發(fā)展氫能破局張家口新能源產(chǎn)業(yè)消納困境

孟凡英，許燕飛

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

引言

1 碳中和呼喚新能源的發(fā)展

1.1 碳中和項(xiàng)目中國(guó)的目標(biāo)

將全球變暖控制在1.5攝氏度，這是巴黎協(xié)定的目標(biāo)，需要到2050年實(shí)現(xiàn)全球二氧化碳凈零排放。因此，自2015年巴黎峰會(huì)以來，覆蓋全球經(jīng)濟(jì)約三分之二的凈零目標(biāo)的存在代表著氣候雄心的顯著進(jìn)步。設(shè)定與科學(xué)一致的長(zhǎng)期目標(biāo)可以成為行動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)力，但如果不立即采取行動(dòng)，長(zhǎng)期目標(biāo)將永遠(yuǎn)遙不可及。

截至2021年4月，已有超過130個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出碳中和目標(biāo)，部分國(guó)家已進(jìn)入立法階段，如表1所示。

表 1 世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)年份

中國(guó)力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳達(dá)峰是指我國(guó)二氧化碳的排放在2030年前不再增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后逐步降低。碳中和是指我國(guó)在2060年前，通過二氧化碳去除技術(shù)，抵消自身的二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)凈零排放。

1.2 碳中和項(xiàng)目中氫能發(fā)展的可行性

由于對(duì)碳減排和能源供應(yīng)安全的擔(dān)憂，可再生能源(RE)技術(shù)在過去幾十年中受到各國(guó)的青睞。到2020年底，全球可再生能源發(fā)電能力達(dá)到2802 GW，其中水電占最大份額(1333 GW)。2020年，太陽能和風(fēng)能裝機(jī)容量分別增加了126 GW和110 GW?？稍偕茉丛谌虬l(fā)電量中的份額從2019年的27 %上升到2020年的29 %[1]。與此同時(shí)，長(zhǎng)期以來不使用化石燃料生產(chǎn)的綠色氫氣(H2)被認(rèn)為是清潔能源，有助于世界實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。RE技術(shù)在全球范圍內(nèi)的迅速發(fā)展以及綠色H2S技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了一個(gè)很有前景的解決方案。

氫氣作為一種低碳清潔能源正在全球范圍內(nèi)復(fù)蘇，并被認(rèn)為是一種替代能源載體，可以幫助世界實(shí)現(xiàn)碳中和。然而，擴(kuò)大規(guī)模是限制氫經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要挑戰(zhàn)之一。關(guān)于氫能在全球能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵作用，目前已有一些研究在進(jìn)行中。由于再生能源具有內(nèi)在的輸出間隔性，因此要可靠和安全地運(yùn)行高可再生能源系統(tǒng)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。同樣，氫能也被用于彌補(bǔ)發(fā)電與消納之間的不匹配[2]。研究發(fā)現(xiàn)，由可再生能源生產(chǎn)氫能可以改變目前的能源市場(chǎng)格局,此外利用風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)氫氣的商業(yè)可行性在參考文獻(xiàn)[3]中進(jìn)行了研究?？勺鳛榭稍偕鷼錃馍a(chǎn)和利用的完整可行性研究，特別是對(duì)氫氣在低碳能源系統(tǒng)中可能扮演的角色進(jìn)行了全面評(píng)述[4]。結(jié)果表明，H2的成本和性能方面的挑戰(zhàn)依然存在，要使H2具有真正的競(jìng)爭(zhēng)力，還需要相當(dāng)大的改進(jìn)。

實(shí)踐中，H2在運(yùn)輸、工業(yè)加工、燃料電池和加熱方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。盡管有這些機(jī)會(huì)，但在大規(guī)模生產(chǎn)H2方面仍然存在挑戰(zhàn)和問題。在參考文獻(xiàn)[5]中研究了各種H2的生產(chǎn)途徑和相關(guān)技術(shù)，包括綠色、藍(lán)色和灰色氫能。為了促進(jìn)H2經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，參考文獻(xiàn)[5]也對(duì)當(dāng)前的挑戰(zhàn)、未來的方向和政策建議進(jìn)行了研究，要成功地將全球綠色能源產(chǎn)業(yè)商業(yè)化并擴(kuò)大其規(guī)模，需要大量的新投資。

