高滲透率可再生能源情景下氫能發(fā)展分析

魯 宇，張大弛，韓思雨，王曉晨，付一帆

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，吉林 長春130000；2.國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京102209；3.華北電力大學，河北 保定071000）

0 引言

由于二氧化碳所帶來的溫室效應日益顯著，對地球環(huán)境與人類生活造成極大威脅。世界各國均著手進行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型［1-2］。氫氣是近年來發(fā)展迅速的一種二次能源，具有熱值高、來源廣、易存儲、應用清潔低碳等優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)、交通、家庭用能、航空航天等領域，發(fā)展前景廣闊［3-4］。

從世界主要國家來看，氫能開發(fā)與利用已成為發(fā)達國家能源體系中的重要組成部分，美歐日韓等國家地區(qū)將氫能納入到國家能源戰(zhàn)略，并結(jié)合自身資源稟賦及技術水平等情況制定氫能發(fā)展路徑［5］。美國是氫能技術發(fā)展開拓國，受自身油氣等資源豐富因素影響，著力開展氫能技術戰(zhàn)略儲備。日本能源資源匱乏，是當前推進氫能發(fā)展的最主要國家，著力打造“氫能社會”。歐盟主要依靠氫能實現(xiàn)能源的清潔低碳轉(zhuǎn)型。

燃料電池汽車是未來氫能最主要的應用場景之一，當前我國著力開展燃料電池汽車在城市層面的示范推廣。從氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈來看，主要包括氫能制取、儲運、加注及消費四個環(huán)節(jié)。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的木桶效應明顯，氫能技術及產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模推廣有賴于全產(chǎn)業(yè)鏈各項技術的共同進步及協(xié)同發(fā)展。但目前各環(huán)節(jié)面臨問題眾多，直接制約了我國氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

國內(nèi)外從氫能產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)角度，對氫能發(fā)展戰(zhàn)略及技術特性等方面進行了諸多研究。文獻［3］分析了氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)發(fā)展面臨的突出問題，提出氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不能僅注重規(guī)模的發(fā)展，更應注重我國氫能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，并提出相關的發(fā)展建議。文獻［4］基于氫-電耦合概述了氫能發(fā)電機及氫燃料電池汽車發(fā)展，認為氫燃料電池汽車是氫能發(fā)電的主要方向，但當今依然面臨諸多挑戰(zhàn)。文獻［5］分析了日本、德國、美國等主要國家的氫能發(fā)展模式，并基于中國實際情況提出相關啟示。綜上，當前已經(jīng)對各環(huán)節(jié)、諸多角度的氫能發(fā)展進行了研究。未來高滲透率可再生能源是能源發(fā)展的主要情景［6-8］，對氫能發(fā)展具有重要影響。

針對高滲透率可再生能源情景下氫能發(fā)展問題研究，本文首先明晰了我國發(fā)展氫能的戰(zhàn)略意義，開展了高滲透率可再生能源情景下“電-氫”耦合分析，并進一步提出電解水制氫是高滲透率可再生能源情景下“電-氫”耦合的關鍵環(huán)節(jié)，隨后針對電解水制氫開展了技術路線等方面的關鍵問題分析，最后針對高滲透率可再生能源情景下氫能發(fā)展提出體制機制等方面發(fā)展建議。

1 我國發(fā)展氫能的戰(zhàn)略意義

受“多煤、少氣、貧油”的能源資源稟賦限制，我國仍處于煤炭時期，油氣對外依存度高，碳排放總量居世界第一［9］。未來，我國將著力依托氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及規(guī)?；茝V，提高可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用水平，降低油氣對外依存度，實現(xiàn)深度脫碳，保障國家能源安全，助力實現(xiàn)“碳中和”目標。

可再生能源開發(fā)利用方面，“十四五”期間，我國可再生能源將持續(xù)大規(guī)模發(fā)展，必將帶來可再生能源消納等突出問題［10-11］，嚴重制約三北地區(qū)可再生能源大省規(guī)?；l(fā)展。氫氣存儲具有效率高、規(guī)模大、周期長的優(yōu)點，以電解水制氫為代表的氫能發(fā)展有利于提供需求側(cè)響應手段，增加系統(tǒng)的可再生能源消納能力，撬動可再生能源大規(guī)模發(fā)展［4］。

油氣替代方面，習近平總書記在科學家座談會上的講話中指出，“能源資源方面，石油對外依存度達到70%以上，油氣勘探開發(fā)、可再生能源技術發(fā)展不足”。當前，受續(xù)航里程數(shù)、耐低溫特性等方面影響，純電動汽車的應用尚有局限，氫能發(fā)展能夠加強對遠距離、大規(guī)模、點對點商用車的替代，降低交通行業(yè)油氣需求［3］。

