新型電力系統(tǒng)下吉林省電-氫協(xié)同發(fā)展分析及構想

胡 杰，李東耀，于 淼

（中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021）

0 引言

2022年3月，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，將氫能正式納入國家能源體系，并明確氫是能源轉型的重要載體。同年5月，兩部委再次聯(lián)合發(fā)布了《關于促進新時代新能源高質量發(fā)展的實施方案》，提出新能源開發(fā)利用仍存在電力系統(tǒng)對大規(guī)模高比例新能源接網和消納適應性不足、受土地資源約束明顯等制約因素，要求要全面提升電力系統(tǒng)調節(jié)能力和靈活性，推動新型儲能快速發(fā)展。

吉林省有豐富的風、光資源，是“松遼清潔能源基地”的重要組成部分，新能源發(fā)展?jié)摿薮螅壳罢w開發(fā)程度偏低，新能源開發(fā)與利用矛盾突出，在構建新型電力系統(tǒng)中仍存在較多的問題需要解決，對氫能作為新型儲能載體的需求強烈。

本文分析了吉林省新能源與氫能發(fā)展現狀，并對當前新能源發(fā)展面臨的主要問題進行梳理，通過對氫能多種發(fā)展方式的分析，探究氫對全省新型電力系統(tǒng)構建的重要意義，并提出全省電-氫協(xié)同發(fā)展的構想以及未來全省電-氫協(xié)同發(fā)展的相關建議。

1 吉林省新能源及氫能發(fā)展現狀

1.1 吉林省新能源發(fā)展現狀

2021 年，吉林省新能源裝機容量達1 120.6×104k W，約占全省裝機容量的32.2%。其中，風電裝機容量664.7×104k W，光伏裝機容量345.9×104k W。2019年，吉林省風電建設由紅色預警調整為綠色后，于近兩年有較快增長；光伏建設情況一直較好，并在“十三五”初期出現爆發(fā)式增長。

2021 年，吉林省新能源發(fā)電量達221.6×108k Wh，約占全省總發(fā)電量的22.5%。其中，風電發(fā)電量137.9×108k Wh，光伏發(fā)電量52.3×108k Wh。全省新能源發(fā)電量比重逐年提高，近期風電利用時間維持在2 200 h以上，光伏利用時間在1 500 h左右。

吉林省西部地區(qū)所在的“松遼清潔能源基地”是“九大國家級清潔能源基地”的重要組成部分，新能源發(fā)展?jié)摿薮?。吉林省風電年平均利用時間為2 700～3 500 h，可裝機容量約為6 900×104k W；太陽能年平均日照時間為2 800～3 000 h，可裝機容量約為4 600×104k W。截至2021年，全省新能源開發(fā)率尚不足10%。

1.2 吉林省氫能發(fā)展現狀

吉林省氫能示范應用工作開展較早，為全省氫能產業(yè)規(guī)?；l(fā)展奠定了良好基礎。目前，氫能試點建設項目主要有白城堿液聯(lián)合質子交換膜電解水制氫試點項目、長春中韓國際合作示范區(qū)“可再生能源＋質子交換膜電解水制氫＋加氫”一體化試點項目、白城風電動態(tài)堿液制氫實驗裝置試點項目等。此外，氫能交通已在吉林省白城、延邊等地區(qū)成功示范應用，全省建成示范加氫站3座，中國第一汽車集團有限公司已有氫燃料電池乘用車投入運行。

2 吉林省新能源發(fā)展面臨的問題

2.1 新能源消納能力不足

吉林省是典型的送端電網，“大機小網”特征突出。2021年，吉林省最大發(fā)受電量1 386×104k W，全省常規(guī)電源裝機容量2 475×104k W，省內負荷不能滿足電源發(fā)展的需要，送出需求強烈。此外，受地域和氣候影響，在冬季采暖期，供熱需求與新能源開發(fā)矛盾突出，電網調峰壓力巨大，近10年火電機組利用時間均低于4 000 h。

經測算，在考慮吉林省新能源利用率95%的條件下，計及省間通道及魯固直流輸電能力，并疊加需求側響應和跨省現貨交易電量，全省新能源已基本無新增可消納空間，亟須尋求新的消納市場。

2.2 新能源開發(fā)力度不強

目前，風電已成為吉林省第二大裝機容量電源，但風、光發(fā)電量合計僅占全省發(fā)電量的22.5%，新能源已開發(fā)比例不足10%，新能源利用程度明顯偏低。在加快構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)大背景下，全省新能源將迎來新一輪快速發(fā)展，新能源定位也將由補充電源過渡為主力電源［1］，增強新能源開發(fā)力度，助力“雙碳”目標的盡早實現尤顯重要。

