新型電力系統(tǒng)中氫能綜合利用的發(fā)展

徐 飛，李曉霞，馬 馳

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；2.中廣核太陽能開發(fā)有限公司，北京 100071）

在“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標背景下，國家已明確提出要著力建設以清潔電力為主導的新型電力系統(tǒng)[1]。新型電力系統(tǒng)的建設是一個系統(tǒng)性工程，將重新構造電能生產、消費、運輸格局，改變電網調度模式、提升清潔能源的占比。其中以風電、光伏為主的可再生能源裝機規(guī)模，將在“十四五”期間大幅提升，到2030年規(guī)劃裝機規(guī)模達12億KW以上[2-3]。

而構建以清潔電力為主導的新型電力系統(tǒng)，氫能可在其中發(fā)揮舉足輕重的作用。首先，從電源側看，氫能與電能的結合可以極大促進可再生能源電力的消納[4]。可再生能源受天氣影響，其出力具有波動性、季節(jié)性、隨機性特點。而高比例的可再生能源對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定而言是巨大挑戰(zhàn)。利用可再生能源電力制氫，將瞬時性的電力轉化為可長時間儲存的氫氣，可抑制出力波動，減小不確定性對電網的影響，促進可再生能源消納。其次，氫能的儲存與消納不受時間限制，且儲存成本與儲能容量相關性比電化學儲能弱，使其可作為大規(guī)模、長周期儲能的潛在手段。

在新型電力系統(tǒng)中，風力、光伏等新能源市電力供應的主題，而煤炭、天然氣等化石能源發(fā)電，將耦合碳捕集與封存技術，作為電網基礎供應與調節(jié)手段。在負荷側，電采暖、電動汽車等電能替代的方式，雖亦能支撐更高比例的新能源接入，但對新型電力系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。而利用“綠氫”替代原基礎能源熱、氣、電(缺電時段)等，借助氫能制、儲、輸、加/用各環(huán)節(jié)的柔性，增加電負荷的同時能夠維持或提升電力系統(tǒng)可靠性。

此外，氫能可耦合碳捕集技術在新型電力系統(tǒng)中構建碳循環(huán)，助力“碳中和”目標的實現(xiàn)。碳元素是化工、醫(yī)藥等領域必不可少的資源。新型電力系統(tǒng)中的化石能源利用產生的二氧化碳，通過碳捕集技術收集后，與氫氣耦合進行復雜化合物的合成，減少相關領域的化石能源消耗。

氫能對于新型電力系統(tǒng)構建具有重要意義。但目前來看，氫能在新型電力系統(tǒng)中的推廣應用，仍存在諸多問題需要解決：（1）氫氣的消納問題、成本問題制約著氫能的大規(guī)模推廣。（2）在新型電力系統(tǒng)中，氫能的發(fā)展路徑、發(fā)展前景與經濟性問題需要進一步研究。

1 氫能推廣面臨挑戰(zhàn)

1.1 氫消納問題

在新型電力系統(tǒng)中，清潔電力電解制取的氫氣，除了作為電源側的儲能手段平抑出力波動外，也可以向外輸送至氫氣用戶，替代化石能源的使用。對于氫氣外送的氫能消納，當前存在消納難度大的問題，該問題主要源于化石能源競爭限制、氫氣外送路徑約束以及氫能法規(guī)標準限制問題。

（1）“雙碳”約束對先進生產力的需求與能源粗獷利用間的矛盾。傳統(tǒng)工業(yè)、交通領域、熱力行業(yè)仍保留化石能源為主要原料與燃料的生產方式，堵塞了氫能作為原料與燃料的消納路徑。該問題的解決，需要國家出臺相關政策，限制化石能源利用，鼓勵氫能產業(yè)發(fā)展。

（2）受制于規(guī)?；瘍\技術與經濟約束，氫能外送的通道被“電能外送”方案壓制。氫氣的物質屬性，使其外送速度和外送成本與電能外送相比處于劣勢。受限于基礎設施建設情況，當前氫氣外送的主要輸送方式是長管拖車運輸，單次運送量低、運輸成本隨運輸距離顯著增加。而這一問題的解決，一方面可通過推進“綠氫”的就地消納，減少氫氣外送需求；一方面可通過長距離的氫氣輸送管道基礎設施的建設以及鼓勵利用現(xiàn)有的天然氣管道進行天然氣管道摻氫運輸，提高氫氣的外送能力。

（3）氫能行業(yè)各項法律法規(guī)及配套實施細則尚未成熟，制約了氫能在電力、工業(yè)交通等領域的多途徑消納。法規(guī)層面，氫能是?；?，需要限制在工業(yè)園區(qū)內使用。標準層面，氫能標準與規(guī)范不完善，導致相關設施未落地。技術層面，相關技術仍在研發(fā)，產業(yè)配套須進一步完善以實現(xiàn)規(guī)?；?/p>

