氫電耦合的應用場景、發展現狀與挑戰分析

摘要：氫能和電力作為可再生能源規?；咝Ю煤陀媚芙K端綠色低碳轉型的重要載體，已成為全球實現碳中和的關鍵路徑。構建耦合氫能與電力的新型能源系統對推動全球能源革命、低碳經濟發展具有重大意義。深入探討氫電耦合應用場景與發展現狀，分析氫電耦合發展面臨的挑戰，系統研究項目涉及的政策、建設合規性、安全和經濟性風險，旨在為政策制定者、產業從業者以及研究人員提供參考，推動氫電耦合技術的可持續發展。

關鍵詞：氫電耦合；應用場景；發展現狀；挑戰；氫電轉換

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）06-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.033

Analysis of application scenarios， development status， and challenges of hydrogen electric coupling

HUANG Lili1， SONG Bisang1， WANG Hong1， LI Hui1， LIN Dongjing2

（1. Jinyun Power Supply Company， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.;

2. Zhejiang Zhentai Energy Technology Co.， Ltd.， Lishui 321400， China）

Abstract： Hydrogen and electricity， as important carriers for the large-scale and efficient utilization of renewable energy and the green and low-carbon transformation of energy terminals， have become key paths for achieving carbon neutrality globally， and the construction of a new energy system that couples hydrogen energy and electricity is of great significance for promoting the global energy revolution and low-carbon economic development. The application scenarios and development status of hydrogen electric coupling are deeply explored， the challenges faced by the development of hydrogen electric coupling are analyzed， and the policy， construction compliance， safety， and economic risks involved in the project are systematically studied， aiming to provide reference for policy makers， industry practitioners， and researchers， and promote the sustainable development of hydrogen electric coupling technology.

Keywords： hydrogen electric coupling; application scenarios; development status; challenge; hydrogen to electricity conversion

在碳達峰碳中和的新形勢下，推進能源革命，建設新能源體系，是中國能源行業當前的重要使命。作為極具發展潛力的清潔二次能源，氫能具有熱值高、來源廣、可長期存儲等特點，成為構建清潔低碳高效能源體系的理想媒介，能夠溝通新能源與電力系統，對促進能源結構低碳化、實現綠色低碳轉型、大規模深度脫碳具有重要意義[1-2]。利用電解制氫與氫燃料電池技術構建新型能源電力系統，實現氫能與電能相互轉換，是推動能源領域變革的關鍵驅動力之一。闡述氫電耦合的概念，總結氫電耦合應用場景與發展現狀，分析氫電耦合項目建設的政策、建設合規性、安全性以及經濟性等，旨在為未來氫電耦合項目建設提供參考，助力碳達峰碳中和目標的實現。

1 氫電耦合概念

2020年12月，國務院新聞辦公室發布《新時代的中國能源發展》白皮書，提出要加速發展氫能制、儲、輸、用等全產業鏈技術及裝備[3]。2022年，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，明確氫能產業的發展定位、目標與總體任務，指出要探索站內制氫、儲氫和加氫一體化的加氫站等新模式[4]。對電力系統而言，氫能是一種靈活性資源，將氫能與電力耦合，可以實現電能與氫能的轉換與協同，支撐更高份額的可再生能源電力的發展[5]，有希望解決新能源大規模發展后電力系統的靈活調度問題，實現脫碳電力的消納，提升電網彈性[6-8]。

氫電耦合系統主要由電能和氫能兩部分組成，包含電制氫、氫存儲、氫發電、氫電接口轉換和管理系統等模塊，可利用電低谷期或富余的清潔能源進行電解水制氫，將產生的氫氣送至加氫站或存儲罐中供外部使用，在用電高峰期，利用氫燃料電池發電并網，實現電廠富余發電負荷與電解水制氫的有機耦合，從而實現電網削峰填谷[9-10]。相較于傳統的氫化工行業，將氫能及其產業與電網結合，構建基于氫-電能量靈活轉換的新型電力系統，能夠降低電網對煤炭等化石能源的依賴，促進電力行業綠色轉型，同時緩解可再生能源大規模、高比例接入電網帶來的巨大調峰調頻壓力[11]，有助于優化電網結構，提高電力系統的彈性。