目前，壓縮和液化H2的儲(chǔ)存成本很高，而長(zhǎng)距離運(yùn)輸H2O在經(jīng)濟(jì)上是不充分的。盡管人們?cè)絹碓蕉嗟乜紤]H2載體，如氨、甲烷和甲醇，但人們對(duì)它們的認(rèn)證和使用時(shí)產(chǎn)生的排放感到擔(dān)憂。在參考文獻(xiàn)[6]中研究了各種壓縮H2儲(chǔ)存技術(shù)(例如儲(chǔ)存容器、地質(zhì)儲(chǔ)存和其他地下儲(chǔ)存替代方案)，探討了每種儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)的操作原理、局限性和挑戰(zhàn)。該分析證實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)鏈分析，以評(píng)估特定選項(xiàng)相對(duì)于另一個(gè)選項(xiàng)的可行性。

2 張家口新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

張家口是重要的能源輸出基地。建國(guó)后從最早的煤電開始就是首都北京的重要能源供應(yīng)站，隨著張家口新能源產(chǎn)業(yè)及國(guó)內(nèi)特高壓輸變電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電、光伏等逐漸興起的可再生能源也源源不斷地輸送至京津地區(qū)。

“剛到寺院時(shí)，也挺想家的，加上當(dāng)時(shí)僧舍落魄、衣食貧乏，沒少受苦。下雨時(shí)，經(jīng)常會(huì)有雨水漏進(jìn)來。那時(shí)一個(gè)青稞饅頭大家會(huì)輪著啃，很多時(shí)候飯都吃不飽的。好在寺院所在地農(nóng)仁村的人，會(huì)經(jīng)常接濟(jì)我們?！标惿徢檎f。

2.1 北京2022冬奧會(huì)促進(jìn)張家口新能源產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展

2022冬奧會(huì)，從2019年年中的籌備工作開始到奧運(yùn)會(huì)結(jié)束，各場(chǎng)館將需要約400吉瓦時(shí)(GWh)的電力，這相當(dāng)于中國(guó)約18萬戶家庭的年用電量。北京—張家口并沒有簡(jiǎn)單地通過交易機(jī)制購買可再生電力的綠證，而是利用奧運(yùn)會(huì)開辟了一個(gè)專用的可再生能源電網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)100 %可再生電力目標(biāo)，使用跨地區(qū)的“綠色電力交易”機(jī)制，在交易平臺(tái)上，冬奧會(huì)電力需求被優(yōu)先考慮，場(chǎng)館可以以更低的價(jià)格購買可再生電力。

這些電力主要來自張家口的11家風(fēng)能和太陽能發(fā)電公司，冬奧會(huì)加快了張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)的建設(shè)。北京2022年冬奧會(huì)依靠張家口市新建的基礎(chǔ)設(shè)施，這是一個(gè)耗資20億美元的項(xiàng)目，于2020年6月啟動(dòng)，用于分配風(fēng)能和太陽能，并通過抽水蓄能來調(diào)節(jié)產(chǎn)出的變化。張家口的風(fēng)電和太陽能裝機(jī)也有所加快，裝機(jī)容量達(dá)到23.4 GW，包括16.4 GW風(fēng)電和7.0 GW太陽能。如果張家口是一個(gè)國(guó)家，它的風(fēng)能和太陽能總裝機(jī)容量將排在世界第12位，如下圖1所示，僅次于巴西，但領(lǐng)先于越南。

圖 1 張家口地區(qū)清潔能源世界排名

2022年冬奧會(huì)，張家口市賽區(qū)共投入氫燃料大巴車710臺(tái)，包括賽區(qū)623輛。后奧運(yùn)時(shí)代的4年內(nèi)，張家口制氫量達(dá)到5萬噸以上，建成加氫站14座，推廣燃料電池公交車、通勤客車、物流車、重卡、環(huán)衛(wèi)車總共1130輛。

