(tài)儲氫作為儲氫方案；在燃料電池方面，重點關注質(zhì)子交換膜燃料電池技術，同時在場景中開展小規(guī)模固體氧化物燃料電池技術測試與驗證；在用氫方面，結合用戶側(cè)需求，以燃料電池熱電聯(lián)供和車輛加氫為主，開展P2X技術的試點應用。

表1 5種典型應用場景的技術特征Table 1 Technical characteristics of five typical application scenarios

3 經(jīng)濟性分析

全方位、多層次的指標體系是電氫耦合應用經(jīng)濟性評估的基礎［15-16］。為此，本文通過一系列電氫耦合系統(tǒng)應用經(jīng)濟可行性評估指標，選取目前布局最為完善的加氫站典型應用場景，進行定量化經(jīng)濟可行性評估，并結合敏感性分析，得出影響其應用經(jīng)濟性的關鍵因素。

3.1 經(jīng)濟性指標體系

合理規(guī)劃的電氫耦合系統(tǒng)需要滿足系統(tǒng)持續(xù)可靠、經(jīng)濟高效的要求，尤其要體現(xiàn)電解槽、儲氫罐、燃料電池等核心設備對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響，電氫耦合系統(tǒng)應用經(jīng)濟性指標體系如表2所示。

表2 電氫耦合系統(tǒng)的應用經(jīng)濟性指標體系Table 2 Application economic indicator systems of electricity-hydrogen coupling system

3.2 典型應用場景的經(jīng)濟性評估分析

基于3.1節(jié)中的經(jīng)濟性指標體系，選取電解水制氫加氫一體站場景進行經(jīng)濟性評估分析。場景參數(shù)如下：以目前常見的設計加氫能力為500 kg/d的電解水制氫加氫一體站為例，其在標準狀態(tài)下典型容量配置和設備定容選型如表3所示，此處假設制氫加氫一體站主要利用光伏發(fā)電具備條件時段進行電制氫，因此估計的運行時間為全年總時間的一半。

表3 制氫加氫一體站的典型容量配置Table 3 Typical capacity configuration of integrated hydrogen production and hydrogenation station

一座500 kg/d的電解水制氫加氫一體站的典型投資如表4所示，其主要能耗如表5所示。

表4 典型投資Table 4 Typical investments

表5 主要能耗Table 5 Main energy consumption

以電解水制氫加氫一體站折舊年限20年為例，對幾種不同情形下的經(jīng)濟性進行測算，分析如下。

本文設定一種基準情形，即在當前的投資（2 831.92萬元）下，若氫氣售價為40元/kg，加氫站滿負荷運營，制氫電價為0.4元/kWh時，則項目現(xiàn)金流（年收益）為208.19萬元，稅后內(nèi)部收益率為3.99%（小于8%這一大部分項目測算選擇的最低可接受值），對應投資回報期約為14年。基準情形下經(jīng)濟性指標如表6所示。

表6 基準情形下的經(jīng)濟性指標Table 6 Economic indicators under benchmark conditions

在基準情形的基礎上考慮有補貼的情形，其經(jīng)濟性指標如表7所示。結果顯示，在基準情形的基礎上，若有一次性建站補貼400萬元、平均加注補貼2.2元/kg，則項目稅后內(nèi)部收益率可以達到8%。

表7 考慮補貼情形下的經(jīng)濟性指標Table 7 Economic indicators under condition of considering subsidies

在基準情形的基礎上考慮制氫電價的變化，其經(jīng)濟性指標如表8所示。結果顯示，在基準情形的基礎上，若制氫電價降低到0.17元/kWh，則項目稅后內(nèi)部收益率可以超過8%。

表8 考慮制氫電價降低情形下的經(jīng)濟性指標Table 8 Economic indicators under condition of considering reduction of hydrogen production electricity price

在基準情形的基礎上考慮售氫價格的變化，其經(jīng)濟性指標如表9所示。結果顯示，在基準情形的基礎上，若售氫價格高于47.1元/kg，則項目稅后內(nèi)部收益率可以超過8%。

表9 考慮提高售氫價格情形下的經(jīng)濟性指標Table 9 Economic indicators under condition of considering increase of hydrogen selling price

3.3 敏感性分析

在基準情形的基礎上選取售氫價格、投資費用、電價、日加氫量這4個主要因素對稅后內(nèi)部收益率影響的敏感性進行分析，結果如圖7所示。售氫價格、投資費用、電價、日加氫量這4個主要因素對電解水制氫加氫一體站的經(jīng)濟性都有較為明顯的影響，敏感性排序為：售氫價格＞日加氫量＞建設投資≈電價，即產(chǎn)品經(jīng)營成本（售氫價格）、運營負荷（日加氫量）的影響相對更大。

圖7 基準情形下的稅后內(nèi)部收益率敏感性因素Fig.7 Sensitivity factor analysis of after-tax internal rate of return under benchmark situation

圖8為在基準情形的基礎上對電解水制氫加氫一體站運營盈虧平衡點的測算。可以看到，當單日售氫量超過300 kg，即加氫負荷達到設計的60%時，運營達到盈虧平衡點。

圖8 基準情形基礎上的運營盈虧平衡點Fig.8 Operation breakeven point based on benchmark scenario

根據(jù)對電解水制氫加氫站的經(jīng)濟性分析測算，主要得到以下結論：在目前典型的電解水制氫加氫一體站投資水平（一座35 MPa的制氫加氫一體站，其加氫能力為500 kg/a）和售氫價格（40元/kg）下，即使以目前較低的制氫電價（0.4元/kWh）滿負荷運營，項目的經(jīng)濟效益仍然不好；現(xiàn)階段，補貼對于提高電解水制氫加氫一體站的經(jīng)濟性有較大的作用；售氫價格、投資費用、電價、日加氫量這4個因素對電解水制氫加氫一體站的經(jīng)濟性都有較為明顯的影響，其中，售氫價格、日加氫量的影響較大。

4 結語

本文系統(tǒng)闡述了電氫耦合系統(tǒng)的概念與關鍵特征，并提出了5種典型電氫耦合應用場景，通過構建經(jīng)濟性評估指標體系，針對制氫加氫一體站（加氫能力為500 kg/d）典型場景進行經(jīng)濟性評估，論證其可盈利潛力。通過敏感性分析得到當前影響電氫耦合系統(tǒng)經(jīng)濟性的最主要因素為售氫價格和日加氫量，故合理的氫氣定價及穩(wěn)定的加氫量對于項目的未來商業(yè)化發(fā)展至關重要。

當前，由于核心材料技術受限，利用風、光等可再生能源產(chǎn)生的“綠電”制取的“綠氫”成本較高，且電制氫與燃料電池效率仍待提升［17］，各種場景下氫能的綜合應用示范意義大于經(jīng)濟性，因此現(xiàn)階段合理的氫氣定價、一定的政府補貼以及穩(wěn)定的加氫量對于項目的未來商業(yè)化發(fā)展至關重要。未來，隨著設備成本有望大幅下降及轉(zhuǎn)換效率的提高，所需用于彌補成本、保障合理收益的容量電價將明顯降低，電氫耦合將成為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要路徑。