2 氫電耦合應用場景與發展現狀

2.1 氫電耦合應用場景

氫能在制儲輸用環節與電能源儲網荷可以產生緊密的耦合關系。在能源測，利用可再生能源綠電實現綠氫的制取，達到近零碳排放的目的；在電網側，可以利用氫能能夠實現長周期、規?；瘍δ艿奶匦?，增強電網對新能源的消納能力，完成能源的跨區域調度、跨品種耦合；在負荷側，通過氫燃料電池、氫燃機和加氫機等利用方式，實現“氫-電-熱-氣”轉換，滿足用戶端多元化利用；通過氫及其衍生品合成轉化，實現電能多途徑利用，以綠色原料或者燃料的利用形式實現建筑、工業和交通等高排放、難減排領域的能源清潔化與低碳化[12-13]。在多元化背景下，氫電耦合系統展現出多樣的組織形式。目前，氫電耦合應用場景主要分為5類。

2.1.1 制氫加氫一體站

制氫加氫一體站采用分布式制氫與站內加注氫氣設備相結合的建設方式，可提供穩定氫源。相較于傳統模式，一體站減少氫氣運輸環節，降低使用成本，避免高壓加氣與運輸環節，提高安全性與高效性，將成為供氫的主流模式之一。

2.1.2 電-氫-熱-車耦合氫能產業基地

電-氫-熱-車耦合氫能產業基地指在氫能產業園區中充分發揮產業優勢，利用可再生能源進行發電、電解水制氫、儲氫、氫燃料電池汽車加氫、氫燃料電池熱電聯供等，滿足用戶對電、氫、熱等多種能源的需求。

2.1.3 可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯供工業園區

可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯供工業園區是指利用可再生能源制取綠氫，通過儲氫、氫燃料電池熱電聯供等環節，助力工業園區實現脫碳目標，為可持續發展提供支持。

2.1.4 水-光-電-氫-生物質綜合利用鄉村場景

水-光-電-氫-生物質綜合利用鄉村場景是指在鄉村充分利用水電、光伏、生物質等資源，以電能為核心構建多能轉換系統，實現水電制氫、生物質制氣，促進富余水電就地消納、農村廢棄物循環利用，滿足建筑、交通、工業等多種用能需求。

2.1.5 風-電-氫-燃料電池熱電聯供海島

風-電-氫-燃料電池熱電聯供海島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）、氫燃料電池熱電聯供等環節，實現海島氫能綜合利用。要結合當地可再生能源資源稟賦，選擇分布式風、光、水為主要能量來源。制氫設備方面，關注制氫規模與可再生能源耦合的需求，分別選擇堿性或質子交換膜方式制氫；儲氫方面，考慮暫無遠距離輸運需求，結合儲氫經濟性與安全性，采用高壓氣態儲氫作為儲氫方案；燃料電池方面，重點關注質子交換膜燃料電池技術，同時在場景中開展小規模固體氧化物燃料電池技術測試與驗證；用氫方面，結合用戶側需求，以燃料電池熱電聯供和車輛加氫為主，開展技術試點應用。

2.2 氫電耦合發展現狀

2021年9月，中共中央、國務院發布《關于完整準確全面貫徹新發展理念 做好碳達峰碳中和工作的意見》，指出統籌推進氫能制儲輸用的全鏈條發展[14]。浙江省作為“兩山”理論的發源地和率先實踐地，高度重視氫能領域的建設與發展，利用氫電耦合技術開展“制-儲-用”全流程示范，如表1所示[15-17]。

以麗水縉云水光氫生物質零碳能源示范項目為例，工程構建基于鄉村場景的綠電、綠氫、生物質等多種綠色能源高效一體化的綜合系統，系統分為6個模塊，即可再生清潔能源、高溫電池燃料、綠電制氫、加氫、沼氣化以及甲烷化。項目利用屋頂光伏和水電余電進行質子交換膜技術電解水制氫，制得的氫氣存儲在壓強3 MPa、容積600 Nm3的存儲罐中，產出的氫氣可應用于3個場景。一是通往加氫機，給園區的氫能叉車供能；二是通往項目自主研發的國內首臺應用于戶外的高溫氫燃料電池，用于園區的應急照明，電池工作生產的熱量又通過余熱回收系統給園區熱水加熱；三是通往甲烷化裝置，與沼氣反應生成高純度的生物天然氣，通過管道為園區食堂提供燃氣。