深度脫碳方面，習近平總書記在聯(lián)合國大會上表示，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，爭取在2060 年前實現(xiàn)碳中和?！碑斍?，工業(yè)、建筑、交通等行業(yè)電能替代存在局限性，如提供高品位熱能等，氫能發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)鋼鐵冶煉等領域?qū)茉吹奶娲钛a電能應用空白，實現(xiàn)深度脫碳。

2 高滲透率可再生能源情景下“電-氫”耦合分析

根據(jù)來源進行分類，氫能總體可以分為綠氫、灰氫、藍氫及廢氫。未來氫能發(fā)展面臨的關鍵問題之一是對傳統(tǒng)化石能源依賴嚴重，據(jù)統(tǒng)計，全球氫能約有96%來源于化石能源制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫［12-13］。因此，從全環(huán)節(jié)來看，即使實現(xiàn)氫能的大規(guī)模推廣應用，仍然無法真正實現(xiàn)對傳統(tǒng)化石能源的替代以及深度脫碳［3-4］。而高滲透率可再生能源為綠氫發(fā)展帶來重要契機，有助于氫能實現(xiàn)資源與環(huán)境雙重可持續(xù)發(fā)展。

高滲透率可再生能源有利于推動“電-氫”系統(tǒng)間深度耦合，“電-氫”耦合技術發(fā)展是推動綠氫規(guī)?；l(fā)展、降低氫能對化石能源依賴度、實現(xiàn)資源與環(huán)境雙重可持續(xù)發(fā)展的關鍵。從具體環(huán)節(jié)來看，主要包括電解水制氫、氫儲能、輸氫、新能源等環(huán)節(jié)相關技術。

2.1 電解水制氫分析

電解水制氫利用在電極上發(fā)生的電化學反應將水分子分解成H2和O2，是綠氫的主要來源，預計在2030年左右將成為氫能的有效供應主體［5］。電解水制氫是“電-氫”耦合的關鍵，其規(guī)?；⒌统杀景l(fā)展對氫能及電力系統(tǒng)均具有重要意義。

表1 各類氫氣對比Table 1 Comparison of various types of hydrogen

從氫能角度來看，是從氫能生產(chǎn)源頭降低對化石能源依賴度、實現(xiàn)資源與環(huán)境雙重可持續(xù)發(fā)展的關鍵，且其所生產(chǎn)氫氣純度高，對氫燃料電池汽車等高純度氫市場具有高適配性，是未來制氫技術發(fā)展的主要方向。從電力系統(tǒng)來看，電解水制氫裝置能夠作為負荷側(cè)一種新型靈活性資源，有助于擴大系統(tǒng)負荷需求、提高系統(tǒng)靈活性，是增強可再生能源消納能力的新手段。

2.2 氫儲能分析

現(xiàn)階段儲氫技術包括高壓氣態(tài)儲氫、深冷液化儲氫、有機液體儲氫、物理類固態(tài)儲氫等［3］。

高壓氣態(tài)儲氫技術相對成熟，充裝及釋放氫氣的速度快，且全環(huán)節(jié)成本較低，是目前應用最為廣泛的儲氫技術。但受氫能形態(tài)約束，儲氫容器的高壓耐受需求較高，儲氫密度低，此外在H2壓縮過程中消耗能量較大［14］。

深冷液化儲氫是近期可實用化的一種儲氫方式，相較于高壓氣態(tài)儲氫，低溫液化儲氫的儲氫密度更高、儲存容器體積更小，具有廣闊的發(fā)展前景。當前發(fā)展面臨的主要問題是H2的多級壓縮冷卻液化過程中能耗大，且低溫儲氫罐的設計制造及材料成本高昂［15］。

有機液體儲氫是通過加氫反應將氫氣固定到芳香族有機化合物，常溫常壓下一般為液體，因此便于儲運。但在終端應用環(huán)節(jié)，存在脫氫技術復雜、能耗大等問題，且脫氫催化劑技術有待突破［15］。

相較于氣態(tài)儲氫與液態(tài)儲氫，物理類固態(tài)儲氫具有儲氫密度更高、操作更為便捷、安全性更好等優(yōu)點，但當前儲氫量遠低于商業(yè)化應用的水平，且吸附材料的制備也相當昂貴，短期內(nèi)無法商業(yè)化應用［16］。

