黃其勵：氫電協(xié)同 為新型能源體系提供有力支撐

■本刊記者 曲藝/編輯 王睿佳

“氫和電是最親密的能源伴侶。”9月14日，在由中國氫能聯(lián)盟、國家能源集團和嘉興市人民政府聯(lián)合主辦的2023中國（嘉興）氫能產(chǎn)業(yè)大會暨2023氫能專精特新創(chuàng)業(yè)大賽決賽上，中國工程院院士黃其勵指出，氫電耦合可降低新能源隨機性、波動性對電力系統(tǒng)“保安全、保供應”的影響，大幅提高高比例新能源發(fā)展和消納能力。

黃其勵表示，建設新型電力系統(tǒng)是支撐我國能源供給綠色化、終端行業(yè)深度電氣化以及能源供應鏈/產(chǎn)業(yè)鏈重構的關鍵，將是能源系統(tǒng)綠色安全發(fā)展首要陣地。未來，氫能在重點場景、重點區(qū)域、重點行業(yè)的開發(fā)利用，將逐步引領儲能技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為建設新型能源體系提供有力支撐。

氫與電這對“CP”緣起何處？有著怎樣的“高甜名場面”？又該如何攜手“將愛情進行到底”？黃其勵進行了深入解讀。

相知：兩個關鍵驅動力

黨的二十大報告強調，加快規(guī)劃建設新型能源體系。《2030年前碳達峰行動方案》提出，構建新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)，推動清潔電力資源大范圍優(yōu)化配置。

黃其勵表示，根據(jù)預測，“雙碳”目標下，新能源發(fā)電總裝機容量2030年需達到16.4億千瓦，占總裝機的43.2%。

“針對以上要求，當前能源系統(tǒng)發(fā)展面臨三方面挑戰(zhàn)。”黃其勵分析稱。

在電源側，部分地區(qū)電網(wǎng)新能源滲透率超過50%，新能源發(fā)電與負荷側用電需求時空不匹配凸顯，4小時以上以及季節(jié)性調節(jié)需求激增。需挖掘長時、規(guī)?；撵`活性儲能技術潛力。

在電網(wǎng)側，“沙戈荒”“深遠海”等新能源基地啟動建設并開展跨區(qū)輸送，新能源發(fā)電量將持續(xù)提升，電力輸送能力增長受限或輸送通道利用率嚴重不足。需擴展新能源高效轉化、輸送通道。

在用戶側，交通、建筑、化工等工業(yè)部門亟待統(tǒng)籌用好化石能源和可再生能源，提升能源綜合利用效率和電氣化、綠氫化比例。

“這就需要‘搬救兵’了。”黃其勵說，氫能作為新能源高效靈活轉化介質，可變革移動式和分布式能源使用模式，保障最大限度利用可再生能源。

比如，在新能源消納和跨區(qū)域調度能力方面，通過新能源電力電解水制綠氫技術，進而合成其衍生品，提高新能源的消納能力；通過管道、新型載體等方式實現(xiàn)區(qū)域內消外送，完成能源資源的跨區(qū)域調度、跨品種耦合。

又如，在支撐終端部門大幅提升電氣化比例方面，針對重工業(yè)、重型交通等高排放、難減排的領域，通過氫及其衍生品作為新能源的二次能量載體，以綠色原料或者燃料的形式推動終端用能清潔化、低碳化，減少石油、天然氣、煤炭等傳統(tǒng)化石能源使用。

在黃其勵看來，氫能一躍成為“新秀”，得益于氫電耦合的技術價值?！芭c抽水蓄能和其他新型儲能等比較，儲氫在長周期、規(guī)?；矫嬗忻黠@優(yōu)勢，可實現(xiàn)能源系統(tǒng)跨時間/跨空間的協(xié)調優(yōu)化，支撐電力系統(tǒng)的靈活性?！?/p>