項目研制全國首套基于沼氣加氫的甲烷化設備，沼氣CO2轉化率不小于95%，甲烷純度不小于98%，處于國際領先的水平。收集縉云縣農戶產出的茭白秸稈和麻鴨糞便等，作為沼氣的原料，可為當地農民創收。作為全國首個鄉村生態氫能示范工程，該項目為鄉村振興提供可復制與推廣的可再生能源與氫能多元融合的一體化供能方案，還能緩解我國天然氣產量不足的難題，工程價值與推廣應用前景明顯。

2.3 小結

氫能在制儲輸用環節與電能源儲網荷進行緊密耦合，可形成多種氫電耦合系統的應用場景，涵蓋制氫加氫一體站、電-氫-熱-車耦合氫能產業基地、可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯供工業園區、水-光-電-氫-生物質綜合利用鄉村場景以及風-電-氫-燃料電池熱電聯供海島等方面。氫電耦合系統的多樣化應用場景不僅為清潔能源的生產和利用提供創新性的解決方案，而且為實現能源清潔化、低碳化的目標進行了有益探索。多種示范項目的成功經驗為氫能技術的推廣應用提供了寶貴參考，為未來氫電耦合系統的發展和應用提供堅實基礎。項目建設可根據當地可再生能源資源稟賦，選擇能量的主要來源，在制氫設備、儲氫方案、燃料電池技術以及用氫需求等方面，要綜合考慮經濟性、安全性以及當地使用需求，采用合適的技術方案。

3 氫電耦合發展面臨的挑戰

3.1 政策風險分析

氫能作為中長期科學技術發展的重點，受到國家和地方政府的支持，相關政策和規范性文件較全面覆蓋氫儲運與加注、氫能應用等技術類別。然而，在可再生能源制氫、電力系統儲氫、電氫耦合運行控制、氫燃料電池發電與熱電聯供等方面，相關標準體系和政策仍然存在不健全和空白的問題[18-19]。例如，電網新建項目實行“三免三減半”的稅收政策[20]，但仍然存在稅收返還周期長、稅收方式不靈活的情況，同時項目用地資源的短缺導致新能源電力項目在獲取用地批復時面臨困難，進展緩慢。2020年9月，財政部、工業和信息化部、科學技術部等部門聯合發布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，該通知提出采取“以獎代補”的購置補貼方式，對符合條件的燃料電池汽車示范應用提供補貼支持。但是，在上游電解水制取綠氫的過程中，只有部分省級行政單位制定電價優惠政策，各地綠氫生產成本差異較大，項目的經濟可行性不同步，相應的頂層激勵機制尚未建立，投資回報限制該環節的發展。電氫耦合方面，政府和相關產業協會應加速推動新能源制氫、電制氫加氫一體化、可逆式燃料電池、電氫耦合系統運行等方面的技術標準的制定和修訂。政府部門、產業界、學術界以及研究機構需要建立更緊密的協作機制，形成標準制定的聯合力量，確保標準符合各方的需求和利益。

3.2 建設合規性要點分析

氫電耦合項目的建設涉及氫制備儲運、充裝、發電應用等環節，涉及安全生產、燃氣管理、危險化學品管理、特種設備管理以及能源管理等維度的合規性監管，需要獲得燃氣經營許可證、危險化學品安全生產許可證、危險化學品經營許可證、工業生產許可證、移動式壓力容器/氣瓶充裝許可證等資質證照。項目的固定資產投資需要依法取得相應立項、報批和驗收手續，主要合規手續包括核準/備案、消防、建設用地規劃許可證、建設工程規劃許可證、建筑工程施工許可證、竣工驗收及備案。氫電耦合項目建設涉及前沿技術，多為企業與科研所或院校合作，在合同簽署過程中，要注意研發成果歸屬、知識產權商業利用和收入分配等問題，同時關注科技人員是否通過審核，以防參與人員沒有履行相應程序導致項目潛在建設不合規與技術成果風險。