從高滲透率可再生能源情景下“電-氫”耦合視角來看，氫儲能可以通過與電解水制氫技術配合，為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻及跨季節(jié)能量存儲等多類型服務，尤其是低谷時段能夠利用可再生能源將水電解制成H2（和O2），并將H2儲存起來；高峰時段將儲存H2通過燃料電池等方式轉(zhuǎn)換為電能輸送上網(wǎng)。因此有助于可再生能源消納、降低傳統(tǒng)化石能源碳排放。

然而從“電-氫-電”全環(huán)節(jié)來看，基于氫儲能的“電-氫-電”轉(zhuǎn)換效率總體較低，且電力系統(tǒng)跨季節(jié)調(diào)峰實踐較少，因此相較電化學儲能及物理儲能等其他儲能類型，當前階段可在電力系統(tǒng)大規(guī)模應用的場景相對缺乏，近期可作為備用電源開展應用。

圖1 各類儲能技術對比Fig.1 Comparison of various energy storage technologies

2.3 輸氫分析

由于可再生能源電解水制氫、化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等氫源在地區(qū)間分布不平衡，隨著氫能需求不斷提升，大規(guī)模氫氣儲運將成為必然［3］，輸氫技術發(fā)展很大程度上將決定未來氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度與格局。

根據(jù)H2狀態(tài)不同，H2主要以高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)和固態(tài)材料3種形式進行運輸［17］，其中，高壓氣態(tài)輸運主要包括長管拖車輸送和管道輸運兩種方式。

受氣體狀態(tài)約束，長管拖車輸送的效率低，適用于近距離（運輸半徑200 km以內(nèi)）和小規(guī)模輸送的場景，是當前最主要的輸氫方式之一［18］；管道輸運的輸氫量大，輸送過程能耗小，全生命周期的成本低，適用于大規(guī)模、長距離運輸?shù)膱鼍埃?9］，但輸氫管道建設的一次性投資大，近期無法快速推廣。相較高壓氣態(tài)運輸方式，低溫液態(tài)輸送的效率更高，但液化過程能耗大，主要適用于遠距離、大規(guī)模輸送的場景［20］；固態(tài)材料輸送當前不具有商用化應用的條件，因此本文不針對固態(tài)材料進行對比分析。

表2 各類輸氫技術對比Table 2 Comparison of various hydrogen transmission technologies

輸送距離是影響輸送方式經(jīng)濟性的重要因素之一，不同運氫方式下運輸成本隨運輸距離變化關系不同，因此不同距離適宜的運輸方式不同。經(jīng)測算，在0～1 000 km范圍中，管道運輸?shù)某杀咀畹?；考慮到管道建設周期長，對近期長管拖車運輸與低溫液態(tài)輸送進行對比，運輸距離在250 km 內(nèi)時，長管拖車運輸成本更低，超過250 km低溫液態(tài)輸送更具成本優(yōu)勢。

2.4 用氫分析

氫能在終端消費領域的應用廣泛，尤其是與煤炭、油氣同為化學能載體，在儲運、燃燒等方面特性相似，有望廣泛應用于航空、航運、鋼鐵生產(chǎn)、化工生產(chǎn)、高溫工業(yè)熱能、長途公路運輸?shù)入娔芴娲芟薜念I域，實現(xiàn)能源消費側(cè)的深度脫碳。當前，日本積極推廣基于氫燃料電池的家庭式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)ENE-FARM，并取得了廣泛應用及良好經(jīng)濟效益。

受技術成熟度及經(jīng)濟性影響，氫能近期在終端消費領域尚且無法大規(guī)模推廣，綜合考慮我國基礎設施建設等情況，新能源汽車將是近期氫能應用的最主要領域。從“氫-電”耦合角度來看，氫燃料電池汽車與純電動汽車同屬新能源汽車，在能源轉(zhuǎn)型升級、降低對外石油依存度、滿足交通出行需求等方面功能重疊，氫燃料電池汽車發(fā)展需要從新能源汽車整體視角加以研判［3-4］。