不容小覷的是，氫儲能可實現(xiàn)充電功率、放電功率、充電容量、放電容量“四解耦”。氫及衍生氣體的能量存儲規(guī)?？蓮陌偾叩郊?，存儲時間可從小時到季，技術潛力可達到百吉瓦級別。

記者注意到，今年6月國家能源局組織發(fā)布《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍皮書》（以下簡稱《藍皮書》），在附件《世界主要發(fā)達經(jīng)濟體能源電力轉型鏡鑒》中總結“對我國新型電力系統(tǒng)構建的借鑒”時，“加快布局氫能產(chǎn)業(yè)，推動電能與氫能互轉利用”赫然在列。

黃其勵認為，國內氫電耦合發(fā)展有兩大關鍵驅動力。

“區(qū)域能源資源稟賦導致靈活性需求差異明顯，氫儲能依托靈活性可破局能源發(fā)展新型約束。”黃其勵解釋，例如在青海，白天光伏棄電量大，晚上全時段電源不足，可依托氫儲能實現(xiàn)“電—氫—電”大規(guī)模轉化利用；在湖南，白天依托“特高壓送電+本地光伏自發(fā)”，晚高峰供電不足，依托氫儲能可實現(xiàn)高峰“氫—電”頂峰保障用電；在吉林，晚上風電大發(fā)但消納不足，白天火電電源供應不足，無法支撐特高壓外送利用率，通過“電—氫”轉換可支撐類似地區(qū)大規(guī)模新能源外送。

另一驅動力則體現(xiàn)在，離網(wǎng)—并網(wǎng)型新能源開發(fā)模式逐漸成為擴大新能源規(guī)?；_發(fā)潛力的重要手段，“沙戈荒”“深遠海”等場景成為高質量發(fā)展重要抓手?！澳茉磪^(qū)域綜合化”和“源網(wǎng)荷儲一體化”發(fā)展趨勢明顯，進一步強化了區(qū)域氫電耦合需求，需更好挖掘氫電耦合的綜合效益。

以海上風電為例。黃其勵介紹，我國海上風電技術可開發(fā)潛力約22.5億千瓦，按20%比例制氫可年產(chǎn)綠氫超過3500萬噸，替代石油超過1億噸，降低碳排放量超過8000萬噸。2030年，風電制氫的度電成本將降至0.25元/千瓦時，海風制氫成本可降至22—25元/千克。

“模式成熟后，可實現(xiàn)泛太平洋、北極航道等區(qū)域開發(fā)，打開國際氫能貿易格局，實現(xiàn)全球能源治理和地緣戰(zhàn)略優(yōu)化。”黃其勵指出。

此舉也將協(xié)同推進氫能國際供應鏈建設。中國氫能聯(lián)盟9月14日發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2022》（以下簡稱《白皮書2022》）顯示，2022年，多國相繼啟動氫基能源跨國貿易示范，著手推動海上運輸網(wǎng)絡建設，氫基能源發(fā)展?jié)摿χ鸩斤@現(xiàn)。

相伴：三大典型場景

多重背景之下，氫電耦合的典型案例和場景應運而生。黃其勵將其歸納為三個方面，一是新能源大基地開發(fā)，二是深遠海綜合能源島開發(fā)，三是工業(yè)場景氫電耦合開發(fā)。

新能源大基地資源開發(fā)，即通過氫能實現(xiàn)風光大基地高質量建設和特高壓高水平發(fā)展，依托大基地規(guī)?；_發(fā)使制氫成本較傳統(tǒng)開發(fā)模式總成本降低40%以上。“通過‘發(fā)電上網(wǎng)’+‘離網(wǎng)制氫’耦合化，在滿足項目收益率要求的基礎上，將上網(wǎng)部分獲得收益來補貼制氫端，是近期支撐綠氫成本下降和規(guī)?？焖贁U大的重要解決方案?！秉S其勵指出。

