甘肅地區(qū)推廣變電站氫能備用電源的前景分析

通過對比傳統(tǒng)備用電源，分析了氫能備用電源的技術(shù)優(yōu)勢，包括高能量密度、清潔環(huán)保、可再生性、高效能源轉(zhuǎn)換、長時(shí)間供電、快速響應(yīng)、體積小噪聲低以及安全可靠等特點(diǎn)。本文以甘肅地區(qū)為例，測算了變電站直流備用電源容量，并分析了甘肅推廣氫能備用電源的優(yōu)勢，如新能源資源豐富、產(chǎn)業(yè)裝備基礎(chǔ)好、政策支持力度大等。同時(shí)，指出了氫能備用電源面臨的挑戰(zhàn)，如成本偏高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、市場接受度低和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善等，最后提出加快氫能備用電源在甘肅地區(qū)推廣應(yīng)用的建議。

隨著全球能源綠色轉(zhuǎn)型的加速和電力系統(tǒng)對備用電源要求的提高，傳統(tǒng)的備用電源如鉛酸電池、柴油發(fā)電機(jī)等因存在環(huán)境污染、能源效率低等“先天性”問題亟需升級改造。氫能作為一種清潔、低碳、可靠的能源替代方式， 作為變電站新一代備用電源推廣應(yīng)用具有重要意義。

一、氫能備用電源概述

氫能備用電源主要利用氫燃料電池進(jìn)行發(fā)電，通過與氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。氫燃料電池具有無污染、節(jié)能、高效、安靜、安全、體積小等特點(diǎn)，適用于作為變電站的備用電源。與傳統(tǒng)的鉛酸電池、柴油發(fā)電機(jī)等備用電源相比， 氫能備用電源具有更高的能量密度、更長的續(xù)航時(shí)間和更好的環(huán)境適應(yīng)性。

二、氫能備用電源在我國變電站中的應(yīng)用實(shí)踐

氫燃料電池技術(shù)自20世紀(jì)60年代就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域，往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置[1]。截至目前，氫燃料電池技術(shù)已相當(dāng)成熟，在航天、飛機(jī)和汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

近年來，我國已在變電站中開始試點(diǎn)應(yīng)用氫燃料電池備用電源。2024 年8 月，全國首個(gè)變電站用氫能直流備用電源系統(tǒng)在廣州南沙110KV 珠二變電站成功試點(diǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了電力中斷后氫能備用電源零秒切換與不間斷供電。該系統(tǒng)采用模塊化固態(tài)儲氫設(shè)置， 實(shí)現(xiàn)了固態(tài)儲氫模塊靈活拆卸更換，可以在3Mpa（約等于30 公斤壓力）以下低壓儲氫，提升了系統(tǒng)運(yùn)行安全性。電源容量達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)300安時(shí)， 在極端情況下能實(shí)現(xiàn)直流二次系統(tǒng)不間斷連續(xù)供電10小時(shí)， 相較于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池2小時(shí)的續(xù)航能力優(yōu)勢顯著。按照鉛酸蓄電池每年71KWh/組的浮充電耗測算， 僅廣州地區(qū)每年可減少碳排放32噸。

該項(xiàng)目成功檢驗(yàn)了氫能備用電源系統(tǒng)在變電站真實(shí)環(huán)境下的應(yīng)急備用能力， 是推動氫能融入電網(wǎng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)場景、拓展氫能在電力系統(tǒng)應(yīng)用的重要實(shí)踐，將促進(jìn)傳統(tǒng)備用電源產(chǎn)業(yè)升級，服務(wù)我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

三、氫能備用電源的技術(shù)優(yōu)勢

氫能備用電源較鉛酸電池、柴油發(fā)電機(jī)等傳統(tǒng)備用電源技術(shù)，具備更好的先進(jìn)性和環(huán)保屬性。

（一）高能量密度

氫的單位質(zhì)量能量密度約為140MJ/kg， 遠(yuǎn)高于其他傳統(tǒng)能源，約為汽油的3 倍、煤炭的7 倍、天然氣的3.3 倍。這一特性使得氫能源在儲存和運(yùn)輸方面具有顯著優(yōu)勢， 尤其適合于需要長時(shí)間供電的應(yīng)急備用電源。

（二）清潔環(huán)保

氫能備用電源通過燃料電池發(fā)電時(shí)， 只產(chǎn)生水和少量熱，無污染物排放，是一種真正的綠色能源，符合能源低碳可持續(xù)的發(fā)展趨勢， 對環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

（三）可再生性

氫氣可以通過電解水、生物質(zhì)制氫等多種方式制備， 其中風(fēng)光電解水制氫可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的循環(huán)利用， 在應(yīng)對能源危機(jī)和減少溫室氣體排放方面具有巨大潛力。

（四）高效能源轉(zhuǎn)換

氫燃料電池的能源轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，可達(dá)到50%-60%。這一高效率使得氫能源在應(yīng)急備用電源中的應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（五）長時(shí)間供電