當前，氫燃料電池汽車與純電動汽車因各自技術性能限制在應用場景上呈現(xiàn)良好的互補特性。氫燃料電池汽車能夠彌補純電動汽車續(xù)航里程短、充電速度慢、不耐低溫的缺陷［21-22］，而純電動汽車成本低、基礎設施完善［23-24］。從動力系統(tǒng)來看，氫燃料電池系統(tǒng)約占整車成本50%左右，達6 000元/kW左右，而動力電池系統(tǒng)約占純電動汽車整車成本的40%，為1 500 元/kWh 左右。從燃料成本來看，氫燃料電池發(fā)電效率僅有50%左右，且氫能應用成本高（除制取、儲運環(huán)節(jié)外，加氫站建設成本高達1 500萬元左右），導致每公里燃料成本高達0.5 元，而鋰電池等電化學儲能效率高達95%，且充電樁建設成本低，每公里燃料成本不足0.1 元。因此，短期內(nèi)，氫燃料電池著重投放具有固定線路的商用車市場，而純電動汽車側(cè)重滿足個人機動出行的乘用車市場，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)全品類汽車的替代。

長期來看，氫燃料電池汽車與純電動汽車的性能與經(jīng)濟性都處于不斷提升過程中，從氫燃料電池汽車來看，隨著燃料電池及整車制造技術進步，燃料電池汽車的制造成本在下降，而基礎設施的不斷完善又推動燃料電池汽車使用成本降低，規(guī)模效益將逐漸凸顯；從純電動汽車來看，鋰電池能量密度過去的十年間從100 Wh/kg增長到300 Wh/kg，且耐低溫能力不斷提高，純電動汽車的續(xù)航里程數(shù)逐漸與油車、氫燃料電池汽車匹敵，而隨著快充技術發(fā)展以及換電模式推廣，用戶的使用舒適度進一步提升。因此，未來隨著氫燃料電池汽車與純電動汽車技術進步，二者在新能源市場上性能逐漸同質(zhì)化。由于純電動汽車當前市場規(guī)模較大，具有較強的先發(fā)優(yōu)勢，技術進步及基礎設施建設速度是決定氫燃料電池汽車未來發(fā)展前景的重要因素。

圖2 新能源汽車發(fā)展格局Fig.2 Development pattern of new energy vehicles

3 電解水制氫發(fā)展關鍵問題分析

綜上所述，電解水制氫是提高可再生能源消納能力、實現(xiàn)深度脫碳的關鍵，是未來氫能制取的主要方向，因此是高滲透率可再生能源情景下需重點關注與突破的技術。當前，電解水制氫發(fā)展依然面臨諸多問題，需加以重點分析與研判。

3.1 電解水制氫成本問題

當前電解水制氫發(fā)展的瓶頸是成本過高［25］，其中電價成本約占70%。根據(jù)測算，電解水制氫所用電價成本需降至約0.15元/kWh時在經(jīng)濟性上具有競爭力。因此當前諸多研究主張利用可再生能源棄電量進行H2制取，依托價格低廉的棄電量，降低制氫成本的同時提高可再生能源利用水平［26-27］。根據(jù)測算，從整體來看，利用棄水、棄風、棄光電量開展電解水制氫具有一定的潛力。

表3 2019年棄電量、制氫潛力與分布Table 3 Electricity curtailment and hydrogen production potential and distribution in 2019

然而，從可再生能源棄電分布來看，主要集中于西北、西南等可再生能源大省，與氫能主要需求地區(qū)普遍相距較遠，考慮到當前氫能儲運效率與成本，不具大規(guī)模、長距離輸送的技術與基礎設施等方面條件。

此外，棄電具有隨機、量小、波動性大等特點［28-29］，進而導致電解水制氫設備利用率很低，尤其是隨著我國可再生能源利用率逐年提高，利用棄電開展電解水制氫的規(guī)模始終有限，因此利用棄電量制取大規(guī)模H2不具現(xiàn)實可行性。

未來電解水制氫的發(fā)展，在充分利用棄電資源的基礎上，必然要大規(guī)模利用可再生能源發(fā)電主體單量，因此其規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展有賴于自身技術進步及規(guī)模效應帶來的低成本H2制取。

3.2 電解水制氫技術路線選擇

根據(jù)電解槽類型，電解水制氫可分為堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水及固體氧化物電解水制氫3 種［3］。其中，堿性電解水制氫技術最為成熟，制氫能力最強，經(jīng)濟性最好，具有在當前階段示范推廣的條件；質(zhì)子交換膜電解水雖然處于產(chǎn)業(yè)化前期階段，但負載范圍廣、響應速度快、占地面積小、降本潛力大、電解質(zhì)無害，屬于電網(wǎng)友好型技術，與可再生能源發(fā)展適配性好，發(fā)展前景廣闊；固體氧化物電解水制氫總體尚且處于實驗室階段，本文不進行重點分析對比。

表4 各類電解水制氫技術對比Table 4 Comparison of various technologies for hydrogen production by electrolysis of water