5.用于句中或分句之后，表示停頓、提示或強調。[4]199“也”在名詞主語和時間狀語后，都表示強調，在條件分句后，原因分句后，申說復句的前一分句后，假設分句后，都有表示停頓和提示下文的作用。[4]200共60例。如：

“寧東可再生氫碳減排示范區(qū)項目前景廣闊?！秉S其勵介紹，這是國內首個新能源+氫能+化工+交通的綜合能源系統(tǒng)示范項目。數(shù)據(jù)顯示，其配置了62萬千瓦的光伏項目、2萬標方/小時的制氫廠、2座合計4000千克/天的加氫站以及氫氣管道與氫能重卡，以電補氫后制氫成本可達17元/千克。

若想促成更大規(guī)模的推廣應用，需要哪些技術支撐？

“從技術角度來說，增加電解槽負荷可調節(jié)范圍可提升電解槽對新能源波動性接受能力，是提高制氫裝備靈活性和利用小時數(shù)的關鍵。”黃其勵分析，堿性（ALK）電解水制氫技術需進一步提升裝備負荷可調節(jié)范圍或與質子交換膜（PEM）電解水制氫技術聯(lián)合應用，充分發(fā)揮ALK大規(guī)模優(yōu)勢和PEM靈活性優(yōu)勢，提高項目整體運行效率。這方面的重點研發(fā)任務包括：寬范圍、高效率、低電耗的ALK制氫技術；大規(guī)模、低成本、長壽命的PEM制氫技術；P2G場景下ALK+PEM集群聯(lián)合控制技術等。

與此同時，重型摻氫/純氫燃氣輪機技術不容忽視。黃其勵表示，燃氫輪機與天然氣燃氣輪機一樣具有供給和調節(jié)能力，可助力我國部分地區(qū)的電力保供。三菱、西門子、通用電氣等跨國企業(yè)已開展技術布局和示范。

記者梳理《白皮書2022》發(fā)現(xiàn)，多國加快開展摻氫/純氫燃氣輪機示范應用。美國已完成首次氫氣和天然氣在部分和全負荷下的20%的混合燃料應用驗證以及35%摻氫燃氣輪機發(fā)電。

我國也在持續(xù)跟進。黃其勵介紹，荊門摻氫燃氣輪機成功實現(xiàn)30%摻氫燃燒改造和運行，機組具備純天然氣和天然氣摻氫兩種運行模式的兼容能力。

黃其勵補充，接下來要重點解決燃氫輪機核心設計、部件制造、控制系統(tǒng)等方面的自主化和可靠性；推動綠氫制儲輸技術研發(fā)，建設低成本、大規(guī)模供應鏈，支撐燃機用氫需求；開展燃氫輪機燃燒過程中氮氧化物低排放技術和方案研究，形成完整方法；加快建立燃氫輪機相關關鍵技術和標準體系，支撐相關裝備的推廣和安全應用。

聚焦深遠海綜合能源島開發(fā)場景，黃其勵表示，依托可再生能源制氫技術實現(xiàn)深遠海區(qū)域就地發(fā)電制氫（氨）后送至岸上，或直接進行氫基能源的跨國貿易，可高效支撐深遠海能源基地建設。

記者了解到，海上風電+制氫（氫）能源島的項目集中在德國、荷蘭等歐洲國家，北海海域有大量已建或規(guī)劃的海上風電項目作為支撐。

其中，荷蘭Pos HYdon項目是全球首個海上風電制氫項目。該項目擬安裝1兆瓦電解槽，驗證海上風電制氫的可行性，并通過天然氣摻氫的方式送入天然氣管網(wǎng)，以實現(xiàn)海上風電、天然氣和氫能的一體化運行。

我國深遠海區(qū)域風能資源豐富、開發(fā)潛力大，是海上風電未來發(fā)展的趨勢。但深遠海風電的開發(fā)也面臨高成本、大容量、遠距離輸電等嚴峻挑戰(zhàn)，其對應的技術研發(fā)需求也更為精準。