氫氣儲存能量密度高，儲氫容量可靈活調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的穩(wěn)定供電。這對于變電站、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心以及通信基站等對電力供應(yīng)要求極高的場所尤為適合。

（六）快速響應(yīng)

氫燃料電池可按照負(fù)載要求快速啟動輸出功率。最低啟動溫度可達(dá)-35℃， 最高工作溫度可達(dá)95℃，可滿足多種應(yīng)急場景的需要，是一種理想的應(yīng)急備用電源解決方案。

（七）體積小噪聲低

氫燃料電池裝置一般為模塊化撬裝式設(shè)計(jì)，可根據(jù)容量大小要求靈活配置。氫燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB， 相當(dāng)于人們正常交談的水平，特別適合于變電站等對噪聲有限制的室內(nèi)安裝。

（八）安全可靠

氫氣雖具有易燃易爆的特性，但通過科學(xué)設(shè)計(jì)、正確操作和嚴(yán)格管理，安全性是完全有保障的。氫能備用電源系統(tǒng)通常包含多重安全措施，如泄漏檢測、自動關(guān)閉和緊急排氣等系統(tǒng)； 儲氫容器通常采用復(fù)合材料制造，既輕便又具備高強(qiáng)度，能夠在各種極端環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

四、甘肅地區(qū)變電站備用直流電源容量測算

（一）甘肅電網(wǎng)基本定位

甘肅電網(wǎng)是西北電網(wǎng)“總樞紐”、西電東送“主通道”、支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建“重基地”。4 條特高壓直流貫穿全境， 主網(wǎng)通過19 條省際750kV 線路與陜、青、寧、新四省（區(qū)）相連。330千伏電網(wǎng)供電格局分區(qū)合理，110kV 及以下電網(wǎng)不斷優(yōu)化互相轉(zhuǎn)供備供、靈活可靠運(yùn)行。截至2024 年7 月， 全網(wǎng)運(yùn)行750kV 變電站12 座、330kV 變電站78 座、110kV變電站370座。

（二）直流備用電源容量測算

按照國家相關(guān)變電站直流備用電源技術(shù)規(guī)程，直流電源主要由蓄電池組、充電裝置、饋線配置三大部分以及保證上述部分安全可靠工作的監(jiān)測裝置組成（微機(jī)監(jiān)控單元、微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置、蓄電池檢測裝置等）。蓄電池容量選擇應(yīng)滿足全站2小時(shí)事故停電的放電容量。若蓄電池電壓都選擇110V，按照相關(guān)規(guī)程， 則750kV 變電站需標(biāo)配兩組， 各104 只，800Ah；330kV 變電站需標(biāo)配兩組， 各104 只，400Ah；110kV 變電站需標(biāo)配兩組， 各104 只，200Ah。

據(jù)此測算， 甘肅地區(qū)變電站直流備用電源蓄電池容量總需求約為2.526 萬kW，上述各電壓等級的蓄電池組功率范圍介于22kW—88kW之間，各電壓等級變電站只需按功率大小配備兩臺套互為備用即可滿足需求。如氫能備用電源完全替代鉛酸蓄電池組，則每年可節(jié)約蓄電池浮充電耗約221.22萬kWh，按照2024年國家生態(tài)環(huán)境部、國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的甘肅地區(qū)電力碳排放因子0.4772kgCO2/kWh，則可每年減少二氧化碳排放約1055.66噸。

五、甘肅地區(qū)變電站推廣氫能備用電源的優(yōu)勢

（一）新能源資源豐富

甘肅地區(qū)豐富的可再生能源資源為氫能的制備提供了充足的電力來源。截至2024 年底，新能源總裝機(jī)突破6400 萬千瓦、占比高達(dá)64%，位列全國第二，為氫能的制備提供了充足的綠色電力來源。隨著“十五五”期間新能源建設(shè)規(guī)劃的落地，綠氫制備的資源優(yōu)勢將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

（二）產(chǎn)業(yè)裝備基礎(chǔ)好

氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)相對成熟， 我國已掌握氫燃料電池系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件的核心技術(shù)， 多家領(lǐng)先自主品牌擁有核心技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)， 并已實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化。100kW—300kW 主流氫燃料電池在交通領(lǐng)域已有規(guī)模化應(yīng)用， 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)受市場考驗(yàn)，商業(yè)化應(yīng)用和規(guī)模化發(fā)展正穩(wěn)步推進(jìn)[3]。甘肅氫能產(chǎn)業(yè)裝備基礎(chǔ)雄厚，蘭石集團(tuán)擁有“甘肅省氫能裝備技術(shù)創(chuàng)新中心”，在氫能產(chǎn)業(yè)“制、儲、加、用”關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及氫電耦合儲能、燃料電池等方面具有技術(shù)研發(fā)和裝備制造能力。