2.3 新能源資源與調峰資源匹配度不高

吉林省風、光資源較豐富地區(qū)主要集中在西部地區(qū)，而全省的常規(guī)水電、抽水蓄能電站等優(yōu)質調峰資源主要集中在東部，風、光資源與調峰資源存在空間差異性。目前，西部地區(qū)風、光資源開發(fā)以規(guī)?；⒓惺诫娬緸橹?，通常采用電力匯集方式，經長距離、高電壓等級在更大范圍內消納，為發(fā)揮系統(tǒng)調峰作用，須對電網網架結構提出更高要求，省內主干網架潮流涌動調整頻次及運行壓力也將明顯增加。

2.4 新能源開發(fā)對調峰電源要求提高

受風、光等新能源發(fā)電間歇性和波動性特點影響，隨著其接入系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，系統(tǒng)出力可控性降低，系統(tǒng)運行的隨機性和不確定性增加，對調峰電源要求不斷提高。現有常規(guī)抽水蓄能及電化學儲能等調峰手段，僅能滿足小時級或日內調節(jié)需要，而隨著新能源占比的不斷提高，新能源在周、月、季、年等時間尺度上的不均衡性逐漸凸顯，對長時段調節(jié)需求將更為迫切［2］。

3 氫能對吉林省新型電力系統(tǒng)建設的重要意義

氫能具有質量能量密度高、體積能量密度低的特點，可采用多種方式存儲，是一種清潔、高效的二次能源，能夠實現與新能源的協(xié)同發(fā)展。其中，制氫與燃料電池是實現氫能與電能相互轉換的關鍵技術［3-5］，而作為一種優(yōu)質的高燃燒熱值燃料，氫能在重卡運輸、鐵路貨運、航運和航天等交通領域也有很大的發(fā)展空間。氫能對吉林省新型電力系統(tǒng)建設具有重要意義。

3.1 電制氫提升電力系統(tǒng)靈活性

制氫過程通常按照碳排放情況，分為灰氫（煤制氫）、藍氫（天然氣制氫）和綠氫（電解水制氫）。目前，制氫以灰氫為主。而從新能源和氫能總體發(fā)展需求來看，以新能源電力制氫的零排放“綠氫”將成為電制氫未來發(fā)展的主流。

根據電解液的不同，當前具備大規(guī)模推廣的電制氫技術主要分為堿性電解、質子交換膜電解、固體氧化物電解。其中，堿性電解技術電制氫負荷能夠實現50%～100%可調；質子交換膜電解技術制氫負荷調節(jié)范圍更大，啟動時間短，爬坡速度快，“荷隨源動”特點突出；固體氧化物電解技術能量效率高，可構成可逆電解池。電解水制氫主要技術對比見表1［6-7］。

表1 電解水制氫主要技術對比

通過電制氫的建設發(fā)展，可充分發(fā)揮其在較大范圍內的功率連續(xù)調節(jié)作用，為滿足全省新能源大規(guī)模開發(fā)提供有效的靈活性調節(jié)電源。

3.2 多元化儲氫方式滿足長時間儲能需求

隨著新能源規(guī)模的不斷增加，新能源出力的波動性將體現在更長的時間軸線上，現有成熟的以小時為單位的電化學儲能及抽水蓄能電站都很難滿足新型電力系統(tǒng)的儲能需要。

氫能的儲存方式相對較多，如壓縮氣態(tài)氫存儲、低溫液態(tài)氫存儲、制造燃料電池、天然氣管道摻氫等。這些儲氫方式的充放周期可在上千小時，能夠滿足日、周、月等長時間軸線的儲能需求，增強高比例新能源對新型電力系統(tǒng)的電力平衡需求。抽水蓄能、電化學儲能及氫儲能優(yōu)缺點對比見表2。

表2 抽水蓄能、電化學儲能及氫儲能優(yōu)缺點對比

3.3 建設氫能電站改善電網運行

隨著新能源裝機占比的增加，電力系統(tǒng)轉動慣量、調節(jié)能力和抗擾動能力明顯下降，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的不利因素增加。此外，隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，能源空間的不平衡性將更加突出?，F有的以火電、抽水蓄能為主的調峰模式將越發(fā)不能匹配碳排放及新能源建設周期等要求，建設氫能電站，既可以將利用新能源電解生產的氫能再次轉換為電能回饋電力系統(tǒng)，又能夠為電力系統(tǒng)提供調峰資源和事故備用，從而提高電力系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性，進一步增加新能源的消納。

隨著現有煤電機組的退役及有限抽水蓄能電站資源的開發(fā)，對以氫能為代表的大規(guī)模、長時間、跨區(qū)域的新型調峰資源需求將更為強烈。

4 吉林省電-氫協(xié)同發(fā)展構想

根據吉林省新能源發(fā)展面臨的問題，為加快構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，充分發(fā)揮氫能作為新型儲能載體的技術優(yōu)勢，對全省電-氫協(xié)同發(fā)展提出3點構想。