首先要直面的就是更加惡劣的深海環(huán)境?！爸饕嬖诤Ａ?、波浪、潮汐、內波等多種水文現(xiàn)象以及腐蝕、沖刷、淘空等長期理化作用，對風機基礎、海底電纜、海上平臺集成等技術無疑提出了更嚴苛的要求?！秉S其勵提示，與近海風電場相比，深海風電場的建設需要重新評估和考慮機組基礎型式和機組安裝方式。

有了相對穩(wěn)定的電，如何制氫？“海上風電制氫是解決海上風電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、深遠海電力送出成本高等問題的有效手段。海水的雜質非常多，對電解槽的電極是極大的考驗，同時也對整個電解系統(tǒng)和控制有較高要求。海上風電原位制氫技術未來可進一步與海上可再生能源相結合，打造無淡化、無額外催化劑的海水原位直接電解制氫工程?！秉S其勵強調，尤為可賀的是，中國工程院院士謝和平率領科研團隊研制了全球首套400升/小時海水原位直接電解制氫技術與裝備，在深圳灣海水中連續(xù)運行超3200小時。

氫氣制得后，又該怎樣轉存、輸送？黃其勵建議，可采取“海上制氫站+管道輸送氫（氨）”或“海上制氫站+運輸船輸送氫（氨）”兩種方案。他表示，實現(xiàn)深遠海氫能及其衍生品的大規(guī)模、低成本輸送需重點圍繞基礎設施開展技術研發(fā)。轉存方面，包括穩(wěn)定氫液化及綠氫合成氨裝置、大型液氫儲罐；輸送環(huán)節(jié)，包括液氫運輸船、海底抗腐蝕氫（氨）軟/硬管道等。

黃其勵同時提醒，既然稱之為“綜合能源島”，就不是單一需要能源資源的消納和外送，更需要打造“電—氫—儲—運—用”一體化生態(tài)閉環(huán)，協(xié)同能源島穩(wěn)定用電、跨國貿易航運減排等多方位需求，推動氫能島上就地應用。談及提升海上能源綜合應用技術的具體路徑，黃其勵舉例道：“比如在穩(wěn)定用電保障方面，微/小型燃氫輪機整體尺寸大幅縮小，對零部件設計精度要求提高，加之高溫、高轉速、小工作間隙的條件下工作環(huán)境更為苛刻，需進一步提升整體材料優(yōu)化、流道設計、密封能力、制造工藝技術。此外，在航運燃料供應方面，與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大、持續(xù)時間長的特點，加注設備不能采用陸用加氫槍，應考慮更加可靠的加注方式，且還應考慮船舶在不斷電情況下的安全加注及船岸之間緊急切斷聯(lián)動功能?！?/p>

對于工業(yè)場景氫電耦合開發(fā)，黃其勵認為，推動氫能與工業(yè)耦合應用，將綠氫作為原料或還原劑替代煤炭，使煤炭回歸原料定位，將提高終端能源靈活性，引導工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局再集聚?！耙詺淠艽蛟炜稍偕茉础娏ο到y(tǒng)+氫能網(wǎng)絡）—工業(yè)產(chǎn)線的能源循環(huán)，提高我國能源大系統(tǒng)的綜合利用小時數(shù)和利用效率，降低整體能源應用成本?！?/p>

“工業(yè)場景的氫電耦合應用從需求端出發(fā)，依托對綠色減碳轉型需求，具備大規(guī)模部署能力。”黃其勵說，在技術研發(fā)需求方面，根據(jù)領域劃分，主要有綠氫耦合煤化工技術（化工領域）、氫冶金技術（鋼鐵領域）和煤摻氮發(fā)電技術（發(fā)電領域）。