3.3 安全風險分析

氫電耦合系統涉及電解水制氫、氫存儲和氫發電等環節，存在多種危險工況的復合狀態，分析系統的安全性至關重要。氫氣具有易燃易爆、點火能量低和擴散系數大等特性，制、儲、運和用的過程都可能發生泄漏和爆炸等危險情況[21]，其中儲氫瓶和壓縮機等裝備是易引發氫安全事故的風險點，而設計缺陷、密封問題以及操作失誤是導致事故的主要原因[22]。為了降低氫電耦合系統的安全風險，提出相應措施。一是布置氫氣泄漏監測點，特別是在容易發生泄漏的地方、氫氣易聚集的位置和通風口，安裝傳感器實時監測氫氣濃度，建立報警系統。二是針對涉氫設備，加強設計審查，防范設計缺陷，確保密封性。定期進行設備的維護檢查，及時發現并處理潛在問題，減少設備運行的隱患。三是制定詳細的涉氫設備操作規程，確保操作人員按照規程進行操作。開展定期的安全培訓，提高操作人員對氫氣危險性的認知，培養其應急處理能力。四是加強對涉氫設備操作人員的管理，確保其具備相關的技能和經驗。建立安全管理制度，規范操作流程，提高整體的安全生產水平。

3.4 經濟性風險分析

氫電耦合項目的建設受多種因素的影響，項目容易因融資、資源配置和營商環境等原因中途停止建設或投產后運營失敗。氫電耦合項目需要大規模的投資進行制氫、儲氫、燃料電池等設備的建設和購置，前期投資成本高且回收期長，融資渠道狹窄及周期長，將阻礙項目推進?，F階段，能源市場不穩定，能源政策仍不確定。能源價格波動性大，原材料價格上漲，可能導致生產成本增加，從而對項目的盈利能力產生負面影響，氫能的需求與價格不穩定，將影響項目的盈利水平。氫電耦合項目的市場交易機制仍不健全，全國電力市場存在多種交易模式，但符合新能源電力交易特征的模式仍較少，“新能源+儲能”模式的電力缺乏并網保障，上網交易價格機制不明確導致投資回報不確定。

3.5 小結

氫電耦合項目在政策、合規性、安全和經濟性方面仍面臨一系列風險。政策方面，雖然國家和地方已經發布一系列支持氫能發展的政策，但仍存在標準體系不健全、激勵機制缺失等問題，要進一步提高各方的協同水平。建設合規性方面，項目需要滿足多個維度的合規監管，同時需要關注合同簽署中潛在的問題。安全風險方面，氫氣的易燃易爆性使得系統各環節存在多種安全風險，要采取監測、預防和培訓等措施來降低風險。經濟性方面，項目存在長回收期和投資回報不確定性等風險，經濟風險挑戰大。因此，在推進氫電耦合項目的過程中，要密切關注相關政策的更新和完善，加強合規性管理，強化安全防范和培訓，同時在經濟層面尋找多元化的融資渠道，關注能源市場的變化，積極參與市場機制的建設，以降低項目在各個方面的風險，確保項目的可持續發展。

4 結論

深入探討氫能與電能在能源系統中的緊密耦合關系，并詳細分析不同應用場景，展示氫電耦合系統在制儲輸用、源儲網荷等環節的多樣組織形式。從制氫加氫一體站、電-氫-熱-車耦合氫能產業基地、可再生能源制氫-儲氫-燃料電池熱電聯供工業園區、水-光-電-氫-生物質綜合利用鄉村場景到風-電-氫-燃料電池熱電聯供海島，各場景展示氫電耦合技術在清潔低碳能源方面的靈活應用。以麗水縉云水光氫生物質零碳能源示范項目為例，介紹多種綠色能源高效一體化的綜合系統，提出可再生能源與氫能多元融合的一體化供能方案，創造可復制與推廣的示范工程，為鄉村振興、清潔能源應用以及氫能技術推廣提供寶貴經驗。氫電耦合系統在多元化能源場景中展現出強大的應用潛力，但在推進過程中仍然面臨一系列挑戰。政策層面存在標準體系不健全、電價優惠不足等問題，要加快制定和修訂相關標準，完善支持政策。建設合規性方面，要關注合規手續，包括燃氣管理、危險化學品管理等，確保項目的合法合規。安全風險和經濟性風險方面，提出一系列降低安全風險、提高經濟效益的措施?？傮w而言，氫電耦合系統作為清潔可再生能源的前沿技術，為構建可持續、低碳的能源體系提供新思路。通過克服種種挑戰，促進政、產、學和研各方的協同合作，有望推動氫電耦合技術的不斷創新與推廣，為實現能源清潔化、低碳化目標貢獻重要力量。

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作者簡介：黃麗麗（1992—），女，浙江臨海人，碩士，工程師。研究方向：電力系統、新能源發展。