從當前國內(nèi)外技術水平來看，國內(nèi)電解水制氫市場以堿性電解水制氫技術為主，標桿企業(yè)競爭優(yōu)勢明顯，技術水平同國外總體相近；質(zhì)子交換膜技術市場占有率較低，技術水平與西門子等國外先進企業(yè)相差較遠。

3.3 電解水制氫運行模式分析

針對電解水制氫這一制氫場景，通常存在“源端制氫-輸氫-用氫”以及“輸電-負荷側(cè)制氫-用氫”兩種模式，兩種模式對比本質(zhì)是輸氫與輸電的優(yōu)劣勢對比。

受全環(huán)節(jié)成本與效益、行業(yè)間壁壘、電網(wǎng)企業(yè)參與積極性等多重因素影響，從全環(huán)節(jié)來看，區(qū)域內(nèi)氫能的制取、輸送與利用普遍傾向于采用“源端制氫-輸氫-用氫”模式，電網(wǎng)企業(yè)參與度不足。然而，根據(jù)測算，對于氫氣遠距離、大規(guī)模儲運情景，相較“源端制氫-輸氫-用氫”模式，采用“輸電-負荷制氫-用氫”模式效率更高、安全性更好，因此需要電網(wǎng)公司等的大力參與。

圖3 兩種模式對比Fig.3 Comparison of the two modes

當前H2從管理定位上依然屬于?；罚虼薍2制取需要在化工廠等特定區(qū)域開展，增加了H2運輸成本，制約著“輸電-負荷側(cè)制氫-用氫”模式的示范落地。此外，電價機制不靈活同樣使得終端用電成本較高，進而導致“輸電-負荷側(cè)制氫-用氫”模式推廣以及制氫企業(yè)參與需求側(cè)響應的積極性不足，同樣需要推動解決。

4 結(jié)語

本文針對高滲透率可再生能源情景，從全環(huán)節(jié)分析了氫能發(fā)展的戰(zhàn)略意義，并提出了“電-氫”耦合的關鍵環(huán)節(jié)及其面臨的主要問題。主要結(jié)論如下：

1）氫能發(fā)展對提高可再生能源發(fā)展、保障能源安全、實現(xiàn)深度脫碳均具有重要戰(zhàn)略意義，而高滲透率可再生能源情景為從源頭保障氫能可持續(xù)發(fā)展提供契機。

2）“電-氫”耦合環(huán)節(jié)眾多，而電解水制氫是“電-氫”耦合的關鍵，當前面臨著制氫成本過高、各類技術路線不成熟、參與模式有約束等挑戰(zhàn)。

針對高滲透率可再生能源情景下氫能發(fā)展諸多問題，主要提出以下建議：

1）加強氫能關鍵技術攻關和應用，注重通過聯(lián)合攻關等加強質(zhì)子交換膜制氫技術布局。加快推進可再生能源電解制氫、氫儲能、燃料電池熱電耦合、氫發(fā)電系統(tǒng)等關鍵技術研發(fā)，超前部署氫能在電解水制氫、分布式供能等領域的示范應用，搶占未來氫能技術發(fā)展的制高點。

2）將可再生能源發(fā)電制氫納入到可再生能源消納措施方案。在可再生能源消納總體部署中，進一步研究制定可再生能源制氫具體實施方案，適時在可再生能源大省試點推廣應用風電、光伏發(fā)電制氫技術，探討與可再生能源發(fā)電企業(yè)合作制氫的可能性，探索解決可再生能源消納的新途徑。

3）近期堅持以商用車為主的氫燃料電池汽車發(fā)展路線，中遠期逐步發(fā)展乘用車。以商用車為主的發(fā)展路線有利于提高氫能基礎設施利用率，保障投資收益，并按需穩(wěn)步帶動乘用車發(fā)展，避免躍進式增長。優(yōu)先發(fā)展商用氫燃料電池汽車可以積累氫能調(diào)度供應和加氫站運營經(jīng)驗，便于在國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)核心技術相對成熟后推廣至其它車輛用途。。

4）推動負荷側(cè)制氫特許，著力推動氫能的能源管理定位。當前，受氫能屬于危化品的管理定位，H2在市內(nèi)制取通常要求在化工廠，因而在負荷側(cè)電解水制氫存在約束。作為參與氫能產(chǎn)業(yè)的核心切入口，應著力推動負荷側(cè)制氫特需，為電網(wǎng)企業(yè)參與氫能產(chǎn)業(yè)提供可能。同時，著力推動政府改變氫能的?；饭芾矶ㄎ?。