2.2 國(guó)家政策支持促進(jìn)張家口新能源產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健前進(jìn)

張家口是華北地區(qū)風(fēng)能和太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，也是京津冀地區(qū)重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和國(guó)家規(guī)劃的新能源基地之一。2015年7月，張家口可再生能源示范區(qū)成為首個(gè)由國(guó)務(wù)院批復(fù)同意的新能源示范區(qū)，并由國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃。2022年國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《張家口可再生能源示范區(qū)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》。根據(jù)《規(guī)劃》，以碳達(dá)峰、碳中和為主線示范區(qū)探索新體制、新機(jī)制，健全完善可再生能源市場(chǎng)體系。突破制約可再生能源協(xié)同發(fā)展體制機(jī)制障礙，著力推進(jìn)規(guī)劃管理、電力市場(chǎng)交易和跨區(qū)利益補(bǔ)鏈等改革創(chuàng)新，為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、京津冀綠色能源一體化聯(lián)動(dòng)發(fā)展提供支撐。到2025年，示范區(qū)新能源利用率達(dá)到95 %以上，可再生能源終端消費(fèi)占比45 %，可再生能源提供70 %的電力消費(fèi)。

3 發(fā)展氫能讓張家口新能源產(chǎn)業(yè)形成閉環(huán)

張家口是風(fēng)電集中建設(shè)區(qū)，消納問題較為嚴(yán)峻，由于電網(wǎng)建設(shè)滯后于風(fēng)電項(xiàng)目的建設(shè)，在局部地區(qū)受電網(wǎng)送出建設(shè)、當(dāng)?shù)叵{能力等因素的影響，風(fēng)電輸出問題制約風(fēng)電項(xiàng)目的開發(fā)。在清潔能源、碳中和大背景下，若風(fēng)電制氫形成可復(fù)制推廣模式，不僅可解決棄風(fēng)問題，風(fēng)電轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)氫也將成為儲(chǔ)能的一種重要形式。在可再生能源方面，目前光伏與風(fēng)電行業(yè)均已處于平價(jià)前夕，平價(jià)后行業(yè)發(fā)展將由政策驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄{驅(qū)動(dòng)，電網(wǎng)消納能力將成為制約行業(yè)發(fā)展的首要因素。與基于化石能源的電能和石油制品生產(chǎn)方式相比，可再生能源具有地域分布偏遠(yuǎn)和生產(chǎn)不穩(wěn)定的特性，氫能與電能的深度耦合恰能支撐更高份額的可再生能源電力的發(fā)展，主要表現(xiàn)為：氫能可滿足可再生能源規(guī)模化、長(zhǎng)周期儲(chǔ)能需求；氫能可作為燃料，通過燃料電池為交通和工業(yè)領(lǐng)域提供電能、熱能，有效降低化石能源的使用，繼續(xù)提升電力在能源系統(tǒng)中的比重。

3.1 張家口氫能是最清潔的綠氫

根據(jù)來源分類，氫能可分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫，如圖2。

圖 2 氫能種類

氫能未來發(fā)展的一個(gè)重要問題是擺脫并取代對(duì)傳統(tǒng)化石能源制氫。統(tǒng)計(jì)表明全球約96 %的氫能來自化石能源制氫和工業(yè)副物制氫。因此，即便從消費(fèi)端氫能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，但從生產(chǎn)端不擺脫制氫對(duì)化石能源的依賴，依然無法實(shí)現(xiàn)深度脫碳[1-2]。蓬勃發(fā)展的可再生能源制氫的CO2排放量遠(yuǎn)低于化石能源制氫，有利于氫能實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境的雙重可持續(xù)發(fā)展。