（三）政策支持力度大

甘肅省政府高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 出臺了一系列鼓勵(lì)和支持政策。尤其在風(fēng)光制氫一體化、風(fēng)光氫儲能發(fā)電等領(lǐng)域提出了一系列明確的支持措施， 包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展體制機(jī)制建設(shè)、技術(shù)研發(fā)成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展規(guī)劃、應(yīng)用場景拓展以及財(cái)政金融和人才引育等方面， 這為氫能備用電源在變電站中的推廣應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的政策保障。

（四）契合甘肅能源發(fā)展戰(zhàn)略

氫燃料電池備用電源系統(tǒng)工作過程可實(shí)現(xiàn)全流程零碳排放，完全符合甘肅省綠色低碳的發(fā)展理念，環(huán)境價(jià)值潛力巨大； 高度契合甘肅地區(qū)新型電力系統(tǒng)示范區(qū)建設(shè)， 推動新能源大規(guī)模就地消納的能源發(fā)展戰(zhàn)略。

六、面臨的挑戰(zhàn)

盡管氫能從能源清潔低碳轉(zhuǎn)型、能源可持續(xù)發(fā)展角度來看，被譽(yù)為未來的“終極能源”，已得到業(yè)界的認(rèn)可。但目前仍然需要克服一些不可回避的問題。

（一）成本偏高

目前氫燃料電池備用電源的成本仍然較高，包括氫燃料成本、燃料電池電堆、氫氧氣供給系統(tǒng)、排水冷卻系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)成本等， 其中氫氣價(jià)格是其長期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的決定因素。隨著甘肅風(fēng)光制氫一體化項(xiàng)目的逐步建設(shè)投運(yùn)，綠氫價(jià)格有望快速下降。

（二）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后

甘肅地區(qū)氫能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，如儲氫設(shè)施、加氫站數(shù)量稀少且布局不夠合理，嚴(yán)重限制了氫能備用電源氫氣采購和加注的便利性。隨著甘肅“一個(gè)走廊，兩個(gè)示范區(qū)，兩個(gè)基地”氫能規(guī)劃布局的落地，氫能基礎(chǔ)設(shè)施將有一個(gè)質(zhì)的提升。

（三）市場接受度低

與傳統(tǒng)鉛酸電池等備用電源相比， 氫能備用電源的市場接受度較低。這主要是備用電源行業(yè)對氫能備用電源技術(shù)了解不夠深入， 可供調(diào)研的示范驗(yàn)證項(xiàng)目不多， 且市場對其性能和可靠性存在一定的疑慮所致。

（四）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善

目前氫能備用電源的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范， 可能影響氫能備用電源的健康發(fā)展。通過推動典型示范項(xiàng)目的建設(shè)，逐步啟動相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定完善， 為行業(yè)規(guī)范發(fā)展保駕護(hù)航。

七、結(jié)論與建議

推廣變電站氫能備用電源是一個(gè)具有前瞻性和戰(zhàn)略意義的舉措，既要有敢為天下先的勇氣，也要遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)規(guī)則。

（一）加快氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

以氫能應(yīng)用市場化發(fā)展為牽引， 推動本地氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)協(xié)同發(fā)展，加快制氫、儲氫、運(yùn)氫、加氫站等氫能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)， 為氫能備用電源的應(yīng)用提供便利條件， 確保氫氣供應(yīng)穩(wěn)定且價(jià)格合理。

（二）加快在變電站示范應(yīng)用

可在甘肅河西等新能源富集地區(qū)新建變電工程項(xiàng)目中作為工程新技術(shù)應(yīng)用一并設(shè)計(jì)建設(shè)；或選擇納入存量變電站備用電源升級改造項(xiàng)目中開展示范應(yīng)用， 全面展示氫能備用電源的優(yōu)勢和效益。

（三）提升氫能產(chǎn)業(yè)的社會認(rèn)知度

通過媒體、社交平臺、公共講座等多種渠道普及氫能基礎(chǔ)知識， 讓公眾了解氫能環(huán)境友好的特質(zhì)以及在能源轉(zhuǎn)型中的重要性。同時(shí)，通過設(shè)立氫能示范區(qū)， 讓公眾能夠親身體驗(yàn)氫能帶來的安全便利和環(huán)保優(yōu)勢，從而樹立全社會對氫能產(chǎn)業(yè)的正確認(rèn)知。

（四）加快氫能產(chǎn)業(yè)的推廣

隨著氫能備用電源技術(shù)和商業(yè)模式的日趨成熟，后期可在甘肅大數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、通信基站等對備用電源可靠性和長時(shí)供電要求較高的場景推廣應(yīng)用，進(jìn)一步拓寬氫能應(yīng)用領(lǐng)域，深化甘肅氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

作者單位：①國網(wǎng)甘肅新型電力系統(tǒng)研究院②國網(wǎng)甘肅省電力公司