1.2 系統(tǒng)能效問題

在新型電力系統(tǒng)中，氫儲能的過程是清潔電力轉化為氫氣，再由氫氣轉化為其他能源或者資源的一個過程，該過程的系統(tǒng)能效問題影響著氫能的推廣利用。

對于發(fā)電側的狹義氫儲能，氫儲能的作用是實現(xiàn)波動性可再生能源的“削峰填谷”，該能量轉化過程為“電-氫-電”，整體的能量轉化效率低于40%，遠低于電化學儲能的能量轉化效率。因此，在新型電力系統(tǒng)中，氫儲能的概念應進一步擴大為將電網無法及時消納的電能轉化為氫氣中的化學能儲存起來，而對于氫氣的后續(xù)應用，則不加以限制。

制氫設備利用率是影響系統(tǒng)經濟性的重要因素?？稍偕茉磮稣驹O備的等效利用小時數較低，光伏場站的等效利用小時數在1 700小時/年左右，風力發(fā)電的等效利用小時數則在2 400小時/年左右。對于光伏、風電耦合制氫工程，制氫設備的等效利用小時數與可再生能源場站設備等效利用小時數相當，造成制氫設備的利用率較低，影響制氫工程經濟性[5]。

2 發(fā)展氫能的路徑

2.1 發(fā)展氫能的思路

國家《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》提出了氫能產業(yè)發(fā)展基本原則，主要思路如下：開發(fā)技術、產品、應用和商業(yè)模式，主攻氫能產業(yè)技術瓶頸，增強產業(yè)穩(wěn)定性和競爭力；強化氫能全產業(yè)鏈重大風險的預防和管控，重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫；探索氫能利用的商業(yè)化路徑，引導產業(yè)規(guī)范發(fā)展；統(tǒng)籌考慮氫能供應能力、產業(yè)基礎、市場空間和技術創(chuàng)新水平，有序開展氫能技術創(chuàng)新與產業(yè)應用示范。地方上各省政府也陸續(xù)出臺氫能產業(yè)扶持政策，發(fā)展天然氣分布式能源、分布式光伏發(fā)電，加快儲能、氫能發(fā)展。

氫能使用的應用場景主要是電力、交通、熱能、工業(yè)4個板塊。具體來說，工業(yè)領域，合成氨、冶金、石油煉化是氫能的主要消納途徑；電力領域，主要是構建氫電耦合系統(tǒng)，利用氫的儲能特性，促進可再生能源的消納；熱力領域，集中體現(xiàn)在天然氣管氣摻氫，降低天然氣的使用；交通領域，主要是氫燃料電池汽車、重卡等交通工具采用新能源替代化石能源的燃料，起到降污減排的作用[5]。新型電力系統(tǒng)背景下，結合實際情況，其氫能發(fā)展路徑如圖1所示。

圖1 氫能發(fā)展路徑

2.2 氫能需求評估

目前，“中國氫能聯(lián)盟”數據顯示，2018年我國氫能約占終端能源總量份額的2.7%，產量2 000萬噸左右，到2030年，預計在終端能源體系占比達到5%，氫氣年需求量將達3 500萬噸，可再生能源電解制氫、碳捕獲與封存技術配合煤制氫將成為有效供氫主體，各占比50%，電解制氫市場規(guī)模達到每年2 000萬噸。到2050年氫氣需求量約為6 000萬噸，占比接近10%，可減排7億噸CO2[6]。我國中長期氫能需求預測如圖2所示。

圖2 中國中長期氫能需求預測[7]

目前來看，氫氣在工業(yè)領域未來需求主要包括合成氨、冶金、石油煉化等方面，在交通領域的需求主要集中在氫燃料電池汽車上。

通過探索可再生能源制氫耦合合成氨工藝，增大新型電力系統(tǒng)中可再生能源的比例，可以促進氫的就地消納。合成氨行業(yè)對氫氣的需求量巨大，全球年氫氣產量的一半用于合成氨生產，其中95%的氫氣來源于化石燃料，導致每年420 000萬噸的二氧化碳排放。目前國外正在積極開展可再生能源制氫耦合合成氨工藝的探索，建設了“水電+堿性電解槽+合成氨工廠”“風電+高溫電解+合成氨工藝”等多種形式的“綠氨”示范工程。將氫能作為脫碳介質，利用“綠氫”合成氨耦合二氧化碳生產尿素，在有色金屬冶煉領域和氫氣長距離運輸課題研究方面探索天然氣摻氫，在電力企業(yè)發(fā)展氫儲能。

通過探索可再生能源制氫耦合鋼鐵工藝，也可以促進氫的就地消納。一直以來，鋼鐵行業(yè)的碳排放量較高，在我國CO2排放量中鋼鐵工業(yè)CO2排放量約占15%，約占全球鋼鐵行業(yè)碳排放量的60%以上。而在煉鋼過程中，氫氣可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的焦炭，作為還原劑去除鐵礦石中的雜質，從而減少CO2的排放，因此，“氫氣煉鋼”技術是目前減碳的較好選擇。德國正在建設全球首家氫氣煉鋼示范工廠，以100%的氫作為還原劑的直接還原鐵，生鐵年生產能力約10萬噸，生產氫的能源來自德國北部沿海的風力發(fā)電場[8]。