4.1 建立送端電-氫輸電模式

從全省新能源發(fā)展迫切與電力需求偏小的矛盾出發(fā)，應考慮利用特高壓直流通道送出電力的同時，實現送端電-氫輸電協(xié)同利用。

在吉林省西部新能源集中匯集外送基地，建立電制氫、儲氫及氫能發(fā)電站，實現送端“源網荷儲”。其中，電制氫和氫能發(fā)電作為外送通道的調峰電源，能夠提高西部新能源特高壓外送通道的系統(tǒng)靈活性和運行穩(wěn)定性。而儲氫設備則作為儲能措施，實現對長時間軸線上的調節(jié)能力。送端電-氫協(xié)同輸電模式見圖1。

圖1 送端電-氫協(xié)同輸電模式

4.2 建立電-氫就地消納模式

在吉林省西部新能源富集地區(qū)利用新能源制氫，并直接應用于周邊化工廠、汽車燃料電池加氫站等，豐富氫能產業(yè)鏈，擴大用氫需求。

該模式的應用，既可減少儲運氫氣的成本，又可避免電-氫-電能源轉換過程的損耗，提高能源利用率。吉林省作為中國汽車產業(yè)和化工產業(yè)的搖籃，產業(yè)協(xié)同優(yōu)勢更加顯著。同時，吉林省作為農業(yè)大省，對化肥的剛性需求強烈，采用該模式可以充分發(fā)揮省內現有產業(yè)基礎與氫能產業(yè)快速融合的優(yōu)勢。此外，利用氫能發(fā)電站作為數據中心應急電源替代柴油發(fā)電機組，從而使得高耗能的數據中心可以完全使用新能源，實現數據中心零碳排放，有利于促進數據中心產業(yè)在吉林省的發(fā)展。

4.3 研究利用“中俄東線”輸氫

當前，氫能儲運成本約占到“制儲輸用”全產業(yè)鏈總成本的30%～40%［8-9］，是制約氫能大規(guī)模發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)之一。

“中俄東線”是目前世界上距離最長的輸氣管道，其主要供應市場為東北區(qū)域、華北渤海地區(qū)及長三角地區(qū)，其中吉林省有長嶺和雙遼2個分輸站及長嶺—長春1個分支管線。

為解決氫能儲運問題，建議近期結合省內及省間“中俄東線”天然氣管網，充分利用天然氣基礎設施及管網覆蓋面積優(yōu)勢，在天然氣管網允許摻氫比例波動的條件下，實現天然氣管網輸氫，解決“綠氫”大規(guī)模生產、儲運和消納問題，從而大幅度降低碳排放量。

5 結論與建議

1）受吉林省“大機小網”、供暖期供熱需求及風電大發(fā)疊加、東西部地區(qū)能源資源分布及電力系統(tǒng)運行需求等多方面因素影響，新能源開發(fā)程度整體偏低，新能源發(fā)展面臨消納能力不足、開發(fā)力度不強、與調峰資源匹配度不高及對調峰電源的要求提高等問題。

2）氫能作為新型儲能載體，可通過電制氫—氫能發(fā)電提升電力系統(tǒng)靈活性、多元化儲氫方式，滿足長時間儲能需求、改善電網運行，對吉林省新型電力系統(tǒng)的構建具有重要意義。

3）結合吉林省新能源開發(fā)及現有產業(yè)基礎，提出建立送端電-氫輸電模式、建立電-氫就地消納模式及研究利用“中俄東線”輸氫3種電-氫協(xié)同發(fā)展構想，促進近期吉林省電-氫協(xié)同發(fā)展，并在相關技術成熟后，推動建立電-氫-電循環(huán)發(fā)展模式。

4）氫能作為新型儲能載體，在新型電力系統(tǒng)發(fā)展中，仍面臨著在新能源隨機波動情況下，制氫系統(tǒng)隨工況變化對設備安全及運行的新要求、氫儲能系統(tǒng)效率偏低及成本偏高、天然氣管道摻氫所面臨的氫脆及分離效率低等問題。建議加大對“綠氫”技術攻關與規(guī)?；芯繎昧Χ?，降低制氫成本，提高“綠氫”經濟性；利用全省現有產業(yè)及政策優(yōu)勢，加快裝備企業(yè)落地，提升自主化水平；推動氫“制儲輸用”全產業(yè)鏈建立，利用全省產業(yè)發(fā)展基礎，發(fā)展本省化工、氫燃料產業(yè)，吸引國家中東部氫能消費產業(yè)進入吉林；提升本省氫能源高端裝備制造技術競爭力，把握氫能發(fā)展路線先機，打造氫能技術產業(yè)高地。