國家能源集團可再生氫碳減排示范區(qū)項目。（國家能源集團供圖）

黃其勵特別指出，“煤摻氨發(fā)電技術”的創(chuàng)新研發(fā)將為鄂爾多斯、寧夏等火電外送基地的低碳轉型帶來機遇，協(xié)同新能源大基地的開發(fā)建設，可促進煤基能源、新能源、氫（氨）能的高效利用，以支撐能源基地轉型發(fā)展?！皣夷茉醇瘓F‘燃煤鍋爐混氨燃燒技術’以35%摻燒比例在40兆瓦燃煤鍋爐上實現(xiàn)了混氨燃燒應用，達到國際領先水平。這是第一臺，以后還有很多問題需要探討解決，潛力很大，希望有識之士參與進來?！秉S其勵呼吁。

相守：四點發(fā)展建議

《白皮書2022》指出，2023年，氫能產(chǎn)業(yè)要在頂層設計指導下，統(tǒng)籌產(chǎn)學研用資源，加快科技自立自強和重點場景示范應用，持續(xù)完善氫能產(chǎn)業(yè)政策體制和發(fā)展環(huán)境，建立健全氫能公共服務體系，統(tǒng)籌謀劃供應鏈基礎設施，適度超前開展試點示范，聚焦安全穩(wěn)定有序發(fā)展，推動氫能應用成本快速下降。

另據(jù)《藍皮書》預計，2045—2050年，新型電力系統(tǒng)進入成熟期，電力生產(chǎn)和消費關系深刻變革，電氫替代助力全社會碳中和。交通、化工領域綠電制氫、綠電制甲烷、綠電制氨等新技術新業(yè)態(tài)新模式大范圍推廣。電力在能源系統(tǒng)中的核心紐帶作用充分發(fā)揮，通過電轉氫、電制燃料等方式與氫能等二次能源融合利用，助力構建多種能源與電能互聯(lián)互通的能源體系。在冶金、化工、重型運輸?shù)阮I域，氫能作為反應物質和原材料等，成為清潔電力的重要補充，與電能一起，共同構建以電氫協(xié)同為主的終端用能形態(tài)，助力全社會實現(xiàn)深度脫碳。

值得關注的是，作為中國氫能產(chǎn)業(yè)的倡導者、推動者、踐行者，中國氫能聯(lián)盟打造了氫能白皮書、氫能大數(shù)據(jù)、氫能領跑者以及可再生氫100行動等行業(yè)品牌。理事長單位國家能源集團也成了中電聯(lián)氫能分會的執(zhí)行會長單位。據(jù)中國氫能聯(lián)盟負責人介紹，下一步將加快匯聚兩大行業(yè)組織資源，構建牢固的氫電協(xié)同“聯(lián)合體”，充分推動我國能源體系的清潔化轉型和新型電力系統(tǒng)的建設，推動氫電耦合關鍵技術的創(chuàng)新和重大示范工程落地，助力我國氫能產(chǎn)業(yè)和電力行業(yè)共同高質量發(fā)展。

遠大前景之下，氫電“CP”該如何攜手共赴新征程？對此，黃其勵給出了四點建議。

一是加強技術研發(fā)，聚焦產(chǎn)業(yè)鏈重點環(huán)節(jié)加大氫電耦合關鍵技術攻關力度。研究歐盟、美國、日本等發(fā)達經(jīng)濟體技術發(fā)展路線，聚焦國家重大科技前沿問題和國家重大需求，制定氫電耦合關鍵技術攻關路線圖。聚焦大規(guī)模電解水制氫技術、氫高效轉化、柔性綠氫耦合煤化工、高比例煤摻氨等關鍵技術工藝和核心器件領域的創(chuàng)新迭代。設立并實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的重大科技專項，穩(wěn)步增加氫電耦合領域科技研發(fā)投入強度，布局一批氫能國家工程中心。