張家口氫能產(chǎn)業(yè)能源端主要來源為風(fēng)電、太陽能等清潔能源，電解水制氫是“零碳排放”模式下氫氣的主要來源，俗稱“綠氫”。“綠氫”制造是將風(fēng)電、光伏等生成的電能通過電解水技術(shù)制備成氫氣，將氫氣輸送至加氫站或通過氫電池發(fā)電進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰。實(shí)現(xiàn)可再生能源轉(zhuǎn)化氫能和氫能轉(zhuǎn)化為電能。

3.2 張家口需引進(jìn)或發(fā)展的氫能技術(shù)

可再生能源因其自然稟賦的特性，其發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，使得接入電網(wǎng)的能荷比例受到限制，疊加本地電能消納能力不足，張家口新能源發(fā)展經(jīng)歷過較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光階段。張家口制氫需要引進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域包括區(qū)域綜合能源多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度數(shù)字化平臺(tái)、高效低成本制氫技術(shù)和新型氫能存儲(chǔ)技術(shù)。

3.2.1 區(qū)域綜合能源多能互補(bǔ)優(yōu)化調(diào)度數(shù)字化平臺(tái)

建設(shè)張家口源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化及多能互補(bǔ)平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能AI等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)、儲(chǔ)能側(cè)的各類可控資源的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源透明感知、特性建模、性能評(píng)估和建模應(yīng)用，為電力系統(tǒng)提供資源信息管理、評(píng)估、生產(chǎn)、資源可調(diào)控能力及交易能力評(píng)估和可調(diào)負(fù)荷應(yīng)用服務(wù)夯實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提供準(zhǔn)確的評(píng)估手段。有效促進(jìn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源靈活互動(dòng)，促進(jìn)新能源消納，合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設(shè)投資成本，提高可再生能源的有效利用。

3.2.2 高效低成本制氫技術(shù)

堿性與PEM電解水技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)，目前堿性電解槽成本更低，而PEM對(duì)波動(dòng)性電源的適應(yīng)能力更強(qiáng)[7]，兩者各有其適用場(chǎng)景，需要通過技術(shù)示范，來探索技術(shù)路線的選擇。目前國(guó)內(nèi)的堿液電解槽技術(shù)已在全球處于較領(lǐng)先地位，而PEM的部分裝置仍然依賴進(jìn)口，導(dǎo)致成本較高。面對(duì)新能源的波動(dòng)性，堿液電解槽比PEM遜色，所以未來需要引進(jìn)或發(fā)展PEM電解水技術(shù)，進(jìn)一步提高張家口綠色氫能的經(jīng)濟(jì)性。

3.2.3 新型氫能存儲(chǔ)技術(shù)

新型儲(chǔ)能技術(shù)可以克服目前電力供需時(shí)間上峰谷錯(cuò)配、空間上生產(chǎn)遠(yuǎn)離消費(fèi)的缺陷，儲(chǔ)能生產(chǎn)具有快速響應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)的特點(diǎn)，可有效應(yīng)對(duì)新能源生產(chǎn)不穩(wěn)定，充分提高可再生能源的利用率，因此，張家口規(guī)?；l(fā)展新型氫能存儲(chǔ)勢(shì)在必行?？稍偕茉锤弑壤{需要快速增加電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、備用等靈活性資源，科學(xué)合理的儲(chǔ)能應(yīng)用可以為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、電壓支持等服務(wù)，將在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。從氫—電耦合的角度來看，電解水合實(shí)現(xiàn)了電能到氫能的轉(zhuǎn)換，氫能還可以通過燃料電池轉(zhuǎn)換為電能。大規(guī)模低成本的儲(chǔ)氫技術(shù)便成了電力儲(chǔ)能的重要研究方向，為擴(kuò)大張家口可再生能源應(yīng)用的便利性和提升應(yīng)用規(guī)模，規(guī)模化低成本儲(chǔ)氫技術(shù)是未來需要引進(jìn)和發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

結(jié)語

本文對(duì)碳中和背景下張家口新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了梳理、分析和總結(jié)，得出發(fā)展氫能可破解張家口新能源消納難題，同時(shí)可以促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)張家口未來需要在氫能方面引進(jìn)和發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，對(duì)張家口可再生能源產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展具有重要參考價(jià)值。