新型電力系統(tǒng)耦合化工產業(yè)方面也需要用到氫氣，如用“綠氫”耦合煤化工全產業(yè)，可以減少煤炭的消耗，降低CO2的排放[7]。寧東自產“綠氫”耦合精細化工不僅價格低廉，還能減小物流運輸量，省時省力，滿足園區(qū)內部經濟性發(fā)展需求。

新型電力系統(tǒng)在交通領域發(fā)展方面也能促進可再生能源制氫的消納，主要是利用氫燃料電池汽車替代現(xiàn)有的燃油汽車，實現(xiàn)綠氫對化石燃料的替代。氫燃料電池汽車推廣的路徑為前期在運行路線與使用頻次較為穩(wěn)定的商業(yè)車市場率先推廣，后續(xù)擴展到普通乘用車領域。據預計，到2030年，燃料電池商業(yè)車需求達36萬輛，占商業(yè)車總銷量的7%，燃料電池乘用車占比將達到3%[7]。也可以發(fā)展氫能重卡，某些地區(qū)規(guī)劃到“十四五”末期重載運輸車中氫能源汽車占比達到20%以上。如果將1 200輛重載柴油車替換成氫能重卡，按照每輛車平均每天行駛150 km計算，每年又可減排二氧化碳8萬噸。以氫能重卡為代表的交通運輸業(yè)，開展氫能源汽車運營示范，充分發(fā)揮氫能源汽車高效、綠色、環(huán)保的特性，實現(xiàn)氫能源車替代傳統(tǒng)重載運輸汽車，這不僅符合國家發(fā)展氫能、創(chuàng)建氫能源汽車示范城市的戰(zhàn)略目標，還有利于“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)。

2.3 氫能經濟性評估

氫能成本是其在新型電力系統(tǒng)中推廣應用的決定性因素。整個產業(yè)鏈成本來看，在現(xiàn)有的技術條件下，氫能最終到達終端的成本約為3.2元/Nm3當前國內氫能發(fā)展仍處在示范推進時期。雖然目前國際上已經對氫能的經濟投入與收益能力開展了較深入的探討，比如，有些發(fā)達國家已經給出了氫能項目的經濟效益目標，并針對具體示范工程開展了資源的測算，但沒有商業(yè)應用的驗證結果。如甘肅省能源互聯(lián)網示范工程，使用風能開展的大型電解水制氫項目，在經濟可行性分析時，構建制、加氫一體化的年收益模型，指出0.69元/(kW·h)以上的風電價格和5.8元/Nm3的氫價為項目的盈虧平衡點。類似的政府補貼、商業(yè)模式等還在探索中[9]。

為了降低氫能的成本，各地區(qū)可以結合當地優(yōu)勢，因地制宜，獲取便利的氫源。當前，氫氣成本較高的客觀原因是低成本制氫地與高需求用氫地距離較遠，增加了運輸成本。例如內蒙古、山東、山西等地煤炭資源豐富，制氫價格低廉；西北地區(qū)的光伏資源、風力資源較為便宜；西南地區(qū)水電資源豐富等，這些地區(qū)利用當地資源獲取氫氣成本較低。而中東部地區(qū)才是用氫大戶，這種情況下，長距離運輸是不可少的環(huán)節(jié)。研究表明，氫氣運輸距離超過200 km時，運輸成本就會超過較為經濟的工業(yè)副產氫的成本。因此，單一的制氫最優(yōu)模式并不現(xiàn)實，整合當地資源，因地制宜才是具有可持續(xù)性的發(fā)展模式。在運輸氫能方面未有大的突破情況下，沿海區(qū)域氫氣來源還是工業(yè)副產氫，內陸區(qū)域氫氣來源于煤炭和可再生能源。產氫企業(yè)與城市之間采用管道方式輸送，短距離，如城市內部采用拖車輸送，長距離，如300 km以上采用液氫罐車輸送。

另一方面，據統(tǒng)計，制氫設備的單價和光伏電價呈逐年遞減趨勢，而制氫系統(tǒng)收益率逐年提高，氫能的綜合利用成本在不斷降低，未來市場前景廣闊[7]。

另外，在當前低碳能源的大環(huán)境下，征收碳稅也是未來的一個發(fā)展方向。有專家估計，到2025年，建議碳稅為200元/噸，到2030年，建議碳稅為100元/噸。未來隨著碳稅政策的實施，氫能的經濟性優(yōu)勢將逐漸突顯出來。

3 結束語

未來，能源結構中的新型電力占比將不斷提高，可再生能源與傳統(tǒng)電力能源將實現(xiàn)相互轉化與互補，新能源儲能與傳統(tǒng)電力儲能協(xié)調配合，以增加能源系統(tǒng)的靈活性和安全性，實現(xiàn)資源的綜合利用。

而氫能的多途徑消納攬括了工業(yè)、交通、天然氣管道等領域，尤其是利用風力、光伏等新能源電解制氫后，通過氫能的儲存、運輸和利用，能夠最大限度地跨區(qū)域、跨季節(jié)地利用可再生能源，降低碳的排放。