二是努力協(xié)同創(chuàng)新，打造綠色氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體。央企等骨干企業(yè)間加強協(xié)同創(chuàng)新，推動科技研發(fā)平臺建設和人才引進，高質量打造氫能原創(chuàng)技術策源地。氫能骨干企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新打造氫能“百站萬輛”和“氫能高速”等重點場景全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)?；?、一體化工程，降低產(chǎn)業(yè)成本。加強氫能骨干企業(yè)跨行業(yè)溝通交流，開展覆蓋基礎材料、零部件、系統(tǒng)裝備等全產(chǎn)業(yè)鏈合作，共同發(fā)力引導市場進步。

三是積極開展示范，打造規(guī)模化、低成本可再生氫大基地。推動“源網(wǎng)荷儲”“風光氫儲一體化”項目，支撐風光資源消納；打造孤島等新型分布式能源系統(tǒng)示范。探索深遠海風電開發(fā)，打造“海上能源島”；開展百兆瓦級氫儲能試點示范。優(yōu)化傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)體系，圍繞綠氫耦合煤化工、氫電融合、綠氫耦合冶金等領域開展超前示范，支撐先進技術先行先試。

四是完善標準管理，加快推動制定和完善綠色氫能行業(yè)標準體系。對標國際氫能相關標準制修訂工作，梳理中國氫能產(chǎn)業(yè)標準體系缺口，構建面向氫電耦合場景的標準體系。重視參與國際標準的制修訂，積極、實質地申請參與國際標準化組織的工作和活動，將中國的技術和標準與國際接軌。加快推動氫能“領跑者”行動實施，圍繞氫能重點裝備、氫氣品質等方面推動檢測實證平臺建設。

作為浙江首批發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的試點城市之一，嘉興正加快布局氫能產(chǎn)業(yè)，擴展氫能應用場景，全力打造長三角氫能產(chǎn)業(yè)示范區(qū)。

黃其勵圍繞“創(chuàng)新探索氫能裝備和公共服務發(fā)展”及“加強項目示范和全國統(tǒng)一市場聯(lián)動”兩方面，對嘉興氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出了規(guī)劃指導，以期對其他“氫”心已久的城市有所借鑒。

創(chuàng)新探索氫能裝備和公共服務發(fā)展方面。近期：圍繞裝備制造園區(qū)推進電堆、燃料電池、質子膜、空壓機等核心零部件的研發(fā)生產(chǎn)與上下游企業(yè)招引；在中國氫能聯(lián)盟研究院的支持下，推動建立區(qū)域關鍵裝備檢測和氫氣品質檢測平臺建設，為嘉興本地氫能產(chǎn)業(yè)基礎創(chuàng)新和示范布局提供裝備和質量保障。中遠期：加強裝備智能化研發(fā)生產(chǎn)能力，加快推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈零配件智能化產(chǎn)品升級迭代，打造氫能裝備“未來工廠”。

加強項目示范和全國統(tǒng)一市場聯(lián)動方面。近期：推動“風光氫儲一體化”，支撐風光資源消納；探索孤島供能等新型分布式能源系統(tǒng)示范；依托港口應用場景，推動港區(qū)內氫燃料電池集卡、叉車等車輛的示范應用，積極開展近海氫基動力船舶的示范應用。發(fā)揮嘉興技術研發(fā)和裝備制造業(yè)基礎優(yōu)勢，探索與西部地區(qū)資源優(yōu)勢地區(qū)開展“飛地模式”創(chuàng)新，拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展市場資源。中遠期：依托港口資源綜合開發(fā)優(yōu)勢，探索深遠海能源開發(fā)；依托產(chǎn)業(yè)園區(qū)開展百兆瓦級氫儲能試點示范，并逐步實現(xiàn)小型分布式綜合能源系統(tǒng)推廣應用；持續(xù)加強與全國范圍內技術和市場優(yōu)勢地區(qū)產(chǎn)業(yè)合作，深入?yún)⑴c全國氫能裝備和貿易大市場建設?！?/p>